Maßgeschneiderte Benetzungseigenschaften

Funktionale Anti-Fogging-Beschichtungen mittels Niederdruckplasmaprozessen können dafür eingesetzt werden, einen störenden optischen Eindruck durch Kondensation von Wassertröpfchen zu verhindern. Die Abscheidungen kann dabei sowohl auf Flachsubstraten als auch 3D-Körpern erfolgen.

Um die gewünschte Zieleigenschaft zu erreichen, befinden sich die Substrate zur Beschichtung in einem Plasmareaktor bei einem Druck von typischerweise 1 mbar oder weniger. Als Prozessgase setzen wir beispielsweise Ar, H₂ oder O₂ und als Ausgangsverbindungen für die Schichtbildung (»Precursoren«) Substanzen wie z. B. Hexamethyldisiloxan (C₆H₁₈Si₂O, kurz: HMDSO) ein.

Durch eine chemische Aktivierung der Oberfläche können gezielt funktionale Gruppen oder langkettige Plasmapolymere kovalent an der Oberfläche angebunden werden. Mithilfe einer Nachvernetzung gewährleisten wir die Langzeitstabilität der Schichten.

Formstabile (»harte«) Kontaktlinsen zeichnen sich durch eine hohe Gaspermeabilität aus, wodurch die Hornhaut besser mit Sauerstoff versorgt wird. Dies ist besonders bei längeren Tragezeiten ein großer Vorteil gegenüber weichen Kontaktlinsen. Bei einigen Trägern verursachen die formstabilen Kontaktlinsen jedoch ein dauerhaftes Fremdkörpergefühl im Auge, welches durch Reibung zwischen der Kontaktlinse und der Hornhaut bzw. dem Augenlid entsteht.

Daher ist zum einen eine optimale, individuell angepasste Formgebung der Kontaktlinse notwendig. Zum anderen sollte die Tränenflüssigkeit vollständig die Kontaktlinsenoberfläche benetzen, da sie einen natürlichen Gleitfilm darstellt.

In Zusammenarbeit mit der Firma Hecht Contactlinsen GmbH hat das Fraunhofer IGB Verfahren zur Modifizierung von Kontaktlinsenoberflächen erarbeitet mit dem Ziel, einen höheren Tragekomfort zu erreichen. Die Oberflächen wurden so modifiziert, dass sich ein möglichst geschlossener Tränenfilm ausbilden kann.

Gleichzeitig sollte die Bildung von proteinhaltigen Ablagerungen, die zur Eintrübung der Kontaktlinse führen können, reduziert werden. Dabei müssen die guten Grundeigenschaften des Volumenmaterials der Kontaktlinse, besonders die Sauerstoff-Durchlässigkeit und die optischen Eigenschaften, erhalten bleiben.

Hydrophilierung der Linse mit Plasmatechnik

Aufgrund der Thermolabilität des Materials eignen sich zur Oberflächenmodifizierung besonders Niederdruckplasma-Verfahren. Hiermit werden bei geeigneter Prozessführung gezielt hydrophile Funktionen in die Oberfläche eingebaut. Diese bewirken eine bessere Benetzbarkeit und verringern wegen der verstärkten Anlagerung von Wasser an die Grenzfläche auch die Proteinanlagerung.

Es wurde eine Versuchsreihe mit verschiedenen Gasen bzw. Gasgemischen, Anregungsfrequenzen (Mikrowellen-/ Radiofrequenz), Behandlungsdauern und Leistungen durchgeführt, um die optimalen Plasmaparameter zu ermitteln.

Angepasste Analysemethoden erlauben Aussagen über Benetzbarkeit und Proteinanlagerung unter möglichst praxisnahen Versuchsbedingungen. Zur Bewertung der Benetzbarkeit etwa wurden die modifizierten Kontaktlinsen in einem Tränensimulanz gelagert und der Benetzungswinkel über die Dosierung einer Luftblase an die Oberfläche bestimmt.

Ergebnisse

Die erarbeiteten Oberflächenmodifizierungen führten zu einer deutlichen Verbesserung der Benetzbarkeit (Bild 3). Zurzeit wird überprüft, ob diese Behandlungen für einen Langzeiteffekt ausreichen, da durch die in der Praxis üblichen abrasiven Kontaktlinsenreiniger die äußersten Atomlagen sukzessive abgetragen werden und damit der Effekt auf Dauer verloren gehen kann. Für diesen Fall wird parallel auch an der Abscheidung geeigneter biokompatibler nanoskaliger Schichten über PECVD-Prozesse (plasma enhanced chemical vapor deposition) gearbeitet.

Eine Übertragung dieses Verfahrens ist prinzipiell für alle Anwendungen geeignet, bei denen eine gute Benetzbarkeit von Kunststoffoberflächen im Kontakt mit Körperflüssigkeiten erforderlich ist bzw. die Anlagerung von Proteinen verringert werden soll, z. B. bei Stents oder Kathetern.

