Entwicklung eines semi-empirischen Modells zur Beschreibung der temperaturabhängigen Permeationsmechanismen durch plasmapolymerisierte Barriereschichten

• Antragsteller: Professor Dr. Rainer Dahlmann
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 542661390

Bedingt durch ihre molekulare Struktur weisen Kunststoffe eine vergleichsweise hohe Durchlässigkeit für Gase und Dämpfe auf, die für bestimmte Anwendungen wie Lebensmittelverpackungen oder der Einhausung von Elektronik reduziert werden muss. Es wurden unterschiedliche Methoden entwickelt, um eine Barrierewirkung zu erzielen, zum Beispiel durch den Einsatz von Mehrschichtfolien mit Barrierematerialien wie Ethylenvinylalkohol (EVOH) oder durch die Verwendung von Sauerstoffabsorbern. Die meisten dieser Barrieretechnologien erfordern jedoch große Mengen an Zusatzstoffen, sodass das Produkt nicht mehr aus einem Monomaterial besteht. Das Aufbringen von Plasma-Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD)-Barriereschichten erfordert hingegen nur geringe Mengen an Fremdstoffen, sodass das Produkt hinsichtlich seiner Recyclingfähigkeit weiterhin als Monomaterial betrachtet und somit deutlich besser recycelt werden kann. PECVD-Barriereschichten werden bis heute meist empirisch und auf Erfahrungswerten basiert entwickelt. Eine präzise Einstellung der Permeation erfordert einen systematischen Entwicklungsprozess für Beschichtungen, bei dem die wesentlichen Mechanismen des Stofftransports berücksichtigt werden. Zudem können Schichtentwicklungsprozesse dadurch nachhaltiger gestaltet werden, da der Energieverbrauch und der Einsatz von Reaktionsmitteln reduziert werden. Das beantragte Forschungsvorhaben setzt hier an. Die Beschreibung der Permeation durch defektbehaftete Dünnschichten war bisher auf Defekte im µm-Bereich begrenzt – Defekte im nm-Bereich wurden aufgrund ihrer geringen Größe bisher kaum betrachtet, obwohl ihre Bedeutung schon länger bekannt ist. Die Untersuchung dieser Poren ist mittlerweile mithilfe der Positronen-Annihilations-Spektroskopie (PAS) möglich und wurde erfolgreich eingesetzt. Daher scheint es folgerichtig, mithilfe von PAS-Daten ein Modell zur Beschreibung der Permeationsvorgänge zu entwickeln. Dazu werden PECVD-Schichten mit unterschiedlichen Porositäten erzeugt und charakterisiert. Basierend auf den Daten werden Porenstrukturen erzeugt, um ein geometrisches Modell der Schicht zu erhalten. Neben der Porosität wird zudem das temperaturabhängige Permeationsverhalten unterschiedlicher Gase betrachtet, da so Rückschlüsse auf die Interaktion der Gase mit der Schicht gezogen werden können. Anhand des geometrischen Modells werden unterschiedliche Sorptions- und Diffusionsmechanismen untersucht, um unter Berücksichtigung der gemessenen Stofftransportraten eine geeignete Beschreibung der Permeationsvorgänge zu finden. So soll die virtuelle Optimierung von Schichteigenschaften ermöglicht werden, die dann auf reale Systeme übertragen werden können. Die erfolgreiche Umsetzung eines solchen Modells bietet eine Grundlage für die weitere Erforschung der Permeationsmechanismen bei reduziertem Zeit- und Ressourceneinsatz.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen