VERFAHREN ZUM ERZEUGEN EINES BAUTEILS MIT EINER NANOSTRUKTURIERTEN BESCHICHTUNG

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Bauteils mit einer nanostrukturierten Beschichtung, bei dem die Nanostrukturierung der Beschichtung unter Verwendung von Nanopartikeln erzeugt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung Polymerfolien, in die Nanopartikel eingebracht sind.

[0002] Aus der DE 601 09 793 T2 ist es bekannt, Polymerfolien mit verkapselten bioaktiven Substanzen zu imprägnieren. Hierbei wird eine poröse, ebene PTFE-Folie verwendet, wobei in den Poren der Polymerfolie die Nanopartikel eingebunden werden können.

[0003] Weiterhin ist es gemäß DE 10 2004 025 001 A1 möglich, nanoskalige Partikel in eine Polymerschicht einzubringen, indem die nanoskaligen Partikel enthaltende Polymere geschmolzen und mit einer Geschwindigkeit von 250 m/min auf eine Oberfläche aufgebracht werden. Dort bildet sich eine mit den Partikeln versetzte Beschichtung aus.

[0004] Schließlich ist es aus der DE 103 22 182 A1 bekannt, dass eine Beschichtung, die aus einem Polymermaterial sowie darin eingebundenen Partikeln besteht, nach der Aufbringung auf eine Oberfläche einer Pyrolyse und/oder Carbonisierung unterworfen werden kann. Hierbei wird das Polymer umgewandelt, wobei ein poröses kohlenstoffbasiertes Material als Matrix für die Partikel entsteht.

[0005] Gemäß der US 2005/0287308 A1 ist ein Verfahren beschrieben, mit dem sich nanostrukturierte Beschichtungen herstellen lassen. Zu dem Zweck wird ein Aerosol, enthaltend Mikropartikel von beispielsweise zwei Materialien gebildet, wobei das Aerosol laminar fließt. Von den fließenden Mikropartikeln werden beispielsweise mit einem Laserstrahl durch Ablation Nanopartikel abgetrennt, welche sich als nanostrukturierter Film auf einem zu beschichtenden Substrat abscheiden. Hierzu ist eine vergleichsweise komplizierte Vorrichtung notwendig, welche die Erzeugung des Aerosols aus den Mikropartikeln und deren laminare Leitung über das beschichtende Substrat gewährleistet. Hierbei müssen bei einer gewünschten Schichtdicke und Zusammensetzung während des Beschichtungsverfahrens verschiedene Parameter berücksichtigt werden.

[0006] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung nanostrukturierter Beschichtungen mit beliebigen Schichtmaterialien anzugeben, mit dessen Hilfe eine einfache Beschichtung bei vergleichsweise freier Wahl der Schichtmaterialien möglich ist und eine gleichmäßige Verteilung der Nanopartikel in der Beschichtung erzeugt werden kann.

[0007] Diese Erfindung wird mit dem eingangs genannten Verfahren zum Erzeugen eines Bauteils mit einer nanostrukturierten Beschichtung dadurch gelöst, dass zur Nanostrukturierung der Beschichtung unter Verwendung von Nanopartikeln folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden. Zunächst wird eine mit den zu verwendenden Nanopartikeln gefüllte Folie aus einem Polymermaterial hergestellt. Anschließend wird die Folie auf die zu beschichtende Oberfläche des Bauteils aufgebracht. Zum Schluss wird das die Folie bildende Polymer durch eine Nachbehandlung von der Oberfläche entfernt, wobei die Nanopartikel die Beschichtung bilden. Dabei müssen die Schichtbestandteile nicht ausschließlich durch die Nanopartikel gebildet werden. Es kann während der Nachbehandlung der Oberfläche auch ein weiteres Schichtmaterial in das Verfahren eingebracht werden, welches beispielsweise eine Matrix bildet, in die die Nanopartikel eingebracht sind. Die Nanostrukturierung besteht in diesem Falle aus der feindispersen Verteilung der Nanopartikel. Die Nanostrukturierung kann jedoch auch durch die Nanopartikel erzeugt werden, wenn diese die Beschichtung bilden. Hierbei sind Wechselwirkungen zwischen den Nanopartikeln verantwortlich, die sich aufgrund der im Verhältnis zum Volumen der Nanopartikel großen Fläche bei der Schichtbildung stark auswirken. Weiterhin kann durch die Nachbehandlung auch ein Anschmelzen von Nanopartikeln bewirkt werden, was den Schichtzusammenhalt auch ohne Verwendung weiterer Beschichtungsstoffe, die eine Matrix zur Einbindung der Nanopartikel bilden könnten, ermöglicht.

[0008] Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Nachbehandlung in einer Wärmebehandlung des Bauteils besteht. In diesem Fall wird die Zerstörung des Polymermaterials durch eine thermische Beanspruchung bewerkstelligt, die die thermische Belastbarkeit des Polymermaterials übersteigt. Eine Wärmebehandlung lässt sich vorteilhaft sehr einfach durchführen. Sie eignet sich insbesondere für großflächige Bauteile, da der Angriff bei der Wärmebehandlung ganzflächig erfolgt.

[0009] Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann die Nachbehandlung auch mit einem Laserstrahl oder einem Partikelstrahl, insbesondere einem Kaltgasbeschichtungsstrahl durchgeführt werden. Wird ein Laserstrahl für die Nachbehandlung genutzt, so dient dieser lediglich zur Einbringung der zur Zersetzung und Entfernung des Polymermaterials notwendigen Energie. In diesem Fall wird die Beschichtung lediglich aus den Nanopartikeln gebildet.

[0010] Wird zur Nachbehandlung ein Partikelstrahl verwendet, so wirkt sich dessen thermische beziehungsweise kinetische Energie positiv auf die Zersetzung des Polymermaterials aus. Gleichzeitig werden die Partikel des Partikelstrahls unter der Voraussetzung der Wahl geeigneter Prozessparameter auf der Oberfläche des Bauteils abgeschieden, wodurch sich ein Verbund zwischen den Beschichtungspartikeln und den Nanopartikeln ergibt. Die gleichmäßige Verteilung der Nanopartikel in diesem Schichtverbund wird durch eine gleichmäßige Verteilung in der Polymerfolie gewährleistet.

[0011] Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Nanopartikel in das Polymermaterial eingebracht werden, indem diese bei dem Vorgang der Extrusion des Polymermaterials direkt der Polymerschmelze zugesetzt werden. Ein Extrusionsvorgang ist der gebräuchlichste Herstellungsprozess für Halbzeuge aus Polymeren. Hierbei wird aus dem Ausgangsmaterial des Polymers eine Polymerschmelze hergestellt und anschließend extrudiert, wobei die Polymerschmelze grundsätzlich zur Aufnahme der Nanopartikel geeignet ist. Hierbei werden die beim Extrudieren zum Einsatz kommenden Mischvorgänge gleichzeitig genutzt, um eine gleichmäßige Verteilung der Nanopartikel in der Schmelze zu erreichen.

[0012] Um eine Zusetzung von Nanopartikeln zur Polymerschmelze zu ermöglichen, ohne dass die Nanopartikel agglomerieren, kann ein Transport und Dosierungssystem Verwendung finden, wie es beispielsweise in der WO 2005/123978 A1 beschrieben wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, aus den Nanopartikeln eine wässrige Dispersion herzustellen, wodurch diese beispielsweise durch ein Pumpfördersystem der Polymerschmelze zugesetzt werden können. Im weiteren Verfahren der Herstellung der mit Nanopartikeln gemischten Polymerschmelze verdampft das Wasser aufgrund der Temperaturentwicklung. Dieses Verfahren ist in der DE 103 48 548 A1 näher beschrieben. Außerdem besteht auch die Möglichkeit, aus den Nanopartikeln und der Polymerschmelze durch Rühren eine Mischung mit feindisperser Verteilung der Nanopartikel herzustellen. Hierbei können unterstützend auch Haftvermittler zum Einsatz kommen, die die Dispergierung der Nanopartikel in der Polymerschmelze erleichtern. Die Polymerschmelze kann dann in bekannter Weise beispielsweise mittels eines Extruders weiter verarbeitet werden. Dieses Verfahren ist in der EP 1 394 197 A1 bekannt.

[0013] Aus der Polymerschmelze; die vorher mit den Nanopartikeln versetzt wurde, kann die Folie zur Anwendung in dem Beschichtungsverfahren direkt hergestellt werden. Alternativ ist es auch möglich, die Polymerschmelze zu einem Kunststoffgranulat zu verarbeiten, welches seinerseits wieder den Ausgangsstoff für die Herstellung der Folie bilden kann. Dies ermöglicht vorteilhaft die Herstellung der erfindungsgemäßen Polymerfolie mit gewöhnlichen Extrusionsautomaten, welche nicht mit einer geeigneten Dosierungsvorrichtung für die Nanopartikel ausgestattet sind. Dies ist vorteilhaft, da ein Verwender des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete granulatförmige Rohmaterialien beziehen kann ohne mit den Anschaffungskosten einer modifizierten Extrusionsmaschine belastet zu werden. Verschiedene Granulate mit unterschiedlichen Nanopartikeln können dabei bei dem Fertigungsvorgang der Polymerfolie gemischt werden, wodurch die Lagerhaltung vereinfacht wird. Die für den Anwendungsfall notwendigen Folien können jeweils direkt vor der Verarbeitung hergestellt werden.

