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Biomimetische superhydrophobe Oberflächen ... · PDF file6 Generierung der Fehlstellen die Auftragungsart der Regenerationsdispersion entscheidend ist. Die homogene Verteilung der

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  • 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

  • 2

    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

  • 3

    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

  • 4

    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

  • 5

    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

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