Kunststoffe werden normalerweise gefärbt, mit Additiven versehen und funktionalisiert, damit sie für jede Anwendung die besten Eigenschaften erzielen. Diese sogenannte Compoundierung von Kunststoffbauteilen wird bei hohen Temperaturen durchgeführt – dadurch ist jedoch die Verwendung von wärmeempfindlichen Stoffen wie Pharmazeutika nicht möglich. Sie würden den hohen Temperaturen nicht Stand halten. Darüber hinaus ist bei vielen Kunststoffen eine Beschichtung der Oberfläche erforderlich.

Einen neuen Ansatz verfolgen Forscher des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT in Oberhausen: Sie kombinieren die Vorteile von Compoundierung und Oberflächenbeschichtung, um Kunststoffe mit überkritischem Kohlendioxid zu imprägnieren. »Wir pumpen flüssiges Kohlendioxid in einen Hochdruckbehälter mit den zu imprägnierenden Kunststoffteilen und erhöhen Temperatur und Druck so lange, bis das Gas den überkritischen Zustand erreicht. Anschließend steigern wir den Druck. Teilweise lösen sich Additive, wie Farbstoffe oder pharmazeutische Substanzen, vollständig im Kohelndioxid auf und diffundieren zusammen mit dem Gas in den Kunststoff. Dieser Vorgang dauert nur wenige Minuten«, erläutert Manfred Renner, Abteilungsleiter Leder- und Hochdrucktechnik. In Oberflächen wie Türgriffen können auf diese Weise nach dem Herstellungsprozess nanoskalige Silberpartikel oberflächennah und materialeffizient eingebracht werden, wodurch die Vermehrung von Bakterien gestoppt wird. Mit der neuen Imprägniermethode lassen sich anders als bei der Compoundierung auch wärmeempfindliche Stoffe wie Pharmazeutika einbringen. Gleichzeitig werden Imprägnate wie Pigmente, Nanopartikel oder UV-Stabilisatoren eingespart und dort angereichert, wo sie wirksam sind – in der Nähe der Oberfläche. Kratzer können diese Form der Imprägnierung nicht beeinträchtigen.

Umweltschonendes Imprägnieren mit überkritischem CO₂

Während der Imprägnierung hat das überkritische Kohlendioxid zwei Aufgaben: Es öffnet die polymere Struktur und ermöglicht so einen Stofftransport in die Oberfläche. Außerdem kann es bereits gelöste Additive enthalten und diese zum Zeitpunkt der Druckentspannung in die Polymeroberfläche abscheiden. Das Verfahren birgt großes Potential, denn Kohlendioxid ist nicht brennbar, nicht toxisch und kostengünstig. Es zeigt zwar ein lösemittelähnliches Verhalten, hat aber nicht die Nebenwirkungen der gesundheits- und umweltschädigenden Lösemittel, die beispielsweise beim Lackieren verwendet werden. »Mit unserer Methode lassen sich hochwertige Kunststoffbauteile und Lifestyle-Produkte wie Handyschalen kundenspezifisch ändern. Farbe, Additive und Wirkstoffe werden ohne den Einsatz von aggressiven Lösemitteln umweltschonend weit unterhalb der Schmelztemperatur in oberflächennahe Schichten eingebracht«, erklärt Manfred Renner.

Ob Türklinken, automobile Bedienelemente oder andere Oberflächen, die von vielen verschiedenen Nutzern berührt werden, die Methode findet diverse Einsatzmöglichkeiten und Anwendungen, Bauteile materialeffizient und umweltschonend den Bedürfnissen ihrer Kunden anzupassen.