[0014] Es ist vorteilhaft, wenn bei einem Verfahren zur Herstellung einer mit Nanopartikeln gefüllten Folie beziehungsweise eines mit Nanopartikeln gefüllten Granulates die Nanopartikel in die Folie beziehungsweise das Granulat eingebracht werden, indem diese bei dem Vorgang der Extrusion des Polymermaterials direkt der Polymerschmelze zugesetzt werden. Die mit diesen Verfahren verbundenen Vorteile sind im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren bereits erläutert worden.

[0015] Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Nachfolgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen

Figur 1 und 2

Ausführungsbeispiele für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Polymerfolie, die mit Nanopartikeln gefüllt ist, anhand ausgewählter schematisch dargestellter Verfahrensschritte und

Figur 3

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der mit Nanopartikeln gefüllten Beschichtung anhand schematisch dargestellter, ausgewählter Verfahrensschritte.

[0016] Figur 1 stellt dar, wie ein Granulat 11 aus einem Polymermaterial 12 hergestellt werden kann, wobei hierfür ein Extrusionsautomat 13 verwendet wird. Dieser Extrusionsautomat 13 ist im Vergleich zu herkömmlichen Extrusionsautomaten dahingehend modifiziert worden, dass eine Dosiervorrichtung 14 vorgesehen ist, mit der Nanopartikel in nicht näher dargestellter Weise beim Durchmischen im Extrusionsautomaten 13 der Polymerschmelze zugeführt werden können. Die Polymerschmelze wird mittels einer nicht näher dargestellten Extruderschnecke 15, in der auch eine Mischung des Polymermaterials 12 erfolgt, und einer Heizvorrichtung 16 hergestellt. Das hergestellte Granulat 11 bildet einen Vorrat 17, welcher später das Ausgangsmaterial für einen weiteren Extrusionsvorgang mit einem gewöhnlichen Extrusionsautomaten 18 bilden kann. Mittels des Extrusionsautomaten 18 wird eine Folie aus Granulat 11 hergestellt, welche mit Nanopartikeln gefüllt ist.

[0017] In Figur 2 ist ein alternatives Verfahren zur Herstellung der Folie 19 dargestellt. Dieses unterscheidet sich von dem Verfahren gemäß Figur 1 lediglich darin, dass mit dem modifizierten Extrusionsautomaten 13, mit dem eine Zusetzung von Nanopartikeln erfolgen kann, gleich die mit Nanopartikeln gefüllte Folie 19 hergestellt werden kann.

[0018] Gemäß Figur 3 ist die Beschichtung eines Bauteils 20 mit der Folie 19, in der die Nanopartikel 21 gleichmäßig verteilt sind, schematisch dargestellt. Hierzu wird die Folie 19 zunächst auf die zu beschichtende Oberfläche 22 des Bauteils 20 aufgebracht und bleibt aufgrund ihres Adhäsionsvermögens auf der Oberfläche 22 haften.

[0019] Die weitere Bearbeitung der Folie kann beispielsweise durch einen Laserstrahl 23 erfolgen, wodurch das Polymermaterial der Folie 19 verdampft. Dabei verbleiben die Nanopartikel 21 auf der Oberfläche 22 des Bauteils 20 haften und bilden eine dünne Beschichtung 24. Alternativ (nicht dargestellt) kann der Energieeintrag des Laserstrahls auch so groß sein, dass die Nanopartikel 21 aufgeschmolzen werden und daher eine geschlossene Schicht auf der Oberfläche 22 des Bauteils 20 ausbilden.

[0020] Gemäß einer anderen Alternative kann zur Nachbehandlung auch ein Partikelstrahl 25 verwendet werden, welcher Mikropartikel 26 für eine Bildung einer Schichtmatrix der Beschichtung 24 aufweist. Die sich ausbildende Schichtenmatrix 27 enthält die Nanopartikel 21. Das Material der Folie 19 verdampft beim Auftreffen des Partikelstrahls.

Ansprüche

1. Verfahren zum Erzeugen eine Bauteils (20) mit einer nanostrukturierten Beschichtung (24), bei dem die Nanostrukturierung der Beschichtung (24) unter Verwendung von Nanopartikeln (21) erzeugt wird,
mit den Verfahrensschritten, dass

- zunächst eine mit den zu verwendenden Nanopartikeln (21) gefüllte Folie (19) aus einem Polymermaterial (12) hergestellt wird,

- die Folie (19) auf die zu beschichtende Oberfläche (22) des Bauteils (20) aufgebracht wird und

- das die Folie (19) bildende Polymer durch eine Nachbehandlung von der Oberfläche (22) entfernt wird, wobei die Nanopartikel (21) die Beschichtung (24) bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Nachbehandlung in einer Wärmebehandlung des Bauteils besteht

3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Nachbehandlung mit einem Laserstrahl (23) durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Nachbehandlung mit einem Partikelstrahl (25), insbesondere einem Kaltgas-Beschichtungsstrahl durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Nanopartikel (21) in das Polymermaterial (12) eingebracht werden, indem diese bei dem Vorgang der Extrusion des Polymermaterials (12) direkt der Polymerschmelze zugesetzt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass aus der Polymerschmelze die Folie (19) hergestellt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass aus der Polymerschmelze ein Granulat (11) hergestellt wird, welches später als Ausgangsmaterial für eine Extrusion der Folie dient.

Claims

1. Process for producing a component (20) with a nanostructured coating (24), in which the nanostructuring of the coating (24) is produced using nanoparticles (21), comprising the following process steps:

- first of all, a film (19) filled with the nanoparticles (21) to be used is produced from a polymer material (12),

- the film (19) is applied to the surface (22) of the component (20) to be coated, and

- the polymer which forms the film (19) is removed from the surface (22) by means of further treatment, wherein the nanoparticles (21) form the coating (24).

2. Process according to Claim 1,
characterized
in that the further treatment consists in a heat treatment of the component.

3. Process according to Claim 1,
characterized
in that the further treatment is carried out using a laser beam (23).

4. Process according to Claim 1,
characterized
in that the further treatment is carried out using a particle beam (25), in particular a coating beam of cold gas.

5. Process according to one of the preceding claims,
characterized
in that the nanoparticles (21) are introduced into the polymer material (12) by being added directly to the polymer melt during the process for extruding the polymer material (12).

6. Process according to Claim 4,
characterized
in that the film (19) is produced from the polymer melt.

7. Process according to Claim 4,
characterized
in that granules (11), which later serve as starting material for extruding the film, are produced from the polymer melt.

Revendications

1. Procédé de production d'un composant ( 20 ) ayant un revêtement ( 24 ) nanostructuré, dans lequel on produit la nanostructuration du revêtement ( 24 ), en utilisant des nonoparticules ( 21 ),
ayant les stades de procédé, dans lesquels

- on produit d'abord une feuille ( 19 ) en une matière ( 12 ) polymère chargée des nanoparticules ( 21 ) à utiliser,

- on met la feuille ( 19 ) sur la surface ( 22 ) à revêtir du composant ( 20 ) et

- on élimine le polymère formant la feuille ( 19 ) par un traitement ultérieur de la surface ( 22 ), les nanoparticules ( 21 ) formant le revêtement ( 24 ).

2. Procédé suivant la revendication 1,
caractérisé
en ce que le traitement ultérieur consiste en un traitement thermique du composant.

3. Procédé suivant la revendication 1,
caractérisé
en ce que l'on effectue le traitement ultérieur par un faisceau ( 23 ) laser.

4. Procédé suivant la revendication 1,
caractérisé
en ce que l'on effectue le traitement ultérieur par un jet ( 25 ) de particules, notamment par un jet de revêtement à gaz froid.

5. Procédé suivant l'une des revendications précédentes,
caractérisé
en ce que l'on incorpore les nanoparticules ( 21 ) dans la matière ( 12 ) polymère, en les ajoutant directement au polymère fondu, lors de l'opération d'extrusion de la matière ( 12 ) polymère.

6. Procédé suivant la revendication 4,
caractérisé
en ce qu'on produit la feuille ( 19 ) en le polymère fondu.

7. Procédé suivant la revendication 4,
caractérisé
en ce qu'on produit, à partir du polymère fondu, un produit ( 11 ) granulé, qui sert ultérieurement de matière première pour une extrusion de la feuille.

Zeichnung