PTFE Beschichtung: Beschreibung und Einsatzbereiche

Polytetrafluorethylen (Kurz PTFE, gelegentlich Polytetrafluorethen) ist ein teilkristallines Polymer, zusammengesetzt aus Fluor- und Kohlenstoffatomen. Das Tetrafluoroethylen Molekül ist mit dem des einfachen Ethylens, welches die Basis für den Kunststoff Polyethylen bildet, identisch. Jedoch sind die Wasserstoffatome des Ethylens beim TFE durch Fluoratome ersetzt.

Einsatzbereich von PTFE Beschichtung


Antihaft Beschichtung für Kochgeschirr:

Die bekannteste Anwendung von PTFE Beschichtung ist wahrscheinlich die Antihaft-Beschichtung von Pfannen und Töpfen. Das PTFE selbst haftet auf den Oberflächen, weil das Metall angeraut wird, beispielsweise durch mechanische Prozesse wie das Sandstrahlen oder durch eine chemische Behandlung mit Säuren. Dann wird das PTFE mittels hohem Druck auf die Oberflächen aufgetragen. Gehalten wird es von den zahllosen kleinen Unebenheiten in der Metalloberfläche. Die Bindung des Materials erfolgt somit nur mechanisch, nicht chemisch, daher sind die beschichteten Oberflächen meist nur wenig kratzresistent. Die Oberseite der PTFE Beschichtung bleibt jedoch glatt. Sie verhindert so ein Anbacken des Gargutes.

Auch im industriellen Bereich gibt es jedoch zahlreiche Anwendungen, z.B. als Antihaft Beschichtung für Textilien in der Industrie der Funktionskleidung oder in Formen, die bei der Kunststoffbearbeitung (Herstellung von Formteilen aus Kunststoff bzw. Faserverstärkte Materialien wie GFK und CFK, aber auch in der Dachsanierung, zur Dachbeschichtung miteiner elastischen Acryl Dispersionsbeschichtung.

Im Zusammenhang mit sogenannten „Teflonpfannen“ wird auch häufig ein gesundheitlicher Verdacht auf Krebserregung der Substanzen der Beschichtung geäußert. Aber die gefährlichen fluorierten Verbindungen treten nur bei einer starken Überhitzung des Geschirrs auf (ab Temperaturen von 202 bis 360 °C, je nach Angabenquelle). Deshalb sollte eine beschichtete Pfanne nicht länger als ca. drei Minuten im Leerzustand erhitzt werden. Und im Fall eines Einsatzes auf Induktionsherdplatten wird vom Bundesinstitut für Risikobewertung sogar von einer Erhitzung leerer Pfannen gänzlich abgeraten, da diese zu schnell die kritischen Temperaturen erreichen. Kratzer in der PTFE-Beschichteten Oberfläche sind jedoch ebenso unbedenklich, wie abgelöste Beschichtungspartikel, denn diese werden ohne Gesundheits Konsequenzen wieder ausgeschieden.

Funktionskleidung:

In hauchdünnen Beschichtungen finden PTFE-Folien auch unter der Handelsmarke Gore-Tex (des Chemiekonzerns DuPont de Nemours) Verwendung, als sogenanntes Gore-Tex-Laminat. Dessen Membran besitzt feine Poren, die zu klein sind, um Wasser in flüssiger Form durch zulassen, aber für Wasserdampf durchlässig sind. Daraus werden „atmungsaktive“, aber Wasser- und winddichte Kleidungsstücke hergestellt (z. B. Jacken, Schuhe und sogar Socken), die trotz hoher Dichte das Entweichen der Hautfeuchtigkeit möglich machen.

Ultraschalldiagnostik

̣Die Ultraschalldiagnostik oder Sonografie ist ein bildgebendes Untersuchungsverfahren, das die teilweise Reflexion von hochfrequenten Ultraschallwellen (1‒10 MHz) an Grenzflächen unterschiedlicher Gewebestrukturen im Körper nutzt. Ein Schallkopf sendet kurze Schallimpulse in den Körper und empfängt die reflektierten Echoimpulse, die zu Bildern umgewandelt werden (Impulsechoverfahren). Als A-Bild-Verfahren wird die eindimensionale Darstellung der Echos einfacher Strukturen in Form von Signalen unterschiedlicher Amplitude bezeichnet, als B-Bild-Verfahren die Erzeugung eines zweidimensionalen Schnittbildes durch manuelle oder automatische Bewegung des Schallstrahls, bei dem die Intensität des Echos in verschiedene Helligkeitsstufen umgesetzt wird und bei periodischer Abtastung Bewegungsabläufe sichtbar macht (Real-Time-Verfahren). Diese Methode bietet die breiteste Anwendungsmöglichkeit, z. B. in der Geburtshilfe zum Feststellen möglicher Anomalien des Fetus, in der inneren Medizin und Urologie zur Erkennung von Tumoren, Zysten und Steinbildungen, zur Herz-, Gehirn-, Schilddrüsen- und Gelenkdiagnostik und zur Krebsdiagnostik der weiblichen Brust.

Das Doppler-Verfahren (Doppler-Sonografie) arbeitet mit kontinuierlichen Schallwellen konstanter Frequenz oder mit Schallpulsen, die aufgrund des Doppler-Effekts von sich bewegenden Grenzflächen (v. a. rote Blutkörperchen in Blutgefäßen) mit veränderter Frequenz reflektiert werden und z. B. Gefäßverengungen oder -verschlüsse erkennbar machen. Die Duplexsonografie kombiniert das Doppler- und das B-Bild-Verfahren. Dabei kann die Fließrichtung des Blutes in einem Blutgefäß in unterschiedlichen Farben dargestellt und die Pulsfrequenz angezeigt werden. Gleichzeitig ist eine Beurteilung von Veränderungen der Gefäßwand möglich.

Eine Verbesserung der Auflösung und der Abbildungsdetails erbringt die digitale Bildverarbeitung (Computersonografie), bei der auch räumliche Bilder erzeugt werden können (3-D-Sonografie und Panoramabildverfahren). Eine neuere Entwicklung ist der Einsatz der Ultraschalldiagnostik bei der endoskopischen Untersuchung (Endosonografie) z. B. von Magen, Darm, Gallengängen und Scheide mittels eines schnell rotierenden Ultraschallwandlers in der Spitze des Endoskops. Spezialkatheter ermöglichen auch die Innendarstellung von Blutgefäßen.

Antibakterielle Oberflächen

Gefahren durch Bakterien und Keime lauern überall, angefangen beim heimischen Kühlschrank, über Türgriffe und Angriffsflächen im Sportcenter, Computertastaturen und Spielzeugoberflächen im Kindergarten bis hin zu den superresistenten, gefährlichen Keimen in Kliniken und Krankenhäusern.

Die antiseptischen Eigenschaften von Kupfer, Silber, Emaille und funktionalisierten Sol-Gel-Systemen, also keimtötende Oberflächenbeschichtungen, werden eingesetzt, um in den vielfältigen Bereichen unseres Lebens mehr Sicherheit vor schädlichen Bakterien und Keimen zu erreichen.

So lassen sich mit Hilfe von Kupfer entsprechende Materialeigenschaften und Oberflächenbeschichtungen realisieren. Die Oligodynamie, die schädigenden Wirkungen von metallischen Kationen auf die Lebenskraft organischer Zellen, wird benutzt, um beispielsweise medizintechnische Kunststoffe sowie die Oberflächenbeschichtung von Kühlschränken keimabtötend zu gestalten. Glas, Metall, Plast oder diverse Naturmaterialien lassen sich mit Hilfe effektiver Nano-Technologien mit einer hochdichten Beschichtung versehen.

Neben der antiseptischen Wirkung des Kupfers wird diese Eigenschaft auch bei Silber benutzt. Antibakterielle / antimikrobielle Oberflächen realisiert man durch nanotechnologisches Beschichten oder die Beimischung von Silberpartikeln bei der Produktion verschiedenster Werkstoffen bis hin zu Textilien. Silberionen werden freigesetzt und entfalten ihre antibakterielle Wirkung kontinuierlich.

Die Ausstattung von Gegenständen mit keimtötenden Eigenschaften wird auch mit modernsten Emaillierungsverfahren erreicht. Speziell Aluminium oder Stahl werden mit effizienter moderner Technologie emailliert. Neben der antibakteriellen Beschichtung, die ihrer hohen Dichte wegen auch extrem kratzfest, korrosions, wetter- und temperaturbeständig sowie weitgehend chemisch resistent ist, lassen sich bei Emaille viele Einfärbungen realisieren.

Eine antibakterielle Beschichtung kann transparent und glasähnlich sein. Sie ist mittels verschiedener Verfahren applizierbar. Auch unterschiedlich matte bis hochglänzende und dekorative Oberflächenstrukturen lassen sich erzielen, beim Berühren können diese Oberflächen mit einer weichen, warmen Anmutung versehen werden.

Die nanotechnologischen Verfahren , beispielsweise das Sprühen oder Tauchen, sind flexibel und kostengünstig.

Hygienisch, sinnvoll und effektiv sind die erzielbaren antibakteriellen Materialeigenschaften und Oberflächenbeschichtungen in nahezu allen Bereichen unseres Lebens.

Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST in Braunschweig

Der Sage nach hat Heinrich der Löwe, Gründer Braunschweigs, 1172 von einer Pilgerreise aus Byzanz nicht nur einen Löwen, sondern auch die Technik mitgebracht, Schwerter zur Stahlhärtung in Misthaufen zu legen. Obwohl das Nibelungen-Lied einen Teil der Sage Lügen straft (denn die Härtung von Eisen durch das Anreichern der Oberfläche mit Stickstoff aus Dung ist schon länger bekannt), passt sie doch vorzüglich – so hat das Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik, kurz IST genannt, seit 1994 seinen Sitz in Braunschweig. Im Internet findet sich das Institut unter http://www.ist.fraunhofer.de

Mit den historischen Verfahren zur Oberflächenvergütung hat die heutige Schicht- und Oberflächentechnik jedoch wenig zu tun. Das Fraunhofer-Institut bietet mit seinen Publikationen einen Überblick über den aktuellen Stand der Entwicklung bei Beschichtungen, die Zusammenfassung der Publikationen findet sich hier: https://www.ist.fraunhofer.de/de/pressemitteilungen.html

Die Forschungstätigkeiten des Fraunhofer-Institutes liegen in den Bereichen Oberflächentechnik, Beschichtungen, neue Schichtsysteme, Schichtcharakterisierung und Plasmatechnik.

Besondere Forschungsschwerpunkte konzentrieren sich in den Kompetenzfeldern:

Elektrische und optische Funktionsschichten
– Optische Schichten
– Transparente leitfähige Schichten
– Diamant-Elektroden

Reibungsminderung und Verschleißschutz – DLC-basierte Schichten
– Hartstoffschichten
– Plasmadiffusion
– Hochtemperaturschutzschichten
– Trockenschmierstoffschichten

Superharte Schichten
– Diamanttechnologie
– Diamond like carbon (DLC)
– Kubisches Bornitrid

Mikro- und Nanotechnologie
– Grenzflächenfunktionalisierung
– Mikro- und Sensortechnologie

Atmosphärendruckverfahren
– Galvanische Mehrkomponentensysteme
– Elektrochemie
– Atmosphärendruckplasmaverfahren

Niederdruckverfahren
– Hohlkathodenverfahren
– PACVD-Verfahren
– HF-CVD-Verfahren
– Transparente und leitfähige Oxide (TCOs)
– Magnetron-Sputtern

