Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines großserientauglichen reibungsmindernden plasmapolymeren Schichtsystems für Kunststoff-Kunststoff-Materialpaarungen zur Funktionalisierung kostenreduzietrer Substratmaterialien am Beispiel einer medizinischen Kunststoffspritze aus Polypropylen

In vielen technischen und medizinischen Anwendungen entstehen Relativbewegungen zwischen festen Körpern, die Reibung und Verschleiß verursachen. Bisher werden meist teure Kunststoffe mit den notwendigen reibmindernden Eigenschaften eingesetzt oder kostenintensive Zusatzstoffe in Form von Additiven oder Schmierstoffen beigefügt. Diese Zusatzstoffe können mit empfindlichen medizinischen Stoffen interagieren und sind daher für diese Anwendungen ungeeignet. Die derzeit starke Tendenz zum Einsatz von Bioprodukten in Medikamenten erfordert die Vermeidung von Silikonölen als Zusatzstoffe. Als Lösungsansatz soll eine reibmindernde plasmapolymerisierte Schicht für Kunststoffmaterialpaarungen entwickelt werden, welche das Potenzial besitzt, Glas und schmierstoffbehaftete Tribologiesysteme durch transparent und reibungsmindernd beschichtete Kunststoffe zu substituieren. Dies hat einerseits das Ziel, kostenreduzierte Kunststoffmaterialien für tribologische Anwendungen auszurüsten und auf Zusatzstoffe wie Silikonöl zu verzichten. Andererseits sollen KMU durch die Entwicklung solcher Schichtsysteme und deren Übertragbarkeit die Möglichkeit bekommen diese schnell für ihre Produkte zu etablieren.

Bei der Schichtanalytik liegt der Fokus auf der Schichthaftung, der Reibminderung und der Medienbeständigkeit gegenüber Medikamenten oder Ölen. Eine reduzierte Reibung soll durch eine möglichst harte Oberfläche mit geringer Rauheit, abgerundeten Rauheitsspitzen und hohem Traganteil auf einem der Reibpartner erreicht werden.

Im Anschluss wird das entwickelte Schichtsystem auf einen praxisnahen Demonstrator aus der Medizintechnik (Spritzensystem) übertragen.

Zur Überprüfung der relevanten Kenngrößen dienen Eindrückversuche des Kolbens in die Spritze, welche mit den herkömmlichen Silikonölschmierungen verglichen werden. Abschließend steht eine Überprüfung des Potenzials zur Hochskalierung dieser Prozesse aus, um große Stückzahlen industriell zu beschichten.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde beim Vergleich verschiedener Schichtarchitekturen auf Flachsubstraten ein SiOCH/SiOx Schichtsystem entwickelt mit dem eine Reibungsminderung von 33 % gegenüber der unbeschichteten Referenz erzielt worden ist. Dies ist gegenüber dem Benchmarkwert für Silikonöl von 96 % noch nicht ausreichend, zeigt aber eine generelle Machbarkeit auf. Die Oberflächenanalysen zeigen, dass eine hohe Oberflächenenergie, ein hoher O2-Anteil in der Schicht und geringe Rauheitswerte mit einer Reibungsminderung korreliert sind.

Neben der Schichtentwicklung auf Flachsubstraten wurde zudem ein Reaktorkonzept entwickelt, dass die Beschichtung der PP-Spritzen ermöglichen soll. Hierbei zeigte sich, dass der benötigte Energieeintrag zur Erzeugung hochvernetzter SiOx-Schichten sehr nahe an der thermischen Belastbarkeit der Spritzen lag und es daher häufig zur Deformation bzw. Versagen der Spritzen kam. Dieser Zielkonflikt konnte durch eine Anpassung von Reaktor und Prozess überwunden werden, nahm jedoch mehr Zeit in Anspruch als antizipiert.

Im Anschluss daran wurde eine Schichtentwicklung auf dem PP-Substrat durchgeführt. So konnte ein Schichtsystem zur Reduktion der O2-Permeation erfolgreich aufgebracht werden. Daraus folgt zudem, dass eine ausreichende Vernetzung der SiOx-Schicht vorliegt, welche Voraussetzung für den Übertrag des reibmindernden Schichtsystems auf die Spritzengeometrie ist. Dieser Übertrag konnte im Rahmen des bewilligten Zeitraums nicht durchgeführt werden, allerdings wurden wertvolle Erkenntnisse gesammelt, auf denen Folgeuntersuchungen aufbauen können. Insbesondere die Senkung des Prozessdrucks würde hier zu einer deutlichen Vergrößerung des Prozessfensters beitragen und die Einstellung der Schichteigenschaften signifikant vereinfachen. Auf Basis dieser Erkenntnisse steht daher konkret in Aussicht, dass die tribologischen Eigenschaften des beschichteten Systems an die des silikonölbehafteten Systems heranreichen können.