Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Prozess- und Anlagenentwicklung zur industrietauglichen Beschichtung von Oberflächen

mit photokatalytisch aktivem Titanoxid

 

Forschungsziel ist die vorwettbewerbliche Entwicklung eines Plasmaprozesses zur Abscheidung haftfester, photokatalytisch aktiver TiO2-Schichten mittels Hochleistungsimpuls Magnetronsputtern (HiPIMS) in Kombination mit der plasmabasierten Ionenimplantation (PBII). Mit dieser Technologie ist (i) sowohl eine gezielte Dotierung der TiO2-Schichten mit Fremdatomen (z.B. N) und damit die Anregung im sichtbaren Spektralbereich möglich als auch (ii) das Einstellen einer antibakteriellen Wirkung bei Verwendung entsprechender Dotierungselemente (Cu, Ag, Zn). Die Schichteigenschaften (Haftung, Kristallinität, Rauheit) werden durch den Kombinationsprozess deutlich verbessert und das Schichtwachstum erhöht. Die Eigenschaften lassen sich durch Wahl der Plasmaparameter variieren und den Wünschen der KMU-Anwender in den jeweiligen Branchen anpassen. Eine anwendungsspezifische Balance zwischen photoinduzierter Katalyse und Hydrophilie ist hiermit realisierbar.

Alle Anwender und vornehmlich KMU werden nicht nur deutliche Marktvorteile durch Veredlung der jeweils gewünschten Oberflächen erreichen, sondern auch eine Stärkung ihrer Marktposition verbunden mit entsprechenden Gewinnmargen erzielen.

Implantatoberflächen z.B. besitzen dann eine erhöhte Benetzbarkeit und führen zu einem komplikationslosen Einheilen. Focus für Anwender der Steriltechnik ist eine kontinuierliche und aktive Desinfektion der Oberfläche verbunden mit gewährleisteter, hoher Sicherheit. Die Lebensmittelindustrie wiederum profitiert von der Verkürzung der erforderlichen Reinigungszyklen und damit von einer erheblichen Kostenreduktion bei Reinigungsmitteln und Gewinn an Produktionszeit bei gleichen Sicherheitsstandards.

Anlagen- und Prozessentwickler werden auf Grundlage eines am INP vorhandenen Prototyps zum Kombinationsverfahren HiPIMS/PBII befähigt, solche Anlagen, die über den bisherigen Stand der Technik weit hinausgehen, in den Markt zu bringen sowie als Lohnbeschichter aufzutreten.

Ergebniszusammenfassung:

- Anlagenentwicklung für die homogene, parallele HiPIMS-Beschichtung einer hohen Anzahl an Substraten mit photokatalytisch aktivem TiO2

- optional erweiterbar um plasmabasierte Ionenimplantation (PbII)

- Prozessentwicklung zur Abscheidung haftfester, homogener TiO2-Schichten

- Prozessentwicklung eines Kombinationsprozesses aus HiPIMS und PbII zur simultanen Schichtabscheidung und Ionenimplantation mit dem Ziel der gezielten Dotierung mit Fremdatomen

- Abscheidung der Kombinationsschichten auf diversen Materialdemonstratoren (Glas, Metalle, Kunststoffe)

- Nachweis der Abscheidung der Schichten auch auf stark strukturierten Oberflächen (plasmagespritztes Ti für die Implantologie)

- Nachweis der photokatalytischen Aktivität sowie der photoinduzierten Hydrophilie der abgeschiedenen Schichten

- erfolgreiche Trennung der Effekte (Photokatalyse und Photohydrophilie) und Quantifizierung des jeweiligen Einflusses auf die bakterielle Adhäsion und Biofilmbildung von praxisrelevanten Mischkulturen

- Nachweis von photokatalytischen Langzeiteffekten auch nach Ende einer Lichtexposition

- Entwicklung von standardisierbaren Analysemethoden zur kinetischen Betrachtung der in den Schichten ablaufenden Prozesse während der Aktivierung und der Relaxation hinsichtlich Photokatalyse und Photohydrophilie

Durch die Entwicklungen und Untersuchungen werden die Anwendungsmöglichkeiten photokatalytischer Schichten deutlich erweitert, da nachgewiesen werden konnte, dass einerseits bereits eine initiale Aktivierung der Schichten eine signifikante Reduktion der bakteriellen Adhäsion mit sich bringt, andererseits die Photokatalyse nahezu verlustfrei durch eine Intervallbestrahlung aufrechterhalten werden kann. Durch die erfolgte Prozess- und Anlagenentwicklung stehen Anwendungen auch auf labilen Substratmaterialien wie Kunststoffen offen.