Entwicklung mehrlagiger dehnungstoleranter PECVD-Gasbarrierebeschichtungen für Kunststoffe mithilfe einstellbarer Schichtspannungen und simulationsbasierter Untersuchungen des Stofftransports

• Antragsteller: Professor Dr. Rainer Dahlmann
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 470287198

Die Ausrüstung von Kunststoffen mit dünnen Barrierebeschichtungen im Verpackungsbereich erlangt aufgrund der aktuellen Recyclingquoten und der EU-Verpackungsverordnung (VerpackV) erneut große Aufmerksamkeit. Im Vergleich zu konventionellen mehrlagigen Verbundsystemen aus Kunststoff und Aluminium oder coextrudierten Mehrschichtsystemen bestehend aus unterschiedlichen Kunststofftypen bleibt ein Kunststoff mit einer plasmapolymeren Beschichtung rezykliertechnisch betrachtet eine Monomateriallösung, welche ein sortenreines Recycling erlaubt. Der Nachteil dieser Beschichtungen liegt in ihrer geringen Dehnbarkeit, welche auf die hochvernetzten Strukturen zurückzuführen ist. Dadurch ist der industrielle Einsatz, insbesondere im Bereich der Bahnenware, bisher begrenzt. Im beantragten Vorhaben sollen mehrlagige plasmapolymere Gasbarrierebeschichtungen für Kunststoffe entwickelt werden, welche ihre Barrierewirkung (z.B. gegenüber Sauerstoff und Wasserdampf) bei einer Dehnung von 8 bis 10 % erhalten. Es wird die Forschungshypothese aufgestellt, dass sich die Dehnbarkeit einzelner Barriereschichten insbesondere durch einstellbare, intrinsische und thermische Schichtspannungen erhöhen lässt, wodurch ein mehrlagiges Barrieresystem mit deutlich erhöhter Dehnbarkeit entwickelt werden kann. Dafür wurde im Rahmen des SFB-TR 87 eine neuartige Messmethode am IKV entwickelt, welche es ermöglicht, die Schichtspannung auf Sensoren in Echtzeit während der Beschichtung zu überwachen und somit einzustellen. Die Untersuchung der Dehnbarkeit erfolgt in-situ mithilfe eines Mikrozugprüfmoduls unter Licht- und Elektronenmikroskopen. Die Auswertung der Risse sowie Schichtdefekte wird durch elektrochemische Messungen (Cyclovoltammetrie) der Defektfläche ergänzt. Im Gegensatz zur mikroskopischen Untersuchungen der Risse kann mithilfe der Elektrochemie die Rissausbreitung in den unterschiedlichen Schichtlagen überprüft werden.Der Stofftransport durch die rissbehafteten Barriereschichten und den Kunststoff wird mit einer dreidimensionalen Multiskalensimulation modelliert und mit experimentellen Daten unter Kenntnis der Rissdichte kalibriert. Mithilfe der Simulationsmethodik werden Schichtarchitekturen aus mehreren Lagen Barriere- und Entkopplungsschicht entwickelt und stetig experimentell untersucht. Die zugrundeliegende Theorie besteht aus einer Erhöhung der Dehnbarkeit der Barriereschichten und der Verlängerung des Transportweges der Gase durch Risse in den unterschiedlichen Lagen des Mehrschichtsystems (tortuous path model). Zur Herstellung der Schichtsysteme auf Folien aus Polypropylen (PP) und Polyethylenterephthalat (PET) werden Schichtsysteme mit Kombinationen aus ausgewählten Monomeren (SiOx/SiNx/SiOx/SiOCH/a-C:H) hergestellt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen