FFD IM - Freudenberg Forschungsdienste SE & Co. KG
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Ausgabe 3_2012<br />
<strong>FFD</strong> <strong>IM</strong><br />
DIALOG<br />
Mehr Informationen unter www.forschungsdienste.de<br />
Plasma-Oberflächentechnik<br />
u Produkte gezielt veredeln und optimieren<br />
<strong>Freudenberg</strong><br />
<strong>Forschungsdienste</strong>
Inhaltsverzeichnis<br />
2 Inhalt<br />
1. Vorwort S. 3<br />
2. Plasma-Oberflächentechnik S. 4<br />
3. Kohlenstoffnanoröhren in elastomeren Werkstoffen S. 9<br />
4. Neues von den Senior Scientists S. 13<br />
5. Vorsicht Erfindung S. 16<br />
6. Seminare S. 17<br />
Quelle: Inno. CNT<br />
Schematische Darstellung: Blick in eine Kohlenstoffnanoröhre
Vorwort<br />
Liebe Geschäftsfreunde,<br />
Für die Firma <strong>Freudenberg</strong> ist es von strategischer Bedeutung,<br />
eine zunehmende Zahl von Produkten auf dem schnell wachsenden<br />
Markt der Medizintechnik anbieten zu können. Aufgrund des<br />
breit gefächerten Produktportfolios und des dazugehörigen technologischen<br />
Know-hows ist <strong>Freudenberg</strong> bestens vorbereitet, eine<br />
starke Position im Markt zu erreichen. Ein wesentlicher Faktor ist<br />
dabei auch die Entwicklung neuer Produkte. <strong>FFD</strong> hat in diesem<br />
Jahr begonnen, die ersten Entwicklungsprojekte für Helix Medical<br />
durchzuführen. Außerdem erhöhen wir systematisch unser Knowhow<br />
im Bereich Medizintechnik. Dabei nutzen wir unser Wissen<br />
über Werkstoffe, Verfahren und Methoden und wenden dieses auf<br />
die Entwicklung medizintechnischer Produkte an. Die Fragestel-<br />
lungen sind sehr vielfältig, angefangen bei Biokompatibilität über<br />
Beständigkeit, Sterilisation, Designfreiheit bis hin zu Normen und<br />
gesetzlichen Regelungen.<br />
Zum Thema Klebungen in der Medizintechnik finden Sie einen<br />
Artikel in dieser Ausgabe des Dialogs (Seite 13).<br />
Auch Methoden, um Oberflächen in einer Weise zu modifizieren,<br />
dass sie kompatibel zu anderen Oberflächen oder auch Flüssigkeiten<br />
sind, können für medizintechnische Produkte wichtig sein.<br />
Mit einer Plasmabehandlung können diese, aber auch noch viele<br />
andere Eigenschaften erreicht werden (Seite 4).<br />
Carbon Nano Tubes (CNTs) sind nicht nur ein Meisterwerk der<br />
chemischen Synthese, sie zeigen auch einige faszinierende Eigenschaften.<br />
Eine Grundlagenentwicklung zu Materialkombinationen<br />
und Verarbeitung soll zeigen, ob mit diesen Werkstoffen Leichtbauteile,<br />
zum Beispiel Prothesen, oder kleine elastische Bauteile,<br />
hergestellt werden können. Über einige Eigenschaften von CNTgefüllten<br />
Elastomeren lesen Sie ab Seite 9.<br />
Ich wünsche Ihnen eine spannende und anregende Lektüre.<br />
Mit freundlichen Grüßen<br />
Dr. Gerd Eßwein<br />
Vorwort<br />
3
Produkte gezielt veredeln und optimieren<br />
4<br />
PLAsMA-<br />
OberFLächentechnIk<br />
Plasma-Oberflächentechnik<br />
Der Begriff „Plasma“ wurde 1928 von Irving Langmuir zuerst definiert<br />
[Lan28]. Seitdem entwickelten Forscher in Wissenschaft und<br />
Industrie eine Vielzahl von plasmabasierten Prozessen, von denen<br />
einige nicht nur industriell etabliert sind, sondern auch zu nachhaltigen<br />
Neuerungen des täglichen Lebens beigetragen haben. Die prominentesten<br />
darunter sind vermutlich Plasmaprozesse in der Halbleitertechnik<br />
zur Chipherstellung, in der Photovoltaik zur Produktion<br />
von Solarzellen oder in der Automobiltechnik zur tribologischen<br />
Optimierung von Motorkomponenten. Ende der 90er Jahre lag der<br />
Umsatz deutscher Betriebe in der Plasmatechnologie jährlich bei<br />
rund einer Milliarde Euro. Bis 2008 wuchs das Umsatzvolumen<br />
trotz Wirtschaftskrise auf 1,6 Milliarden Euro [NN10].<br />
Oftmals entsprechen Bauteileigenschaften nicht vollständig den gewünschten<br />
Anforderungen, so dass erst durch oberflächenveredelnde<br />
Maßnahmen das gewünschte Eigenschaftsspektrum bzw. die<br />
gewünschte Produktqualität erreicht werden kann. Die gängigen<br />
Verfahren wie Galvanisieren oder Lackieren werden zunehmend<br />
durch plasmabasierte Verfahren ergänzt. Die Plasma-Oberflächentechnik<br />
wird hierbei vermutlich am häufigsten verwendet, um die<br />
Oberflächenspannung eines Werkstoffs zu modifizieren. Korona-<br />
oder Barriere-Entladungen werden standardmäßig bei der Aktivie-
ung von Polyolefin-Folien vor dem Bedrucken eingesetzt [NN04].<br />
Elastomerprofile und -dichtungen sowie Polyolefin- oder PTFE-Formteile<br />
werden zur Verbesserung der Verkleb-, Bedruck- oder Lackierbarkeit<br />
ebenfalls oftmals im Plasma gereinigt und aktiviert [Hen00].<br />
Kontaktlinsen aus Sililkonhydrogelen, die von Natur aus äußerst<br />
hydrophob und so für das Auge unverträglich sind, werden heute<br />
üblicherweise im Plasma hydrophiliert [CMR04].<br />
Abb. 1: Plasmaprozesse werden nicht nur zu Marketingzwecken eingesetzt, sondern<br />
finden heute vielfach industriell Anwendung<br />
Plasmaprozesse für die industrielle Anwendung<br />
Der Plasmazustand wird häufig als der „vierte Aggregatzustand“<br />
bezeichnet. Dies ist in erster Linie darauf zurückzuführen, dass<br />
Feststoffe durch die Zufuhr von Energie (bspw. in Form von Hitze)<br />
zunächst in den flüssigen, dann den gasförmigen und schließlich<br />
in den Plasmazustand übergehen. Der Energieeintrag muss groß<br />
genug sein, um Ionisationsprozesse auszulösen und ladungstragende<br />
Spezies zu erzeugen [Gri94]. Wird einem Gas elektromagnetische<br />
Strahlung zugeführt, so wird diese Energie zunächst<br />
von der Elektronenhülle der Gasmoleküle absorbiert. Die Elektronen<br />
werden beschleunigt und wechselwirken in elastischen und<br />
inelastischen Stößen mit weiteren Bestandteilen. Neben den freien<br />
Elektronen liegen in einem Plasma dann auch Neutralteilchen,<br />
Ionen und Radikale vor. Nach außen hin ist ein Plasma jedoch<br />
elektrisch neutral [Gri94, Ina96].<br />
In der industriellen Anwendung lassen sich grundsätzlich zwei Klassen<br />
von Plasmaprozessen unterscheiden: schichtbildende und nichtschichtbildende<br />
Plasmaprozesse. Nichtschichtbildende Prozesse<br />
werden in der Regel zur Reinigung, Aktivierung oder zum Ätzen von<br />
Oberflächen eingesetzt. Anorganische Gase, wie bspw. Sauerstoff,<br />
Stickstoff oder Argon, führen hier meist zu einem Abtrag sowie zu<br />
einer leichten chemischen Modifikation der Oberfläche. Gerne wird<br />
dieser Effekt bei der Feinstreinigung vor dem Lackieren oder Bedrucken<br />
verwendet. Zusätzlich werden bei diesen Prozessen funktionelle<br />
Gruppen in die Oberfläche eingebaut, was sich bei polymeren<br />
Werkstoffen in erster Linie in der besseren Benetzbarkeit bemerkbar<br />
macht. Viele Polymere weisen nach einer Plasmabehandlung einen<br />
geringeren Kontaktwinkel mit den meisten Flüssigkeiten auf (Abb.<br />
Plasma-Oberflächentechnik<br />
5
Plasma-Oberflächentechnik<br />
6 Plasma-Oberflächentechnik<br />
2). Lacke oder auch Klebstoffe benetzen die Oberflächen somit bedeutend<br />
besser. Zudem kann die Haftung zwischen dem Grundkörper<br />
und diesen Flüssigkeiten durch eine Aktivierung verbessert<br />
werden. Im Technikum der Abteilung Oberflächentechnik stehen zu<br />
diesem Zweck sowohl Nieder- als auch Atmosphärendruckanlagen<br />
zur Verfügung, die die Modifikation einer Vielzahl von Geometrien<br />
erlauben; von Batchprozessen für Kleinstbauteile bis zur kontinuierlichen<br />
Aktivierung von Bahnenware bis zu 1m Breite.<br />
Abb. 2: Vergleich eines hydrophoben Polypropylen-Vliesstoffes vor (links) und nach der Aktivierung im Plasma (rechts)<br />
Dieser Effekt der Behandlung (Hydrophilierung) polymerer Oberflächen<br />
ist jedoch oft nur temporär wirksam. Die funktionellen Gruppen<br />
in der Oberfläche drehen sich wieder in das Material hinein, um die<br />
Oberflächenenergie zu minimieren, sodass der Werkstoff mit der Zeit<br />
wieder hydrophober wird. Im Englischen wird dieser Vorgang als<br />
„hydrophobic recovery“ bezeichnet und kann abhängig von Polymer<br />
und Plasmaprozess zwischen wenigen Minuten bis hin zu mehreren<br />
Monaten dauern [GMO98]. Eine permanente Oberflächenmodifikation<br />
wird hingegen in Ätzprozessen herbeigeführt. Vor allem in Vakuumprozessen<br />
können je nach Anwendung und bei geschickter Wahl<br />
der Prozessparameter insbesondere Polymere massiv angeätzt und<br />
ohne Schichtaufbau strukturiert werden (Abb. 3).<br />
Abb. 3: Beispiele für eine plasmaaktivierte (links) und eine plasmageätzte Elastomeroberfläche (rechts)
Abb. 4: Prinzip des APPLD-Prozesses<br />
Beschichtungen ermöglichen dagegen allgemein leichter eine<br />
permanente Oberflächenmodifikation. Bei der Verwendung von<br />
polymerisierbaren Präkursoren ergeben sich schichtbildende Plasmen,<br />
aus denen funktionelle Beschichtungen auf Oberflächen abgeschieden<br />
werden. Häufig werden hierzu Gase verwendet, die<br />
dann im Plasma bzw. auf der Oberfläche polymerisieren. Dieser<br />
Vorgang wird als Plasmapolymerisation bezeichnet [Ina96]. Bei<br />
den <strong>Freudenberg</strong> <strong>Forschungsdienste</strong>n wurde in der Vergangenheit<br />
zusammen mit Dow <strong>Co</strong>rning Plasma Solutions eine Pilotanlage für<br />
die plasmagestützte Modifikation von Bahnenware aufgebaut, die<br />
die Möglichkeit bietet, flüssige Präkursoren in ein Heliumplasma<br />
zu injizieren (Abb. 4). Die Flüssigkeiten werden im Plasma fein<br />
vernebelt und als dünne Schicht<br />
auf der Oberfläche von Vliesstoffen<br />
oder anderer Bahnenware<br />
deponiert. Zusammengefasst<br />
wird dieser Prozess unter<br />
der englischen Bezeichnung<br />
Abb. 5: links: Oleophobierung eines Vliesstoffes (vor und nach dem „Atmospheric Pressure Plasma<br />
APPLD-Prozess) rechts: Hydrophobierung von Baumwolle<br />
Liquid Deposition“ (APPLD)<br />
[NN03]. Chemische Funktionalitäten der Präkursoren werden dabei<br />
im APPLD-Prozess weitestgehend erhalten, was ein gezieltes Design<br />
der Oberflächenchemie über die Wahl der Präkursoren ermöglicht.<br />
Bei Vakuumprozessen bzw. Prozessen, die auf gasförmige Präkursoren<br />
zurückgreifen, ist eine genaue Steuerung der Oberflächenchemie<br />
in dieser Art nicht möglich. Bisher realisierte Oberflächenfunktionalisierungen<br />
zielten auch in diesem Zusammenhang häufig auf die<br />
Hydrophilierung oder die Hydrophobierung der Oberflächen ab. Bei<br />
Verwendung geringster Mengen von langkettigen Fluorkohlenwasserstoffen<br />
konnten ölabweisende Schichten auf Vliesstoffen abgeschieden<br />
werden (Abb. 5). Weitere Anwendungsmöglichkeiten bestehen<br />
je nach Wahl der Beschichtungsstoffe in der pH-beständigen, haftvermittelnden,<br />
permeationsdichten oder antimikrobiellen Oberflächenfunktionalisierung.<br />
Neben der Entwicklung von Prozessen und<br />
Schichten im Rahmen von Machbarkeitsstudien bieten die <strong>Freudenberg</strong><br />
<strong>Forschungsdienste</strong> hierbei auch die Lohnbeschichtung kleiner<br />
Mengen von Bahnenware bis 1m Breite an.<br />
Plasma-Oberflächentechnik<br />
7
Plasma-Oberflächentechnik<br />
8<br />
Plasma-Oberflächentechnik<br />
Literaturverzeichnis:<br />
[CMR04] CHENG, L.; MULLER, S.J.; RADKE, C.J.: Wettability of silicone-hydrogel<br />
contact lenses in the presence of tear-film components. Current Eye Research 28<br />
(2004) 2, S. 93-108<br />
[GMO98] GARBASSI, F.; MORRA, M.; OCCHIELLO, E.: Polymer Surfaces. From<br />
Physics to Technology. Chichester: John Wiley & Sons, 1998<br />
[Gri94] GRILL, A.: <strong>Co</strong>ld Plasmas in Materials Technology. New York: Institute of<br />
Electrical and Electronics Engineers, Inc., 1994<br />
[Hen00] HENNEMANN, O.-D.: Kleben von Kunststoffen. Kunststoffe 90 (2000)<br />
10, S. 184-189<br />
[Ina96] INAGAKI, N.: Plasma Surface Modification and Plasma Polymerization.<br />
Lancaster: Technomic Publishing <strong>Co</strong>mpany, Inc., 1996<br />
[Lan28] LANGMUIR, I.: Oscillations in Ionized Gases. In: Proceedings of the<br />
National Academy of Sciences of the United States of America, 1928<br />
[NN03] Schutzrecht WO 03/086031 A1 (2003-10-16)<br />
[NN04] N.N.: Evaluierung Plasmatechnik. Düsseldorf: VDI Technologiezentrum<br />
GmbH, 2004<br />
[NN10] N.N.: Markt Plasma- und Oberflächentechnik. Plasma + Oberfläche<br />
(2010) 1, S. 26-27<br />
Ihr Ansprechpartner:<br />
Dr. Friederike von Fragstein<br />
Oberflächentechnik<br />
Tel.: 06201 - 80 32 90<br />
Fax: 06201 - 88 30 63<br />
friederike.vonfragstein@<br />
freudenberg.de
... in elastomeren Werkstoffen<br />
kOhLenstOFFnAnOröhren<br />
...<br />
Kohlenstoffnanoröhren (Carbon Nanotubes, CNTs) haben in<br />
den 20 Jahren seit ihrer Entdeckung einen beispiellosen Boom<br />
in Wissenschaft und Forschung erfahren. Insbesondere die einzigartige<br />
Kombination von zwei Eigenschaften fasziniert die<br />
Entwickler bis heute: Die extrem hohe Zugfestigkeit und die sehr<br />
gute elektrische Leitfähigkeit der CNTs. Um diese Eigenschaften<br />
für <strong>Freudenberg</strong> und seine Kunden nutzbar zu machen, sind die<br />
<strong>Freudenberg</strong> <strong>Forschungsdienste</strong>, gemeinsam mit <strong>Freudenberg</strong><br />
Sealing Technologies als Finanz- und technischem Kooperationspartner,<br />
sowie möglichem Anwender von CNT-Materialien, seit<br />
Anfang 2009 Teil der Innovationsallianz Inno.CNT. Diese vom<br />
Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Initiative<br />
hat das Ziel, die technologischen Grundlagen zur Erschließung<br />
des wirtschaftlichen Potenzials von CNTs zu schaffen. Der Forschungsverbund<br />
Inno.CNT besteht aus rund 90 namhaften Partnern<br />
aus Wissenschaft und Industrie. <strong>Freudenberg</strong> arbeitet im<br />
Rahmen der Innovationsallianz gemeinsam mit dem Deutschen<br />
Institut für Kautschuktechnologie e.V. und der Rheinchemie<br />
Rheinau GmbH im Verbundprojekt CarboElast, das sich mit der<br />
<strong>Co</strong>mpoundierung und Charakterisierung von CNTs in Elastomeren<br />
und thermoplastischen Elastomeren befasst. Im folgenden Artikel<br />
Kohlenstoffnanoröhren in elastomeren Werkstoffen<br />
9
Kohlenstoffnanoröhren in elastomeren Werkstoffen<br />
10 Kohlenstoffnanoröhren in elastomeren Werkstoffen<br />
soll ein Einblick in die interessantesten Ergebnisse gegeben werden,<br />
