Biomimetische superhydrophobe Oberflächen:
Funktionserhaltung durch Regeneration
Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn
Nees-Institut für Biodiversität der Pflanzen
Abschlussbericht
01.09.2005 bis 31.03.2009
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Zuwendungsempfänger: Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn
Ausführende Stelle: Nees-Institut für Biodiversität der Pflanzen
Prof. Dr. Wilhelm Barthlott
Antragsteller: Prof. Dr. Wilhelm Barthlott, Dr. Zdenek Cerman,
Nees-Insitut für Biodiversität der Pflanzen, Universität
Bonn
Wissenschaftliche Prof. Dr. Heinz Rehage, Lehrbereich Physikalische
Partner: Chemie Universität Dortmund
Dr. Hubert Kuhn, CAM-D Technologies GmbH, Essen
Industriepartner: Degussa AG, Care & Surface Specialties, Essen
Werner & Mertz GmbH, Mainz
Förderkennzeichen: 01 RI 05097
Vorhabensbezeichnung: Biomimetische superhydrophobe Oberflächen:
Funktionserhaltung durch Regeneration
Laufzeit des Vorhabens: 01.09.2005 bis 31.03.2009
Berichtszeitraum: 01.09.2005 bis 31.03.2009
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Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung der Förderphase........................................................................................................4
Abschnitt I: Kurze Darstellung ..................................................................................................................7
1 Aufgabenstellung ......................................................................................................................7
2 Voraussetzungen unter denen das Vorhaben durchgeführt wurde ....................................7
3 Planung und Ablauf des Vorhabens .....................................................................................10
4 Wissenschaftlicher und technischer Stand an dem angeknüpft wurde ...........................14
5 Zusammenarbeit mit anderen Stellen ...................................................................................20
Abschnitt II: Eingehende Darstellung .....................................................................................................21
1 Verwendung der Zuwendung und des erzielten Ergebnisses ...........................................21
1.1 Ermittlung der Reinigungseffizienz unterschiedlicher Tenside .......................................21
1.2 Entwicklung eines Vorhersagemodells zur Reinigung technischer nano- und
mikrostrukturierter Oberflächen mit Tensiden................................................................30
1.3 Entwicklung eines Modells zum Kontakt- und Abrollwinkel des Tensids Tegotens B810 auf
Pflanzenblättern .............................................................................................................33
1.5 Generierung von Fehlstellen und die Auswirkungen von Fehlstellen auf die
Selbstreinigung...............................................................................................................41
1.6 Benetzungsverhalten von Tensid-Dispersionen auf superhydrophoben Oberflächen....48
1.7 Wiederherstellung der Hydrophobie in Fehlstellen .........................................................53
1.8 Regeneration der Superhydrophobie durch Wiederherstellung der Strukturierung in
Fehlstellen auf technischen Oberflächen.......................................................................54
2 Wichtigste Positionen des zahlenmäßigen Nachweises ....................................................59
3 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeiten..........................................59
4 Voraussichtlicher Nutzen im Sinne des fortgeschriebenen Verwertungsplans...............60
5 Fortschritt auf dem Gebiet des Vorhabens seitens Dritter.................................................60
6 Erfolgte oder geplante Veröffentlichungen der Ergebnisse...............................................61
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Zusammenfassung der Förderphase
Im Fokus des durch das BMBF geförderten, dreijährigen Vorhabens „Biomimetische
superhydrophobe Oberflächen: Funktionserhaltung und Regeneration“ stand die
Regeneration von beschädigten mikro- und nanostrukturierten, selbstreinigenden
Oberflächen. Ziel war die Entwicklung innovativer, funktionsangepasster Suspensionen,
die in der Lage sind beschädigte Stellen auf superhydrophoben, funktionalen Oberflächen
zu reinigen ([I] Demaskierung) und zu regenerieren ([II] Hydrophobie- und [III]
Strukturregeneration).
Die Arbeiten zur Demaskierung wurden vornehmlich am Institut für physikalische Chemie
der Universität Dortmund im Rahmen der Doktorarbeit von Frau M.Sc. Silke Dallmann
unter der Betreuung von Prof. Dr. Heinz Rehage durchgeführt. Die Arbeiten zur
Regeneration der Hydrophobie und Struktur beschädigter Oberflächen wurden
vornehmlich im Rahmen der Dissertation von Dipl.-Biol. Henning Immink am Nees-Institut
für Biodiversität der Pflanzen der Rheinischen Friedrich-Wilhelms Universität Bonn
durchgeführt. Betreut wurden diese Arbeiten durch Prof. Dr. Wilhelm Barthlott. Die
beteiligten Partner waren die CAM-D Technologies GmbH, die Evonik Goldschmidt AG
sowie die Werner & Mertz GmbH.
Aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Beschädigungen sind
selbstreinigende Oberflächen nach dem Prinzip des Lotus-Effekts bislang nur
eingeschränkt auf dem Markt erhältlich. Durch Beschädigungen können sich hydrophile
Fehlstellen ausbilden, in denen Kleinstpartikel hängen bleiben und die Funktion der
Oberfläche beeinträchtigen. Die Demaskierung solcher kontaminierten, superhydrophoben
Oberflächen erwies sich bisweilen als schwierig. Geeignete Substanzen existieren bis
heute nicht, da bei gängigen Reinigungsmitteln grundsätzlich eine mechanische
Bearbeitung der Oberfläche erfolgen muss, die die Funktion der Oberflächen irreversibel
zerstören kann.
Im Rahmen des Vorhabens konnte nun in Zusammenarbeit mit der Werner & Mertz GmbH
die Substanz REWOPOL® SB DO 75 als ein Reinigungsbestandteil identifiziert werden,
welches selbst bei niedrigen Tensidkonzentrationen eine vollständige Abreinigung von
superhydrophoben Testoberflächen erwirkte. Eine mechanische Einwirkung auf die
Oberfläche entfällt somit vollständig. Weiterhin wurde zur Entwicklung maßgeschneiderter
Tenside mit einem optimiertem Reinigungsverhalten auf superhydrophoben Oberflächen,
die Reinigungsleistung von 11 zusätzlichen Tensiden erfasst. Mit Hilfe dieser Daten, dem
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Molecular Modelling sowie der Quantitativen-Struktur-Wirkungsbeziehungen (QSPR)
konnten erfolgreich Modelle zur Reinigungswirkung von Tensiden auf technischen mikro-
und nanostrukturierten Oberflächen entwickelt werden. Damit steht nun erstmals ein
grundsätzliches Werkzeug zur Tensidoptimierung hinsichtlich der Reinigungsleistung auf
superhydrophoben Oberflächen zur Verfügung.
Die Hydrophobierung (II) von Fehlstellen stellte einen elementaren Schritt zur
Regeneration superhydrophober Oberflächen dar. Durch die Verwendung etablierter
Substanzen (Gloss Dryer®, Evonik Goldschmidt AG) und neuartiger, im Rahmen des
Vorhabens entwickelter Untersuchungsmethoden (Abreinigungstest mittels Puls-
Amplituden-Modulierter Fluorometrie (PAM)) konnten Fehlstellen auf den Oberflächen
zunächst identifiziert und anschließend gezielt hydrophobiert werden.
Im Rahmen der Strukturreparatur (III) wurden zunächst mittels Weißlichtprofilometrie (WP)
industriell standardisierte Kenngrößen zur Charakterisierung technischer Oberflächen, auf
ihre Eignung zur Charakterisierung strukturierter, biologischer Oberflächen hin untersucht.
Mit Hilfe dieser Kenngrößen können nun für die Selbstreinigung relevante
Strukturparameter biologischer Oberflächen schnell und probenschonend ermittelt werden.
Die anschließende Regeneration der Mikro- und Nanostrukturierung in den Fehlstellen
erwies sich jedoch als komplexer als zu Beginn des Vorhabens eingeschätzt. Die
Untersuchungen ergaben einen deutlich umfangreicheren Zusammenhang zwischen
Oberflächenchemie, -strukturierung und den dazu passenden Reparaturbausteinen. So
war ein homogener Auftrag von Testsuspensionen oftmals nicht möglich, da es zur
Aggregation der Partikel kam. Die Entwicklung einer universellen Reparatursuspension
scheint daher momentan nicht greifbar. In Zusammenarbeit mit der Evonik Goldschmidt
AG konnte jedoch für eine Testoberfläche (selbstreinigendes, strukturiertes Glas) eine
kationische Mikroemulsion (Trägerdispersion) herausgestellt werden, die gezielt in
Fehlstellen von superhydrophoben Oberflächen spreitet, haftet und lokal die Hydrophobie
wieder herstellt. Für diese Trägersuspension konnten strukturgebende Partikel identifiziert
werden. Die Applikation dieser Testdispersion auf den Oberflächen zeigte, dass sowohl
die Hydrophobie als auch die Strukturierung in den Fehlstellen wieder hergestellt werden
kann. Die für die Selbstreinigung entscheidenden Messparameter wie der statische
Kontaktwinkel von Wasser (beschädigt: 25°, regeneriert: 147
