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2020
Journal Article
Titel
Reibungsreduzierung von Silikon elastomeren mittels VUV-Strahlung
Alternative
Reduction of Friction of Silicone Elastomers via VUV irradiation
Abstract
Silikonelastomere begegnen uns täglich in einer großen Zahl von Anwendungen. Die vorteilhaften Eigenschaften werden allerdings von einer unangenehmen Haptik, hohen Reibwerten und einer hohen Schmutzanfälligkeit der Silikone begleitet. Hohe Reibwerte bedingen schlechte Gleiteigenschaften und führen zu Materialverschleiß. Nach dem Stand der Technik werden die Eigenschaften der Silikonoberflächen über eine Gasphasenfluorierung oder eine zusätzliche Beschichtung verändert, wobei es zum Einbau von Fremdatomen kommt oder die vorteilhaften Eigenschaften des Silikons maskiert werden. Als neuartiger Ansatz wird demonstriert, dass Silikonmaterialien sich auch durch die Bestrahlung mit Vakuum-Ultraviolett (VUV)-Licht in ihrem Eigenschaftsspektrum modifizieren lassen. Durch Bestrahlung mit kurzwelligem Licht unterhalb von 200 nm bei Raumtemperatur und Luftatmosphäre lässt sich oberflächennah eine anorganische SiOx-Schicht erzeugen. Charakteristisch im Vergleich zu anderen physikalischen Methoden ist die strahlungsinduzierte Modifikationstiefe, welche mehrere Mikrometer betragen kann. Oberflächeneigenschaften wie Reibung und Verschleiß, aber auch Haptik und Staubsensitivität können gezielt verändert werden, während die Bulkeigenschaften erhalten bleiben. Einerseits wurde der Effekt der Reibungsreduzierung durch die Bestimmung von Abrutschwinkeln auf verschiedenen Materialien bewertet. Während das unbehandelte Silikon auch bei einem Winkel von 90° noch haftete, konnte durch die VUV-Modifikation eine signifikante Verbesserung auf Abrutschwinkel bis zu 20° erzielt werden. Der Effekt blieb auch nach Alterungsversuchen (Klimawechseltest, Ofenauslagerung, Beständigkeit gegenüber Desinfektionsmittel) erhalten. Andererseits wurden tribologische Messungen an einem Universal Material Tester (UMT3) System durchgeführt. Neben dem standardmäßigen Versuchsaufbau mit oszillierender Ball-on-Plate Kontaktgeometrie wurde der Versuchsaufbau für die im Projekt behandelten Silikonprodukte anwendungsorientiert modifiziert. Dabei konnte gegen einen mit Stoff bespannten Gegenkörper eine Verringerung des Reibungskoeffizienten von 0,9 für das unbehandelte Silikon auf 0,2 für VUV-modifiziertes Silikon erreicht werden. Die Reibwerte der VUV-modifizierten Proben lagen auch unterhalb der Werte für eine CVD-Beschichtung (0,4-0,6), welche als Referenz verwendet wurde. Im Gegensatz zu CVD-beschichteten Proben war bei den VUV-behandelten Proben kein Verschleiß sichtbar. Die Technologie zur VUV-Modifizierung von Silikonen des Fraunhofer IFAM ist unter dem Namen SilMoLight® bekannt.
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Silicones are used in several industries and their surface properties are of special interest. Beside many advantages, silicones have some disadvantages like high dust adherence, high friction and tack. High coefficients of friction lead to bad gliding properties and wear. State of the art to overcome these disadvantages are chemical vapor fluorination or film depositions, which consists of foreign atoms and mask the silicone surface and thereby the desired good properties. Presented here is a light based technique using vacuum ultraviolet (VUV) light to modify the silicone surface. Due to the irradiation with light with wavelengths shorter than 200 nm, a thin inorganic SiOx-film is generated on the surface of a silicone at room temperature and normal atmosphere. In comparison to other physical processes, the radiation induced modification depth of up to several micrometers is characteristic. Surface properties like friction and wear, but also haptics and dust adherence could be selectively changed, whereas the bulk properties of the silicone remain unchanged. On the one hand, the effect of friction reduction was evaluated determining slipping off angles on different materials. While the unmodified silicone stuck even at an angle of 90°, a significant reduction due to the VUV modification to angles down to 20° could be achieved. This effect remained stable against aging tests (climate change test, oven storage, stability test against disinfecting agent). On the other hand, tribological tests on a Universal Material Tester (UMT3) system were performed. Besides the standard experimental setup with an oscillating ball-on-plate contact geometry, the system was application-oriented modified for the silicone products used in the project. Thereby a reduction of the coefficient of friction from 0.9 for the unmodified silicone down to 0.2 for the VUV modified silicone was achieved. The values of the VUV modified samples were lower than for the CVD coating (0.4-0.6), which was used as reference. In comparison to the CVD coated samples, there was no wear visible on the VUV modified samples.