die im Rahmen dieses Projektes in den Abteilungen Polyurethane<br />
und Elastomere der <strong>FFD</strong> erarbeitet wurden.<br />
Eine Herausforderung, die sich bei der Einarbeitung von CNTs in<br />
hochviskose Materialien wie Kautschuk oder thermoplastische<br />
Schmelzen immer wieder stellt, ist das Aufbrechen der CNT-Agglomerate,<br />
die in folge der starken Wechselwirkungen zwischen den<br />
CNTs vorhanden sind. Für die beiden Materialklassen Elastomere<br />
und thermoplastische Polyurethane (TPUs) wurde in umfangreichen<br />
Vorversuchen der jeweils optimale Dispersionsprozess ermittelt. Im<br />
Falle von Elastomeren erwies sich der Weg über einen speziellen<br />
Prozess der Masterbatchherstellung, im Falle von TPUs der Weg über<br />
die direkte Einarbeitung am Extruder als besonders vorteilhaft. Abbildung<br />
1 zeigt exemplarisch die exzellente Verteilung von CNTs in<br />
Abb. 1: <strong>SE</strong>M Aufnahme der Verteilung von 2,5 vol% CNTs in TPU nach der <strong>Co</strong>mpoundierung,<br />
20000 fache Vergrößerung. Die CNTs erscheinen weiß, da sie sich<br />
im Elektronenstrahl wesentlich stärker aufladen als das umgebende TPU<br />
einem TPU-Material.<br />
Die Dispergierbarkeit von CNTs in Elastomeren ist stark abhängig von<br />
der Grundviskosität und Polarität der Elastomermatrix. Aus diesem Grund<br />
kommt es zu sehr unterschiedlichen Verstärkungseffekten in den verschiedenen<br />
Kautschuken. Den bisher größten Einfluss auf die Eigenschaften des<br />
Materials zeigen CNTs in Fluorkautschuken (FKM). Abbildung 2 zeigt die<br />
deutlich verbesserte mechanische Verstärkung durch CNTs im Vergleich zu<br />
handelsüblichem inaktivem Ruß, Graphit und hochaktivem Ruß.
Abb. 2: Relative Verstärkung (Spannwert in Bezug auf den Spannwert<br />
der ungefüllten Probe bei 100% Dehnung) verschiedener Füllstoffe in FKM<br />
Abb. 3: Elektrische Leitfähigkeit durch verschiedene Füllstoffe in FKM<br />
Neben der mechanischen Verstärkung kann in FKM auch eine deutliche<br />
Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit durch CNTs erreicht<br />
werden. Schon mit einem sehr geringen Füllstoffgehalt von 2,3 Vol. %<br />
CNTs wird hier die Perkolationsschwelle überschritten (Abbildung 3).<br />
In thermoplastischen Polyurethanen kann ebenfalls eine mechanische<br />
Verstärkung durch CNTs beobachtet werden, allerdings ist<br />
diese nicht so stark ausgeprägt wie in Fluorelastomeren. Abbildung<br />
4 zeigt den Vergleich zwischen CNTs und einem handelsüb-<br />
Abb. 4: Relative Verstärkung<br />
eines TPUs durch<br />
CNTs<br />
Ruß<br />
und hochaktiven<br />
Abb. 5: Elektrische Leitfähigkeit<br />
eines CNT-gefüllten<br />
TPUs in Abhängigkeit<br />
der Verarbeitungsmethode<br />
Kohlenstoffnanoröhren in elastomeren Werkstoffen 11
Kohlenstoffnanoröhren in elastomeren Werkstoffen<br />
12 Kohlenstoffnanoröhren in elastomeren Werkstoffen<br />
lichen hochaktiven Ruß bei geringen Füllgraden, wie sie in einer<br />
Anwendung für TPUs wirtschaftlich wären.<br />
Eine Besonderheit beim Einsatz von CNTs in TPUs ist die starke<br />
Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von der Art der Verarbeitung<br />
der Materialien. Durch starke Scherkräfte während<br />
der Verarbeitung, wie z. B. im Spritzguss wird das ausgebildete<br />
Füllstoffnetzwerk zerstört und eine elektrische Leitung ist nur noch<br />
eingeschränkt möglich. Abbildung 5 illustriert diesen Zusammenhang:<br />
Ein TPU, welches durch Heißpressen verarbeitet wurde,<br />
erreicht bei gleichem Füllgrad eine wesentlich höhere elektrische<br />
Leitfähigkeit als ein TPU aus dem Spritzguss. Laufende Untersu-<br />
chungen zielen darauf ab, dieses Phänomen durch z. B. einen<br />
geänderten Tempervorgang zu umgehen.<br />
Nachdem mit diesen Arbeiten die Grundlagen für die Handhabung<br />
und Verarbeitung von CNTs gelegt wurden und ihr Potential<br />
erkannt ist, hat nun die Suche nach konkreten Anwendungen<br />
begonnen. Derzeit laufen erste Bauteilversuche mit CNT-gefüllten<br />
<strong>Co</strong>mpounds in verschiedenen Geschäftsbereichen im <strong>Freudenberg</strong>-Konzern.<br />
Dieses Projekt wird vom BMBF unter dem Förderkennzeichen<br />
03X0055A gefördert und vom Projektträger Jülich betreut.<br />
Ihre Ansprechpartner:<br />
Dr. Christine Wagner<br />
Elastomere<br />
Tel.: 06201 - 80 57 73<br />
Fax: 06201 - 88 30 63<br />
christine.wagner@<br />
freudenberg.de<br />
Dr. Thorsten Röcker<br />
Polyurethane<br />
Tel.: 06201 - 80 60 10<br />
Fax: 06201 - 88 30 63<br />
thorsten.roecker@<br />
freudenberg.de
Neues von den Senior Scientists<br />
kleben in der Medizintechnik<br />
Kleben ist in der Medizintechnik eine relativ neue Methode, gewinnt<br />
aber zunehmend an Bedeutung. Kanülen, Endoskope, chirurgische<br />
Instrumente und auch medizinische Geräte werden bereits<br />
geklebt. Eine Herausforderung in der Medizintechnik ist, dass<br />
Werkstoffe für den Einsatz am beziehungsweise im Menschen biokompatibel<br />
und steril sein müssen.<br />
biokompatibilität<br />
Für Anwendungen, die im Innern des Menschen zum Einsatz<br />
kommen (z. B. Insulinpumpen, <strong>Co</strong>chlea-Implantate oder Augen-<br />
Innendrucksensoren) müssen die Klebstoffe – neben dem jeweils<br />
gewünschten rheologischen und mechanischen Eigenschaftsprofil<br />
– auch biokompatibel sein. Daher werden heute Klebstoffe mit<br />
entsprechenden Unbedenklichkeitszertifikaten zum Einsatz in der<br />
Medizintechnik verwendet: Es gibt beispielsweise den Nachweis<br />
der Zytotoxizität (DIN EN ISO 10993-5; Prüfungen auf In-vitro-<br />
Zytotoxizität) oder eine Zulassung gemäß USP Class VI (U.S. Pharmacopeia).<br />
Die Auswahl der Klebstoffe für die Medizintechnik ist damit zwar<br />
eingeschränkt, problematischer erweist sich jedoch die Forderung<br />
nach einer ausreichenden Beständigkeit der Klebungen gegenüber<br />
Sterilisationen.<br />
sterilisation<br />
Insbesondere bei mehrfachverwendbaren Produkten, wie etwa<br />
bei chirurgischen Instrumenten, muss geklärt werden, wie sich<br />
Klebstoffe über mehrere Sterilisationszyklen hinweg verändern.<br />
Bei einer Heißdampfsterilisation 1 wird aufgrund der hohen Temperaturen,<br />
die meist weit über der Glasübergangstemperatur der<br />
Klebstoffe liegen und der feuchten Umgebung unter Überdruck erwartet,<br />
dass sich die physikalischen und chemischen Eigenschaften<br />
der Klebverbindung signifikant verändern. Bei einer Sterilisation<br />
mit Ethylenoxid kann eine Änderung im chemischen Aufbau<br />
und damit eine Änderung der physikalischen Eigenschaften der<br />
Klebstoffe auftreten. Nur der Einsatz eines sogenannten Sterrads 2<br />
sollte für wärme- und feuchtigkeitsempfindliche geklebte Instrumente<br />
nicht schädlich sein.<br />
Dr. Michael ballhorn<br />
Schadensanalyse<br />
Tel.: 06201 - 80 35 00<br />
Fax: 06201 - 88 35 00<br />
michael.ballhorn@<br />
freudenberg.de<br />
1 Die Heißdampfsterilisation<br />
erfolgt im Autoklaven mit überhitztem<br />
Wasserdampf (134 °C<br />
/ 2-3 bar / 38 min).<br />
2 Sterrad: Wasserstoffperoxid-<br />
Diffusion in einer Kammer mit<br />
anschließender „Anregung“ der<br />
Wasserstoffperoxid-Moleküle<br />
(Plasma-Phase) in trockener<br />
Umgebung bei niedrigen Temperaturen.<br />
Neues von den Senior Scientists 13
Neues von den Senior Scientists<br />
14 Neues von den Senior Scientists<br />
Von den Klebstoffherstellern werden zur Sterilisationsbeständigkeit<br />
der Klebstoffe oft keine Angaben gemacht.<br />
Zusätzlich können noch bauteilabhängige Belastungen durch die<br />
Sterilisation auftreten. Bei Endoskopen beispielsweise werden<br />
mehrere unterschiedliche optische Gläser zu einem Objektiv verklebt.<br />
Wenn bei der Sterilisation das Endoskop auf 134 °C erhitzt<br />
und dann schlagartig wieder auf Raumtemperatur abgekühlt wird,<br />
dehnen sich diese Gläser unterschiedlich stark aus, was die Klebschichten<br />
aushalten müssen.<br />
beständigkeit in der jeweiligen Anwendung<br />
Außerdem muss geklärt werden, inwiefern die eingesetzten<br />
Klebstoffe durch die Belastungen in der jeweiligen Anwendung<br />
altern: ob und wie sie sich durch den Einfluss von z. B. Körperflüssigkeiten<br />
und Reinigungsmitteln verändern. Lediglich geklebte<br />
chirurgische Instrumente werden nur kurzzeitig im Körper eingesetzt<br />
und eine Belastung der Klebungen während des Einsatzes<br />
durch Kontaminationen mit Körperflüssigkeiten, Mikroorganismen<br />
und ähnlichem ist zu vernachlässigen. Hier wird die Belastung<br />
hauptsächlich durch Feuchtigkeit und Temperatur während der<br />
Sterilisation erfolgen.<br />
Zum Alterungsverhalten der Klebstoffe in der Anwendung können<br />
von den Klebstoffherstellern in der Regel keine Aussagen erhalten<br />
werden.<br />
Anforderungsprofil an klebungen in der Medizintechnik<br />
Abhängig vom Bauteil, dem Einsatzgebiet und den damit verbundenen<br />
Anforderungen werden also spezielle und neue Prüfvorrichtungen<br />
und Modellprüfkörper benötigt, um Klebeverbindungen auf<br />
ihre Eignung für den medizintechnischen Einsatz hin zu testen.<br />
Um eine Systematik in die Untersuchungen an medizintechnischen<br />
Produkten zu bekommen, wurden jetzt im Rahmen des Verbundprojekts<br />
„Kleben in der Medizintechnik“ Anforderungsprofile an<br />
solche Klebungen ermittelt und drei Einsatzgebiete identifiziert.<br />
Tabelle 1 zeigt die Einsatzgebiete mit den jeweiligen Besonderheiten<br />
und den typischerweise zu fügenden Substratmaterialien,<br />
Klebstoffen und Oberflächenvorbehandlungen.
einsatzgebiet Anforderungen / besonderheiten Fügepartner / klebstoffe / Oberflächenvorbehandlung<br />
Spritzen-, Kanülensysteme UV-transparente Fügepartner, kurze Fertigungszeiten,<br />
hohe Stückzahlen, Einwegartikel, Heißdampfsterilisation,<br />
Sterilisation mit Ethylenoxid<br />
optische Klebungen: Endoskope geringe Klebespalte, exakte Positionierung, keine<br />
strukturell zu übertragenden Lasten, Ausgleich<br />
der unterschiedlichen Wärmedehnungen der<br />
Fügepartner, Heißdampfsterilisation, Sterrad,<br />
Spülmaschine<br />
Kleben von chirurgischen Instrumenten<br />
(Scheren, Pinzetten, Zangen)<br />
Kleben unterschiedlicher Werkstoffe, Metall/Metall,<br />
Metall/Kunststoff, Metall/Keramik,…<br />
Strukturelle Klebungen, Einweg- und Mehrweginstrumente,<br />
Heißdampfsterilisation, Spülmaschine<br />
Tabelle 1: Einsatzgebiete der Medizintechnik mit den dazugehörigen Anforderungen und Besonderheiten<br />
Abhängig vom Einsatzgebiet können jetzt die chemische und thermomechanische<br />
Stabilität, die Alterung und der Einfluss von Kontaminationen<br />
von Verklebungen in der Medizintechnik gezielt und<br />
anwendungsnah untersucht werden.<br />
PDL Handbook Series „The Effect of Sterilisation Methods on Plastics and Elastomers“,<br />
(1994), Plastics Design Libary.<br />
Kleben in der Medizintechnik Adhäsion 1-2/2012 S. 43-47<br />
Fügepartner:<br />
Metall, Glas, Kunststoff<br />
Klebstoffe:<br />
UV härtende Klebstoffe<br />
Vorbehandlung:<br />
Reinigung, Aktivierung mittels<br />
Plasma<br />
Fügepartner:<br />
SiO2- und Al2O3-basierte Bauteile<br />
(Glas, Saphir, Quarz, …), Metall<br />
Klebstoffe:<br />
2K-Epoxidharze<br />
Vorbehandlung:<br />
Reinigung, Feinstreinigung Glas<br />
mittels Plasma<br />
Fügepartner:<br />
Metall, Keramik, Kunststoff<br />
Klebstoffe:<br />
2K-Epoxidharze<br />
Vorbehandlung:<br />
Reinigung, Plasma, mechanische<br />
Vorbehandlung<br />
Neues von den Senior Scientists 15
Vorsicht Erfindung (R. Teichgräber)<br />
16 Rubrik: Vorsicht Erfindung
Anmeldungen bitte an:<br />
Frau Ulrike Kast<br />
Tel.: 06201 80 - 28 72<br />
Fax: 06201 88 - 30 63<br />
ulrike.kast@freudenberg.de<br />
Seminare der <strong>Freudenberg</strong> <strong>Forschungsdienste</strong><br />
Ort: <strong>FFD</strong>,<br />
Höhnerweg 2–4,<br />
69465 Weinheim<br />
Gebühr: Euro 1.350,–<br />
zuzügl. MwSt.<br />
Termin: 07. - 08.11.2012<br />
Ort: <strong>FFD</strong>,<br />
Höhnerweg 2–4,<br />
69465 Weinheim<br />
Gebühr: Euro 1.050,–<br />
zuzügl. MwSt.<br />
Termin: 20. - 21.11.2012<br />
F&e-Förderung durch den bund -<br />
nicht rückzahlbare Zuschüsse für Ihr Unternehmen<br />
Zielgruppe: Das Seminar richtet sich an alle Projektleiter, die einen<br />
Förderantrag stellen wollen oder bereits ein F&E-Förderprojekt beantragt/bewilligt<br />
bekommen haben. Angesprochen sind alle, die<br />
ihr Wissen über regelkonforme Abläufe komplettieren wollen und<br />
Entscheidungshilfen benötigen.<br />
Inhalt: Die Teilnehmer erfahren, wie ihr Unternehmen von der F&E-<br />
Förderung des Bundes profitieren kann. Vermittelt werden Kenntnisse<br />
zu den formalen Abläufen von der Vorbereitung einer Skizze<br />
bis zum Projektabschluss inkl. Preisprüfung. Wichtige Elemente<br />
der vorgeschriebenen Kooperationsvereinbarung, z. B. zum<br />
Know-how-Schutz, werden vorgestellt. Die erfahrenen Referenten<br />
geben Tipps aus der Verwaltungspraxis, in der sie zahlreiche F&E-<br />
Fördervorhaben erfolgreich durchgeführt haben.<br />
schadensanalyse an kunststoffbauteilen<br />
Seminarleitung: Dr. Thomas Brümmer, <strong>FFD</strong> / Dr.-Ing. habil. Sonja Pongratz, VW<br />
Das Seminar richtet sich an Ingenieure und Techniker, die ein<br />
grundlegendes Verständnis der Schadensmechanismen bei Kunststoffbauteilen<br />
erwerben und Methoden für eine systematische Ursachenanalyse<br />
kennen lernen möchten. Im Rahmen des Seminars<br />
werden mögliche Ursachen für Schäden an Formteilen und die<br />
bei Schadensanalysen eingesetzten Untersuchungsmethoden vorgestellt.<br />
Die systematische Bearbeitung von Schadensfällen wird<br />
anhand eines Leitfadens aufgezeigt.<br />
Gummi/Metall-bindung<br />
Seminarleitung: Dr. Michael Ballhorn<br />
Das Seminar richtet sich an Ingenieure, Chemiker, Techniker und<br />
Werker des Arbeitsgebiets Gummi/Metall-Bindung. Inhalt: Gummi:<br />
Klassen, Verarbeitung und Bindefähigkeit; Metall: Reinigung,<br />
Vorbehandlung (Strahlen, Beizen, Phosphatieren), Benetzung;<br />
Bindemittel: Zusammensetzung und Wirkungsweise, Applikation,<br />
Adhäsionsmechanismen, Gummi- und Oberflächenanalytik, Vorgehensweise<br />
und Abhilfemaßnahmen bei Schadensfällen, praktische<br />
Demonstration und Übungen.<br />
Anmeldungen bitte an:<br />
Frau S. Heinzelbecker, Tel. 06201 80-5563, Fax 06201 88-5563,<br />
sonja.heinzelbecker@freudenberg.de<br />
Ort: <strong>Freudenberg</strong>,<br />
Bau 23,<br />
Höhnerweg 2-4<br />
69469 Weinheim,<br />
Gebühr: Euro 500,für<br />
<strong>Freudenberg</strong>-<br />
Mitarbeiter,<br />
Euro 750,für<br />
Externe,<br />
jeweils zzgl. MwSt.<br />
Termin: 15.11.2012,<br />
8.45 - 17.00 Uhr<br />
Seminare 17
Ort: FST-Academy<br />
Bau 75<br />
Gebühr: Euro 690,–<br />
Termin: 09./10.10.2012<br />
Ort: FST-Academy<br />
Bau 75<br />
Gebühr: Euro 690,–<br />
Termin: 23./24.10.2012<br />
Ort: FST-Academy<br />
Bau 75<br />
Gebühr: Euro 690,–<br />
Termin: 20./21.11.2012<br />
Ort: FST-Academy<br />
Bau 75<br />
Gebühr: Euro 690,–<br />
Termin: 11./12.12.2012<br />
Ort: <strong>FFD</strong> Bau 32<br />
Gebühr: Euro 690,–<br />
Termine: 18./19.12.2012<br />
Ort: <strong>FFD</strong> Bau 32<br />
Gebühr: Euro 690,–<br />
Termin: 06./07.11.2012<br />
18 Seminare<br />
seminarreihe „elastomerverarbeitung bei <strong>Freudenberg</strong>“<br />
Seminarleitung: Dr.-Ing. Andreas Kammann<br />
Die Seminare wenden sich an technisch oder naturwissenschaftlich<br />
vorgebildete Teilnehmer, insbesondere an neue Mitarbeiter in<br />
Produktion, Entwicklung, Produktmarketing etc. Sie sollen sich mit<br />
Hilfe dieser Seminare schnell und gezielt in das für die meisten<br />
bis dahin unbekannte Gebiet der Elastomere einarbeiten können.<br />
Modul 1: Werkstoffe 1<br />
Grundlagen der Kunststoffchemie; Was ist „Gummi“?; Alterungsschutz<br />
& Füllstoffe; Weichmacher & Verarbeitungshilfen; General<br />
Purpose Rubber; Hochleistungskautschuke & Spezialitäten; Thermoplastische<br />
Elastomere (TPE); Rheologie von Elastomeren.<br />
In Kooperation mit der FST-Academy.<br />
Modul 2: Werkstoffe 2<br />
Dynamisch-mechanisches Verhalten von Kunststoffen; Haftung von<br />
Gummi; praktische Vorführung; Oberflächenmodifizierung & Tribologie;<br />
Flüssig-Silikonkautschuk (LSR); REACH; Chancen & Risiken<br />
der Nanotechnik; Rezeptoptimierung; Technische Thermoplaste<br />
als Metallersatz; Polyurethane.<br />
In Kooperation mit der FST-Academy.<br />
Modul 3: Verfahren 1<br />
Technologie des Mischens; Besichtigung Rohmischwerk, Mischprozess<br />
im Innenmischer; Alternative Mischverfahren; Entwicklung<br />
eines Mischprozesses; Grundlagen der Vulkanisation; die Vulkanisationsverfahren;<br />
Sonderverfahren; TPE-Verarbeitung; Rohlingsvorbereitung;<br />
Prozessdatenerfassung; Heizzeitrechner.<br />
In Kooperation mit der FST-Academy.<br />
Modul 4: Verfahren 2<br />
Weiterverarbeitung nach dem Mischen im Innenmischer; Alternative<br />
Mischverfahren; Ansätze zur Mischprozessoptimierung; Herstellung<br />
von Kautschuk-Bodenbelägen; Prozessoptimierung in der<br />
Elastomerverarbeitung; Endbearbeitung von Gummi-Formteilen;<br />
Energetische Betrachtung der Verarbeitungsprozesse; Rapid Prototyping;<br />
Typische Verarbeitungsfehler; Statistische Versuchsmethodik,<br />
Betriebsdatenerfassung.<br />
In Kooperation mit der FST-Academy.<br />
Modul 5: Produkte<br />
In diesem Seminarmodul werden vorzugsweise von den Entwicklern<br />
der einzelnen Produktbereiche die physikalischen Grund lagen ihrer<br />
Produktgruppen behandelt. Die Teil nehmer erhalten einen breiten<br />
Überblick über die Produktpalette von <strong>Freudenberg</strong> Dichtungs- und<br />
Schwingungstechnik und von TrelleborgVibracoustic.<br />
Modul 6: Werkzeugtechnik & Werkzeugreinigung<br />
Werkzeugstähle, Kaltkanaltechnik, Werkzeugbeschichtungen, Physikalisch-technische<br />
Grundlagen der Werkzeugreinigung, Mikro-<br />
strahlen, Reinigung mit Trockeneis (inkl. praktischer Vorführung),<br />
Reinigung mit Laser (inkl. praktischer Vorführung), Reinigung mit<br />
Ultraschall; Trennmittel für die Elastomerverarbeitung, Grundlagen
Ort: <strong>FFD</strong> Bau 32<br />
Gebühr: Euro 690,–<br />
Termin: 16./17.10.2012<br />
Ort: <strong>FFD</strong> Bau 32<br />
Gebühr: Euro 450,–<br />
Termin: 19.10.2012<br />
Ort: <strong>FFD</strong> Bau 32<br />
Gebühr: Euro 950,–<br />
Termin: 22/23.01.2013<br />
Ort: <strong>FFD</strong> Bau 32<br />
Gebühr: Euro 950,–<br />
Termin: 06./07.12.2012<br />
Ort: <strong>FFD</strong> Bau 32<br />
Gebühr: Euro 450,–<br />
Termin: 16.11.2012<br />
der Werkzeugtechnik, Rapid Tooling, Auslegung von Spritzgießwerkzeugen,<br />
Laserstrukturieren.<br />
Modul 7: Prüfmethoden & Analytik<br />
Statische Prüfmethoden, Dynamische Prüfmethoden, Lebensdauerabschätzung,<br />
Beständigkeitsprüfungen, Kalorische Eigenschaften,<br />
Lichtmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie, Elastomeranalytik,<br />
Schadensanalyse.<br />
seminare zu anderen themen<br />
Seminarleitung: Dr.-Ing. Andreas Kammann<br />
Vom kautschuk zum Gummi – ein einsteigerseminar<br />
Dieses Seminar beantwortet grundsätzliche Fragen zur Elastomerchemie.<br />
Was ist überhaupt Gummi, was ist Kautschuk? Wie wird<br />
aus Kautschuk Gummi? Wieso kommen in eine Gummimischung<br />
so viele unterschiedliche Komponenten rein? Was passiert eigentlich<br />
während der Formgebung und der Vulkanisation? Warum gibt<br />
es so viele unterschiedliche Kautschuke?<br />
Polyurethane – Materialien & Verarbeitung<br />
Grundlagen der Polymerchemie, Rohstoffe für Polyurethane, Verarbeitungstechniken<br />
(Gießen, R<strong>IM</strong>, Spritzguss, Extrusion, Schäumen,<br />
Imprägnieren, …), mechanische und chemische Eigenschaften,<br />
Analytische Untersuchungen.<br />
Praxisseminar: einrichtung einer spritzgießmaschine & Fehlersuche<br />
Das Seminar wendet sich an alle Maschinenbediener, die bereits<br />
erste Erfahrungen in der Elastomerverarbeitung gesammelt haben<br />
und zukünftig durch weitergehendes Prozessverständnis selbstständiger<br />
arbeiten sollen bzw. Einrichteraufgaben übernehmen. Inhalt:<br />
Grundlagen des Elastomerspritzgießens, Praktische Einrichtung einer<br />
Spritzgießmaschine, Fehlererkennung und Abhilfemaßnahmen.<br />
Gewerbliche schutzrechte – Patente, Marken und Geschmacksmuster<br />
Das Seminar wendet sich an alle, die mit Entwicklung und Vertrieb<br />
von technischen Produkten befasst sind (Chemieingenieure,<br />
Chemiker, Ingenieure, technische Fachkräfte, Materialentwickler,<br />
Einkäufer, Verkäufer und Kaufleute). Inhalt: Patente, Gebrauchsmuster,<br />
Marken, Geschmacksmuster, Schutzbereich eines Patents<br />
oder Gebrauchsmusters, Patentstrategie.<br />
Weitere Informationen<br />
zu unseren Seminarangeboten finden Sie jederzeit unter:<br />
www.forschungsdienste.de<br />
Anmeldungen bitte an:<br />
Frau Simone Horn, Tel. 06201 80-4880, Fax 06201 88-3063,<br />
simone.horn@freudenberg.de<br />
Wir behalten uns vor, Anmeldungen von Wettbewerbern der <strong>Freudenberg</strong><br />
Unternehmensgruppe zurückzuweisen.<br />
Seminare 19
Impressum<br />
20<br />
<strong>Freudenberg</strong><br />
<strong>Forschungsdienste</strong><br />
Herausgeber: <strong>Freudenberg</strong> <strong>Forschungsdienste</strong> <strong>SE</strong> & <strong>Co</strong>. <strong>KG</strong>,<br />
D-69465 Weinheim<br />
Redaktionsleitung: Martin Gramlich<br />
Redaktion: Dr. Katharina Müller, Andrea Deis, Ulrike Kast,<br />
Sabrina Lemke, Dr. Christof Schmitz,<br />
Dr. Ulrike Herrlich, Dr. Franka Geiß<br />
Gestaltung: Ehret Design, www.ehretdesign.de<br />
<strong>Freudenberg</strong> <strong>Forschungsdienste</strong> se & co. kG<br />
69465 Weinheim (an der Bergstraße)<br />
Telefon +49(0)6201 80-5123<br />
E-Mail ffd@freudenberg.de<br />
www.forschungsdienste.de