Superhydrophobe Oberflächen: Funktionserhaltung durch Regeneration

Abstract

Viele pflanzliche Oberflächen weisen eine räumliche Mikrostrukturierung auf. Diese Mikrostrukturen sind häufig zusätzlich mit hydrophoben Wachsstrukturen bedeckt. Aufgrund dieser hierarchischen Strukturierung und der Chemie der Wachsstrukturen sind diese Oberflächen superhydrophob. Seit der Entdeckung des Zusammenhangs zwischen der hydrophoben Skulpturierung von biologischen Oberflächen und der damit einhergehenden selbstreinigenden Eigenschaften sind superhydrophobe Oberflächen im Fokus der wissenschaftlichen Forschung. Die Empfindlichkeit der feinen hydrophoben Oberflächenstrukturen gegenüber mechanischer Beschädigung verhindert jeoch bislang einen breiteren Einsatz dieser Oberflächen im Alltag. In Zusammenarbeit mit industriellen Partnern der Produktion chemischer Komponenten (Evonik Industries AG) und der Herstellung umweltschonender Verbraucherprodukte (Werner & Mertz) wurde eine benetzende Trägerdispersion entwickelt, die gezielt in den Beschädigungen haftet. Diese Trägerdispersion soll als Carrier von Reparaturbausteinen dienen, die die Oberflächenstrukturierung und die Hydrophobie an den Beschädigungen regenerieren.<br /> In der vorliegenden Arbeit wurde zunächst mittels der Weißlichtprofilometrie (WP) die Mikrostrukturierung auf biologischen und technischen unterschiedlich strukturierten Oberflächen untersucht. Die WP ist eine in der Industrie bereits etablierten Methode zur Oberflächencharakterisierung, die industriell standardisierte Oberflächenparameter einsetzt. Diese Oberflächenparameter wurden auf ihre Eignung zur Charakterisierung unterschiedlich strukturierter Oberflächen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass sich diese Parameter zur Charakterisierung der untersuchten Oberflächen anhand der Höhe der Mikrostrukturen eignen. Somit lassen sich mit dieser Methode die für die Selbstreinigung relevanten Strukturparameter der biologischen Vorbilder für eine technische Übertragung schnell und probenschonend ermittelt werden.<br /> Der Vergleich der Verteilung und Höhe der Mikrostrukturen mit den gemessenen Kontakt- und Abrollwinkeln auf den untersuchten Oberflächen zeigten einen Einfluss der Mikrostrukturierung besonders auf die Abrollwinkel von Wasser.<br /> Es wurde eine Methode zur quantitativen Analyse der Selbstreinigungsfähigkeit von superhydrophoben Oberflächen entwickelt. Mit Hilfe dieser Methode können die Auswirkungen von Fehlstellen auf diesen Oberflächen quantitativ erfasst werden.<br /> Dabei konnte nachgewiesen werden, dass Fehlstellen auf superhydrophoben Oberflächen Angriffspunkte für eine Reparaturdispersion sein können, da diese weniger hydrophob sind als die intakten Bereiche. Somit können kationische Dispersionen in diesen Fehlstellen haften, speziell dort spreiten und die Hydrophobie wiederherstellen.<br /> Kontaminationsversuche auf beschädigten strukturierten superhydrophoben Oberflächen zeigten, dass kleine Fehlstellen mit einer Breite von ca. 30 µm keine Auswirkungen auf die Selbstreinigung haben.<br /> In Zusammenarbeit mit den Kooperationspartnern Evonik Industries AG wurde eine benetzende Trägerdispersion entwickelt, die in den Fehlstellen von superhydrophoben Oberflächen haftet, dort spezifisch spreitet und die Hydrophobie lokal regeneriert.<br /> Es gelang im Rahmen dieser Arbeit nicht, die Superhydrophobie gezielt in Fehlstellen auf beschädigten strukturierten selbstreinigenden Oberflächen erfolgreich zu regenerieren. Jedoch konnte als erster Schritt in der Entwicklung einer Reparaturdispersion in einem innovativen Ansatz der Trägerdispersion zusätzlich Partikel in der Größe von einigen Mikro- und Nanometern zugesetzt werden. Die gleichmäßige Beschichtung einer hydrophilen Oberfläche mit dieser Dispersion erzeugte eine superhydrophobe Oberfläche. Somit konnte prinzipiell die Machbarkeit einer Reparaturdispersion bestätigt werden.