Bei der herkömmlichen Textilveredlung werden wasser- und ölabstoßende Eigenschaften durch die nasschemische Ausrüstung mit perfluorierten organischen  Verbindungen erreicht. Dabei sind für eine gute Ölabweisung (Oleophobie) insbesondere lange Fluorcarbon-Ketten erforderlich. Sowohl während der Erstausrüstung als auch bei der Wäsche und Nachimprägnierung können jedoch molekulare Bruchstücke der Ausrüstungschemikalien freigesetzt werden. Zu diesen Bruchstücken bzw. ihren Reaktionsprodukten gehören die Perfluoroctansäure und die Perfluorhexansäure. Diese Verbindungen sind aquatoxisch, akut toxisch, bioakkumulativ und stehen im Verdacht, krebserregend zu sein.

Deswegen gilt es nun, effizientere und umweltschonendere Ausrüstungsverfahren zu etablieren, die weniger Schadstoffe emittieren, und – soweit möglich – Fluorkohlenstoffausrüstungen ganz zu vermeiden. Verzichtet werden kann darauf im Outdoor-Bereich, während bei einer persönlichen Schutzausrüstung (PSA), wie  z. B. OP-Textilien, nach wie vor auch eine Ölabweisung wichtig ist. Darüber hinaus sollten Beschichtungen auch stabil auf der Oberfläche appliziert werden, um eine permanente Nachbearbeitung des Gewebes zu vermeiden.

Eine Technik, mit der Beschichtungen unter minimalem Chemikalieneinsatz stabil (chemisch kovalent) an die Oberfläche angebunden werden können, ist die Plasmatechnik. Eine Herausforderung besteht darin, bei einer hohen Behandlungsgeschwindigkeit gleichzeitig eine hohe Schichtqualität zu erzielen. In unseren Untersuchungen wurde daher neben Prozessen, die auf gasförmigen Schichtbildnern basieren (z. B. perfluorierten Alkanen [1]), auch ein neues Verfahren angewandt, bei dem flüssige Verbindungen eingesetzt werden. Diese ermöglichen sehr hohe Abscheideraten (stets bezogen auf einen definierten Zeitraum), da die eingebrachte Stoffmenge deutlich größer ist als bei konventionellen, rein gasphasenbasierten Prozessen. Die Substanzen werden dabei in ein Niederdruckplasma eingesprüht und polymerisieren auf der Oberfläche [2].

Abb. 1 zeigt beispielhaft Messwerte für die Wasserabweisung unterschiedlich ausgerüsteter Textilien. Bei dem etablierten Test auf Hydrophobizität nach AATCC-22-Standard (American Association of Textile Chemists and Colorists) entspricht der Wert 100 einer maximalen Wasserabweisung, während der Wert 0 für eine vollständige Durchnetzung steht. Verschiedene Beschichtungen, die aus unterschiedlichen Ausgangsverbindungen hergestellt wurden, zeigen eine optimale Wasserabweisung (100 Punkte). Unter diesen finden sich sowohl perfluorierte Schichten als auch fluorfreie Alternativen. Des Weiteren lassen sich bei der Beschichtung sowohl gasförmige als auch flüssige Verbindungen einsetzen, wobei flüssige Substanzen höhere Abscheideraten ermöglichen. Die Ölabweisung nach AATCC 118 wurde ebenfalls untersucht. Hierbei zeigte sich, dass fluorfreie Alternativen keinerlei ölabweisende Eigenschaften besitzen, während bei den plasmabasierten perfluorierten Beschichtungen ein gewisser Grad an Abweisung erreicht werden konnte.

Werden die Beschichtungen einem Waschtest unterzogen, so kann eine Effektminderung auftreten. Dies ist auch von den nasschemischen Ausrüstungen bekannt und auf Abrasion, die Einlagerung von Tensiden und die Umorientierung funktioneller Gruppen zurückzuführen. Welchen Einfluss die Wäsche (nach ISO 105 C12) auf plasmaausgerüstete Textilien hat, ist beispielhaft in Abb. 2 dargestellt. In dieser Messreihe zeigt sich, dass die Stabilität der gezeigten Ausrüstung pH-abhängig ist. Offensichtlich kann eine gute Beständigkeit der Beschichtung erzielt werden. Dies wird allerdings – wie beim nasschemischen Verfahren – deutlich von der Wahl des Tensids beeinflusst.

Literatur

[1] Verfahren zur Herstellung von funktionalen Fluorkohlenstoffpolymerschichten mittels Plasmapolymerisation von Perfluorocycloalkanen,
WO 2007012472 A8.

[2] Nieder- und Mitteldruckplasmaverfahren zur Oberflächenbeschichtung mittels Precursorzuführung ohne Trägergas, EP 14191221.2.

Förderung und Partner

Die Arbeiten wurden zusammen mit dem Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie der Universität Stuttgart durchgeführt. Wir danken der Deutschen Bundesstiftung Umwelt DBU für die Finanzierung dieser Arbeiten unter der Projekt-Nr. AZ 30276 und unserem Projektpartner Plasma Electronic GmbH, Neuenburg a. R.

Bei den neuen Verfahren, die auf flüssigen Verbindungen in Kombination mit Plasma basieren, sticht die hohe Abscheiderate hervor. Ferner können durch Beimischungen zusätzliche Schichtfunktionen dargestellt werden (beispielsweise eine antibakterielle Wirkung durch Silberverbindungen oder Chitosan). Über den Bekleidungssektor hinaus sind die Verfahren daher auch für weitere Anwendungsgebiete wie zum Beispiel die Medizintechnik interessant.