Kunststoffmetallisierung

Analytik und Prüftechnik

Folgende Forschungsaktivitäten sind besonders hervorzuheben:

  • Das Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik ist in Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin weltweit die erste Einrichtung, die neue Möglichkeiten zur Herstellung Si-basierter Dünnschicht-Solarzellen aufzeigt.
  • Gemeinsam mit dem Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb IWF der TU Berlin hat das IST einen Arbeitskreis initiiert, der sämtliche Forschungsaktivitäten im Bereich Kohlenstoffschichten zusammenführt und auswertet.
  • Arbeiten auf dem Gebiet der Verschleißminderung durch tribologische Schichten zeigen völlig neue Wege bei Beschichtungen.

Das IST präsentiert sich vom 04. bis 08. April 2011 auf der Hannover Messe. Hier besteht die Möglichkeit Kontakt aufzunehmen und über die Forschungsschwerpunkte und Aktivitäten zu diskutieren.

Metallisierung von Kunststoffen

Die Metallisierung von Kunststoffen kann zweckmäßig sein für funktionale oder auch ästhetische Gründe. Die Eigenschaften von Kunststoffen, wie z.B. ihr geringes Gewicht oder die Flexibilität, werden durch die Metallisierung und die damit verbundenen Eigenschaften der Metalle ergänzt. Dazu gehören unter anderem die Leitfähigkeit von elektrischem Strom oder auch dekorative Strukturen der Oberflächen. Im Grunde kann jede Art von Kunststoff eine Metallisierung seiner Oberflächen erfahren, jedoch ist der Erfolg der Beschichtung auch abhängig von der richtigen Auswahl der Materialien sowie der Technologie und einer exakten Kontrolle des Vorganges bei der Metallisierung.

Eine typische Anwendung für die Metallisierung von Kunststoffen, bei der die Beschichtung hinsichtlich ihrer Ästhetik oder Funktion optimiert werden soll, sind z.B. Bad- und Sanitäreinrichtungen oder auch Haushaltsgeräte.

Es gibt verschiedene Arten, um den Kunststoff zu metallisieren. Es gibt einmal die indirekte Variante, bei der eine Metallschicht, durch Verwendung eines vormetalliserten Materials, indirekt aufgetragen wird. Der eigentliche Metallisierungsprozess der Trägerschicht erfolgt dann in den meisten Fällen durch ein Vakuum. Aufgebracht wird die Trägerschicht dann durch eine Einlegeschicht oder durch Heißfolienprägung.

Eine weitere Anwendung ist das Plattieren. Hier wird der Kunststoff zunächst chemisch vorbehandelt. Danach werden Metallschichten aufgebracht, die elektrostatisch und ladungslos sind. Die Adhäsion erfolgt hier mechanisch oder chemisch und durch die geeigneten Chemikalien wird auf dem Kunststoff dann das Metall abgelagert.

Eine dritte Möglichkeit stellt das Lackieren dar. Hierbei wird Lack mit Metallpartikeln vermengt und auf dem Kunststoff aufgetragen. Dadurch können Lackierungen erzeugt werden, die metallähnliche Eigenschaften besitzen.

Eine Großzahl der Kunststoffkomponenten wird metallisiert im Zusammenhang mit elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) oder um die elektromagnetische Einstrahlung (EME) zu verhindern. Die EMV beschreibt, wie verträglich ein Sender bzw. Empfänger für elektromagnetische Strahlung ist. Es kann sehr wichtig sein, dass eine oder mehrere elektronische Komponenten gegenüber dieser Strahlung sehr störfest ist, um optimal zu funktionieren. Ebenfalls ist es wichtig, dass sich verschiedene elektronische Geräte durch ihre Emissionen gegenseitig stören. Dies ist auch durch die Europäische Gemeinschaft festgelegt. So dürfen bestimmte Komponenten nur eine gewisse Menge der elektromagnetischen Strahlung emittieren oder müssen eine gewisse Menge davon störungsfrei empfangen können.