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2016|17 Jahresbericht Fraunhofer IGB - Stabile Plasmapolymere durch Ringöffnung

CHEMIE UND PROZESSINDUSTRIE O O C O CH Elektronen- stoß +H Substrat O HC 1 STABILE PLASMAPOLYMERE DURCH RINGÖFFNUNG Jakob Bar z, Bent sian Elkin, Michael Haupt, Chris tian O ehr Chemische Oberlächenfunktionalisierung Die Beschichtung über Plasmapolymerisation ist ein etabliertes und weit verbreitetes Verfahren, um Oberlächen mit spezii- schen Eigenschaften auszurüsten. Dazu zählen beispielsweise diverse öl- und wasserabweisende Beschichtungen, wie sie am Fraunhofer IGB entwickelt werden. Neben Beschichtun- gen, bei denen es mehr auf einen makroskopischen Effekt ankommt, sind auch Beschichtungen gefragt, die speziische chemische Funktionsgruppen besitzen und somit besondere Charakteristika aufweisen. Chemische Funktionsgruppen, die die Anbindung verschiedener Substanzen an eine Oberläche ermöglichen, sind u. a. Amino-, Epoxyd-, Carboxyl- und Thi- olgruppen. Anwendungsmöglichkeiten gibt es zum Beispiel im biotechnologischen Bereich oder auf dem Gebiet der Klebtechnik. Da die herkömmlichen Verfahren teilweise nicht efizient genug und nur eingeschränkt einsetzbar sind, forscht das Fraunhofer IGB an einem alternativen Plasmaverfahren, bei dem Oberlächen mittels ringöffnender Polymerisation funkti- onalisiert werden. Ausgangssituation Der übliche Weg eine chemisch funktionalisierte Plasma- polymerschicht zu erzeugen besteht darin, dass die Aus- gangssubstanz (Präkursor) die gewünschte Funktionsgruppe bereits enthält. Häuig ist dabei noch eine Doppelbindung als »Sollbruchstelle« enthalten. Beispiele hierfür sind Plasmapoly- mere aus Allylamin (Aminogruppen) oder Acrylsäure (Carbo- xylgruppen). Das Problem hierbei ist, dass der Energieeintrag aus dem Plasma, der zum Aktivieren der Sollbruchstelle führt, nahe der Energieschwelle liegt, bei der die Funktionsgruppe im Plasma zerstört werden kann. Um die Funktionsgruppen zu erhalten, muss der Energieeintrag also möglichst gering gehalten werden. Das wirkt sich allerdings gleichzeitig negativ auf den Polymerisations- und Vernetzungsgrad der erzeugten Schicht und auch auf die Abscheiderate aus. Zudem sind die auf diesem Wege eingesetzten Präkursoren aufgrund ihrer Reaktivität giftig und / oder instabil. Auch andere Verfahren zur Erzeugung von funktionalisierten Plasmapolymerschichten, wie das Pfropfen oder der Einsatz chemisch einfacher Gase bzw. Gasgemische, sind nur einge- schränkt einsetzbar. Vorgehensweise Ein alternativer Weg zur Erzeugung funktionalisierter Plas- mapolymere besteht darin, dass die erwünschte chemische Funktion in der Ausgangssubstanz gar nicht vorhanden ist, sondern erst durch die Plasmaeinwirkung entsteht. Durch eine ringöffnende Polymerisation mittels Elektronenstoß im Plasma können hochreaktive Zwischenprodukte entstehen, welche die Vorläufer zur erwünschten chemischen Funktion enthal- ten. Auf den Oberlächen, die dem Plasma ausgesetzt sind, bilden sie eine Polymerschicht, die eine hohe Dichte an diesen Funktionsgruppen aufweist. Das Grundprinzip wird am Beispiel der Erzeugung von alde- hydfunktionalisierten Schichten aus Cyclopentanon erklärt (Abb. 1). Durch Elektronenstoß im Plasma wird der Ring (vorzugsweise an der zur Ketogruppe benachbarten Bindung) geöffnet. Dadurch entsteht ein Biradikal, das mit einem Wasserstoffatom aus dem Plasma unter Bildung eines alde- hydhaltigen radikalischen Zwischenprodukts reagieren und 7 2

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