Werkstoffmodifikation

Elektronenstrahlbehandlung von Saatgut.
© Fraunhofer FEP

Elektronenstrahlbehandlung von Saatgut.

Neben der prinzipiell hohen Ortsauflösung der Elektronenstrahlbearbeitung bietet diese darüber hinaus durch die hohe Energie und den Teilchencharakter weitere Möglichkeiten in der Werkstoffbearbeitung. Am Fraunhofer FEP wird seit vielen Jahren der Elektronenstrahl genutzt, um kontrolliert chemische und biologische Wirkungen an Materialoberflächen zu erzielen. Eine bereits am Markt etablierte Methode ist das Saatgutbeizen mittels niederenergetisch beschleunigter Elektronen, bei dem die DNA der Schädlinge zerstört wird.

Mithilfe von niederenergetisch beschleu­nigten Elektronen lassen sich auch Ober­flächen von Medizinprodukten (Implantate, Geräte), Verpackungen, Lebensmittel und Futtermittel sterilisieren bzw. desinfi­zieren. Selbst empfindliche Materialien und Produkte können mit der umweltfreund­lichen und materialschonenden Technologie innerhalb von Millisekunden bis Sekunden effizient desinfiziert oder sterilisiert werden. Die Proben können dabei unter Atmosphä­rendruck bearbeitet werden und behalten ihre Formstabilität sowie ihre produktspezi­fischen Eigenschaften. Der Elektronenstrahl kann dabei auch durch Verpackungen hindurch die Produktoberfläche sterilisieren, was Sterilisationsprozesse deutlich verein­facht.

Im Gegensatz zu anderen Sterilisations­verfahren, die mit Bestrahlung arbeiten, benötigt die Sterilisation/Desinfektion mit niederenergetischen Elektronen (bis max. 300 keV) nur eine einfache, lokale Strahlungsabschirmung. Das macht diese Technologie kompakt und leicht in be­stehende Prozessketten in-line integrierbar. Auch eine mobile Anwendung ist hierbei denkbar und am Beispiel des Saatgutbeizens bereits erfolgreich durchgeführt worden.

Zusätzlich wirken oberflächenmorphologische als auch energetische Charakteristika der bakteriellen Adhäsion entgegen, das heißt: Keime können sich gar nicht erst an der Oberfläche anlagern. Diese Strategie wird auch bei der Oberflächenmodifizierung von Beschichtungen mittels nicht-thermischer Elektro­nenstrahltechnologie genutzt, wodurch die Adhäsionseigenschaften von Oberflächen gezielt angepasst werden können. 

Darüber hinaus bietet der Elektronenstrahl als sehr flexibles Werkzeug besonders bei der Behandlung von Kunststoffen eine Fülle von Modi­fikations- und Variationsmöglichkeiten. Am Fraunhofer FEP können durch niederenergetisch beschleunigte Elektronenstrahlen Oberflächen sterilisiert, vernetzt oder anderweitig modi­fiziert (funktionalisiert) werden. Dies wird durch Veränderungen der Prozessparameter möglich. So führt eine Änderung der Beschleuni­gungsenergie zu unterschiedlichen Eindringtiefen der Elektronenstrahlen in das Material, eine Differenzierung der eingestrahlten Energiedosis in Zeit und Menge zu unterschiedlichen Prozessen im Substrat. Zuführung von Reaktivgasen oder reaktiven Precursoren bzw. die Kopplung mit anderen Beschichtungsverfahren, wie der physi­kalischen Gasphasenabscheidung (PVD), erlaubt die Abscheidung von Deckschichten sowie chemische Modifikationen an der Oberfläche. Die Elektronenstrahlmodifizierung von Kunststoffen dient vor allem einer Ver­besserung der Haftung auf Oberflächen. Besonders in der Druckindustrie beim Auftragen von Tinten, beim Compoundieren von Polymergranulaten oder beim Aufbrin­gen von Barriereschichten für unterschied­lichste Anwendungen auf Plastikfolien ist eine optimale Haftung von entscheidender Bedeutung. 

Synthetische oder biopolymere Kunststoffe können in ihren Eigenschaften an Oberflä­chen und Randschichten gezielt verändert werden. Die Modifikation folgender Materialeigen­schaften ist am Fraunhofer FEP möglich:

  • mechanische Festigkeitswerte (Härte, Dehnung, E-Modul, Biegesteifig­keit, Kerbschlagzähigkeit, Schmelzindex)

  • Quell- und Löseverhalten

  • Oberflächentopographie (glatt, rau)

  • Benetzungsverhalten

  • Oberflächenreaktivität durch Einbringen chemisch reaktiver Gruppen oder Grafting reaktiver Komponenten

  • Haftvermögen von organischen Beschich­tungen durch Co-Vernetzung von Schicht und Substrat

  • Ergänzend können funktionelle Beschich­tungen die Materialeigenschaften ändern.

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Dipl.-Phys. Frank-Holm Rögner

Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP
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