Foulingverhalten zwitterionischer DLC-Oberflächen

• Antragsteller: Professor Dr. Claus-Peter Klages; Professor Dr.-Ing. Stephan Scholl
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 279724133

Im beantragten Vorhaben sollen die Gültigkeit der folgenden zwei Hypothesen zur Bildung von Foulingbelägen auf beschichteten Oberflächen für Anwendungen in der Verfahrenstechnik experimentell überprüft und die daraus gewonnenen Erkenntnisse in einer Modellierung erfasst werden: 1.) Oberflächen von modifizierten diamantähnlichen Kohlenstoffschichten (diamond-like carbon, DLC) zeigen besonders günstiges Foulingverhalten, d.h. besonders geringe Adsorption von Proteinen und Salzen aus übersättigten Lösungen, wenn diese Oberflächen unter Gebrauchsbedingungen gleiche und nicht zu geringe Dichten positiv und negativ geladener funktioneller Gruppen aufweisen (sogenannte zwitterionische Oberflächen). 2.) Schichten mit derartigen Oberflächen lassen sich nicht nur - wie bereits bekannt - durch Plasmamodifizierung nach der Schichtabscheidung erhalten, sondern auch durch Einbau geeigneter Elemente oder Verbindungen während der Deposition wie z.B. von Sauerstoff und Stickstoff oder Schwefeldioxid und Stickstoff. Zur Überprüfung dieser Hypothesen werden DLC-Schichten durch plasma-aktivierte chemische Gasphasenabscheidung präpariert. Unter Gebrauchsbedingungen, d.h. in wässrigen Lösungen von typisch 6 < pH < 8 ionisiert vorliegende funktionelle Gruppen an der Oberfläche werden mittels Einbau von Heteroatomen (O, N, S) durch Zusatz geeigneter Gase oder Dämpfe während der Schichtabscheidung aus niederen Kohlen-wasserstoffen erzeugt. Die so erhaltenen Oberflächen werden physikalisch-chemisch charakterisiert. Insbesondere werden Zeta-Potential und LW-AB-Komponenten der spezifischen freien Oberflächenenergie bestimmt. Schichtzusammensetzungen werden mittels XPS und teilweise EPMA, fouling-relevante funktionelle Gruppen an der Oberfläche primär durch FTIR-ATR-Spektroskopie bestimmt. Die Oberflächen werden nach geeigneter Konditionierung oder Reinigung typischen Fouling- und Reinigungsbedingungen ausgesetzt. Als belagbildende Systeme werden Molkeproteinisolat (WPI) sowie Milchsalze (SMUF) verwendet. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse bilden die Grundlage einer modellmäßigen Beschreibung der Zusammenhänge. Ein vertieftes Verständnis der Wechselwirkungen von Oberfläche, Foulingbelag und Reinigungsmechanismen eröffnet verbesserte Möglichkeiten eines maßgeschneiderten Oberflächendesigns sowie einer angepassten Reinigungsstrategie.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen