VUV-induzierte Mikrofaltung von Beschichtungen auf Acrylatbasis: 2. Charakterisierung der Oberflächeneigenschaften

Zusammenfassung

Es werden die Oberflächeneigenschaften von mikrogefalteten, „physikalisch verfilzten“ Acrylatbeschichtungen beschrieben, die mittels Vakuum-UV-Behandlung (VUV) hergestellt wurden. Durch den Vergleich von mikrostrukturierten und glatten Oberflächen wurden statische und dynamische Reibungswerte bestimmt. Die Topographie der mikrofurchigen Bereiche wurde mit einem optischen Profiler abgetastet und mit dem Glanz korreliert. Darüber hinaus wurden die Reproduzierbarkeit der Oberflächenstrukturbildung und deren Rauheit im Ortsfrequenzspektrum anhand der aus den gemessenen Oberflächentopographien berechneten Leistungsstrukturdichtefunktionen analysiert. Da die hochenergetischen 172 nm Photonen (7,2 eV) in der Lage sind, in Acrylaten auch ohne Photoinitiator Radikale zu erzeugen, bildete sich im oberflächennahen Bereich eine stark vernetzte Acrylatmatrix. Infolge der erhöhten Vernetzungsdichte wurden die mikromechanischen Eigenschaften wie die Oberflächenhärte verbessert. Ausgewählte Daten werden vorgestellt.

Einleitung

Die Erzeugung und Charakterisierung von mikro- und nanostrukturierten Beschichtungen und Oberflächenschichten sind intensiv untersuchte Forschungsgebiete [1], [2], [3], [4]. Als Werkzeug zur Oberflächenstrukturierung wurde die photochemische Mikrofaltung im Zusammenhang mit der Entwicklung kurzwelliger Excimer-Lampen entdeckt [5], [6], [7] und galt bisher als einfache Methode zur Erzeugung extrem mattierter dekorativer Oberflächen durch „physikalisches Mattieren“. Die Anwendung dekorativer und funktioneller Oberflächenbeschichtungen, insbesondere in Kombination mit kratz- und abriebfesten Nanokompositlacken [8], [9], führte in den letzten Jahren zur Entdeckung und Anwendung weiterer interessanter und vorteilhafter Eigenschaften von durch 172 nm-Bestrahlung behandelten Oberflächen. In diesem Zusammenhang ist es offensichtlich, dass verschiedene mikrostrukturierte Acrylatbeschichtungen (siehe Abb. 1), die durch das in Abb. 2 schematisch dargestellte Verfahren erzeugt wurden, nicht nur ein variables, mattes Aussehen, sondern auch unterschiedliche Haptik und Reibungskoeffizienten aufweisen.Wir haben kürzlich über eine Vorrichtung berichtet, die es ermöglicht, die Faltungskinetik des Mikrofaltungsprozesses in Echtzeit aufzuzeichnen [10]. Hier präsentieren wir unsere neuesten Ergebnisse zur topographischen Beschreibung der zufällig strukturierten Oberfläche sowie zum Einfluss der hochenergetischen 172 nm Photonen auf die mikromechanischen Eigenschaften sowohl der Oberfläche als auch der gesamten Beschichtung.

Materialien

Die Materialien für die Untersuchung des Mikrofaltungsverhaltens von Acrylmono- und -oligomeren wurden mit dem Ziel ausgewählt, ein breites Spektrum relevanter Eigenschaften abzudecken, die durch die Art der Verbindung selbst, das Molekulargewicht, die Viskosität, die Funktionalität, die Glasübergangstemperatur sowie die Oberflächen- und Schrumpfspannung gegeben sind. Proben von Acrylmonomeren (EB 80, EB 210, EB 810, EB 830, EB 852, SR 351, Tripropylenglykoldiacrylat (TPGDA), CN 132, Genomer 2259) wurden von Bayer zur Verfügung gestellt.

Oberflächentopographie

Mikrogefaltete Beschichtungen auf Acrylatbasis wurden sowohl aus einem SL8- als auch aus einem SD-L4-Lack hergestellt. Beide Beschichtungen wurden im Walzenauftragsverfahren auf einem Laborbeschichter aufgebracht. In Tabelle 1 sind die wichtigsten Parameter dieser Beschichtungen zusammengefasst.

Für zwei unabhängige SL8- (nur eine in Abb. 3a) und zwei unabhängige SD-L4-Beschichtungen (nur eine in Abb. 3b) wurde ein Mikroprofil erstellt. Diese Messungen zeigten die Reproduzierbarkeit des Mikrofaltungsprozesses, wie auch in Abb. 4 dargestellt. Zur Quantifizierung der…

Schlussfolgerungen

Durch die Analyse der Oberfläche mit optischer Profilometrie konnten wir zeigen, dass die PSD-Profile, die aus den gemessenen Oberflächenhöhenprofilen berechnet wurden, ausgezeichnete Informationen über die Grobheit, Homogenität und Reproduzierbarkeit der mikrostrukturierten Oberflächentextur liefern. In Bezug auf den Mattierungseffekt konnte gezeigt werden, dass es eine Korrelation zwischen dem Glanz und dem Aspektverhältnis gibt. Darüber hinaus kann der Glanz durch die Prozessparameter reproduzierbar beeinflusst werden. Anders als bei konventionellen chemischen…

Danksagungen

Die Autoren, u.a. Dr. Rolf Schubert und Prof. Dr. Rainer Mehnert, danken der Technologieförderung der Sächsischen Aufbaubank, Dresden, für die Finanzierung des Projektes sowie allen genannten Firmen für die Bereitstellung von Materialien.  VUV-induced micro-folding of acrylate-based coatings: 2. Characterization of surface properties – ScienceDirect