Hydrophobe Beschichtungen - die Antwort für alle Outdoor-Aktivitäten

Es passiert uns allen..... Sie wollen joggen, spazieren gehen oder Fahrrad fahren und es regnet! Glücklicherweise gibt es wasserdichte Kleidung oder Regenmäntel. Was mich interessiert ist, wie diese Art von Bekleidung hergestellt wird. Wie wird ein Stoff wasserdicht oder wasserabweisend und dennoch atmungsaktiv? Was ist also für diese Eigenschaften verantwortlich? Eine Antwort auf diese Frage kann eine hydrophobe Beschichtung sein.

In unserem aktuellen Blog möchte ich gerne eine erfolgreiche Anwendung zur Hydrophobierung von Textilien mit einem CEM-Verdampfermodul (Controlled Evaporation and Mixing System) vorstellen.

Hydrophobe Beschichtung

Wasserdichte und dennoch atmungsaktive Kleidung verhindert das Eindringen von Regenwasser und lässt gleichzeitig Dampf, der beim Schwitzen entsteht, passieren - eine sehr wünschenswerte Eigenschaft bei allen Aktivitäten im Regen. Wie können nun Stoffe und Textilien hydrophobieren oder mit anderen Funktionalitäten versehen werden, ohne die Bulk-Eigenschaften ihrer Fasern zu beeinträchtigen?

Empa – die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

Die Empa ist eine schweizerische Forschungsinstitution für anwendungsorientierte Materialwissenschaften und Technologien mit drei Standorten in der Schweiz und Teil der ETH (Eidgenössische Technische Hochschule) in Zürich. Hier erforscht eine Arbeitsgruppe die Anwendung von Plasmapolymerisation zum Aufbringen extrem dünner nanoskaliger Schichten auf Textilien und Fasern. Darüber wird die Oberfläche der Fasern gezielt funktionalisiert und bestimmte Eigenschaften erzeugt. In diesem Fall wird sie wasserabweisend gemacht.

Eine wichtige Rolle spielte dabei ein geregeltes Verdampfungs- und Mischsystem, auch CEM-System genannt, insbesondere bei der kontrollierten Versorgung mit Polymer-Vorläufern. Ein CEM-System ist ein innovatives System für die Verdampfung von Flüssigkeiten (Liquid Delivery System - LDS), das für atmosphärische oder Vakuumprozesse eingesetzt werden kann. Das Dampferzeugungssystem besteht aus einem (thermischen oder Coriolis) Flüssigkeits-Durchflussregler, einem MFC für Trägergas und einer temperaturgesteuerten Misch- und Verdampfungseinrichtung.

Plasmapolymerisation

In Labormaßstab eines Niederdruck-Plasmapolymerisationsprozesses (0,1 mbar) wird der flüssige Polymer-Precursor (das Monomer) Hexamethyldisiloxan (HMDSO) verdampft und sukzessive durch das Plasma aktiviert, um auf der Faseroberfläche als hydrophobe Beschichtung polymerisiert und abgeschieden zu werden. Um einen stabilen und reproduzierbaren Polymer-Precursor-Dampffluss zu erhalten, muss der flüssige HMDSO-Durchfluss sowie ein Trägergasfluss exakt geregelt werden.

Zur Verdampfung des HMDSO wird ein CEM-System eingesetzt. In diesem Aufbau wird HMDSO flüssig aus einem Behälter bei Raumtemperatur entnommen und mit einem Coriolis-Durchflussmesser gemessen. Anschließend wird das flüssige HMDSO mit Argonträgergas aus einem thermischen Massendurchflussregler vermischt und in einem Wärmetauscher kontrolliert verdampft. Der Dampfstrom wird mit 0,1 mbar Absolutdruck in die Plasma-Reaktionskammer eingeleitet. Alle Systeme werden von einer SPS gesteuert und mit der LabView-Software visualisiert.

Der thermisch relativ instabile Precursor HMDSO ermöglicht die Abscheidung von Polysiloxanschichten bei niedrigen Temperaturen. Dadurch ist es möglich, Textilfasern zu beschichten, die hohen Temperaturen nicht standhalten. Die Versuche der Empa, die Plasmapolymerisation unter niedrigem Druck durchzuführen, zielen darauf ab, die Produktionsausbeute durch Förderung der heterogenen Abscheidung auf der Faseroberfläche und durch Reduzierung des Chemikalienanteils zu erhöhen.

Nach erfolgreichem Versuchsaufbau und Test ist es das Ziel der Empa, den Prozess vom Labormaßstab bis zum industriellen Maßstab zu entwickeln und so eine neue Methode der Hydrophobierung zu entwickeln.