Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Grundlagen zur Konservierung elektrischer Ladungen in organischen Dünnschichten

Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist es, das Potential photovernetzter organischer Dünnschichten zur zeitstabilen Speicherung elektrischer Ladungen zu untersuchen, wobei als wesentliche Kriterien die dielektrischen Eigenschaften der Schichten, die Höhe und mögliche Dauer der Ladungsspeicherung sowie die Stabilität der gespeicherten Lagerung gegen äußere Einflüsse, insbesondere Luftfeuchte, zu betrachten sind.

Ausgangspunkt ist der von den Forschungsstellen seit langem untersuchte Prozess der UV-induzierten Polymerisation organischer Monomere. Bevorzugt sollen für die gegebene Aufgabe hydrophobe Allyle und Acrylate berücksichtigt werden.

Es wird davon ausgegangen, dass die oben angesprochene Langzeitstabilität der Ladungsspeicherung explizit durch Wassersorption in hochfeuchten Milieus auch bei bereits hydrophoben Schichtmaterialien signifikant reduziert wird. Parallel zur grundlegenden Untersuchung der ladungsspeichernden Eigenschaften sollen daher in einem zweiten zu bearbeitenden Themenkreis Wege zur Erzielung extremer Hydrophobie (Superhydrophobie) untersucht werden. Hierbei soll explizit das Konzept einer lasergestützten Mikroaufrauhung der Faseroberflächen mit nachfolgender Etablierung der ladungsspeichernden Dünnschichten verfolgt werden.

Das Anwendungspotential soll perspektivisch im Bereich der textilen Elektronik untersucht werden. Aufgrund der gleichzeitig zu erwartenden Auswirkung im Bereich der Luftfiltration im Bereich submikroner Partikel sollen auch Versuche zum Einsatz der untersuchten Dünnschichten als Substitut herkömmlicher Elektrete durchgeführt werden. Hierbei soll das bekannte Carnaubawachs als Benchmark dienen.

Aufgrund der Breite der geforderten Expertise und der zu erwartenden weiten Anwendungsperspektiven soll das vorgeschlagene Forschungsvorhaben branchenübergreifend durch die Forschungsvereinigungen Textil und Umwelttechnik beantragt und durch drei Forschungsstellen bearbeitet werden.

Ergebniszusammenfassung:

Die Schaffung ladungsspeichernder Eigenschaften eröffnet Perspektiven für spezialisierte technische Textilien. Konkrete Anwendungsbeispiele betreffen z.B. die Umwelttechnik (Elektretfilter), die Energietechnik (Ladungsspeicher für Defibrillator, Zündanlagen, Blitzlicht) und die Sensortechnik (z.B. Annäherungssensoren, kapazitive Schalter).

Die Untersuchungen haben gezeigt, dass insbesondere die Monomere Pentaeritritholtriacrylat (PETA) und Tetraallyloxyethan (TAE) als geeignete Ausgangsmonomere für die Deposition dünner Schichten sind, die ausgeprägte ladungsspeichernde Eigenschaften aufweisen. Speziell dünne Schichten aus poly-TAE erhöhen bei geringsten Auflagemengen in der Größenordnung von < 1 wt-% sowohl aufgenommene Ladung als auch Ladungserhalt. Speicherzeiten von einigen Stunden und die erzielte Ladungsaufnahme (statische Kapazität) entsprechen dem Niveau einer experimentellen Carnauba-Ausrüstung als klassischer Benchmark.

Die Fähigkeit zur Ladungsaufnahme und –speicherung hat einen signifikanten Effekt auf die Filtrationsleistung entsprechender Medien: Im Experiment konnte nach der elektrostatischen Aufladung eines mit poly-TAE Dünnschichten ausgerüsteten PET-Vlieses (Grobfilter) ein Anstieg des Wirkungsgrads für die Abscheidung submikroner Partikel (0,4 µm) um rund 30 %-Punkte im Vergleich zum nicht ausgerüsteten Medium nachgewiesen werden.

Konkrete elektrische Messungen mittels Impedanzspektroskopie haben daneben eine hohe Isolationswirkung der dünnen Schichten nachgewiesen. Entsprechend ausgerüstete Flächengebilde zeigen Oberflächenwiderstände von teilweise > 10 GOhm. Auch hier war der Effekt unter erhöhter Raumfeuchte erhalten und darf aufgrund der zu erwartenden kovalenten Anbindung der Schichten als waschstabil angesehen werden.

Die Ziele, eine Ladungsspeicherung zu erzielen, wurden damit erfolgreich erreicht.