Oberflächenmodifikation und Erzeugung antimikrobieller Beschichtungen auf Holz mittels Atmosphärendruckplasma

Gegenstand dieser Arbeit war die Untersuchung antimikrobieller Dünnfilme mit Ag, Cu oder Zn, welche durch Anwendung einer Atmosphärendruck-Plasmatechnologie abgeschieden wurden. Bei der Abscheidung solcher Schichtsysteme ist von Wechselwirkungen zwischen dem Plasma und der Holzoberfläche auszugehen. Um solche Effekte abschätzen zu können wurden Versuche hinsichtlich makroskopischer, mikroskopischer und molekularer Materialeigenschaften durchgeführt. Diese Untersuchungen wurden primär mit dem Ziel durchgeführt, mögliche Wechselwirkungen zwischen dem reaktiven Plasma und Plasmabestandteilen mit der Oberfläche des Holzes besser zu verstehen und in zukünftigen Prozesses gezielt anwenden zu können. Unabhängig von der verwendeten Plasmaquelle und Holzart führten die Behandlungen zu einer verbesserten Benetzbarkeit der Holzoberfläche mit Wasser und zu einer deutlichen Erhöhung der polaren Komponente der Oberflächenenergie. Der Nachweis molekularer Veränderungen wurde durch ATR-FTIR- und XPS-Untersuchungen (einschließlich chemischer Derivatisierung) durchgeführt. Um den Einfluss von Holzinhaltsstoffen und Holzinhomogenitäten zu reduzieren, wurde der Einfluss auf die Holzbestandteile Cellulose und Lignin untersucht. Nach der Plasmabehandlung konnte die Bildung von O-C-Doppelbindungen durch ATR-FTIR für beide Materialien bestätigt werden. Die Bildung von sauerstoffhaltigen, polaren Funktionalitäten auf Cellulose und Lignin konnte auch durch XPSMessungen bestätigt werden. Die chemische Derivatisierung von Cellulose in Kombination mit XPS hat die Bildung von O-C-Doppelbindungen in Verbindung mit dem Abbau von OH-Gruppen aufgezeigt. Ein qualitativ vergleichbarer Behandlungseffekt konnte zwischen Plasma- und Ozonbehandlung nachgewiesen werden; Quantitativ waren die Plasmabehandlungseffekte jedoch deutlich ausgeprägter. Somit kann das vom Plasma gebildete Ozon nicht allein für den Behandlungseffekt verantwortlich sein, und weitere Reaktionsmechanismen müssen in die Interpretation der Ergebnisse einbezogen werden. Untersuchungen zur Abscheidung von SiO2- und TiO2 Schichten haben gezeigt, dass die Prozessparameter exakt angepasst werden müssen. Die Schichtqualität wurde maßgeblich durch die Wahl der chemischen Vorläufer und den Abstand zwischen dem Eintrittspunkt dieser Precursor und dem Substrat bestimmt. REM- und XPS-Untersuchungen bestätigten den Einbau der Elemente Ag, Cu oder Zn in nanopartikulärer Form in die Schichten. Die Abscheidung dieser Schichten auf Holz erzeugte signifikante bakterizide Eigenschaften gegen E. coli. Im Gegensatz dazu war die fungizide Wirkung gering. Durch die Wirkstoffkombination hingegen konnte eine deutliche Steigerung der Schimmelpilz-Mangeleigenschaften erreicht werden. Für mögliche Außenanwendungen und ausreichenden Schutz musste das Eindringen von Wasser in das Holz zusätzlich reduziert werden. Zu diesem Zweck wurden die funktionalisierten Plasmaschichten zusätzlich mit einer Deckschicht versehen. Der Plasmafilm übernahm dabei zwei wesentliche Aufgaben: die Haftung der Deckschicht und die Gewährleistung antimikrobieller Eigenschaften. Insbesondere die Verwendung des SiO2-Films in Verbindung mit einem Primersystem erhöhte die Nassschichthaftung deutlich. Das verwendete Schichtsystem (Plasmafilm + Deckschicht) zeigte sowohl unter künstlicher als auch bei natürlicher Witterung Vorteile gegenüber einem kommerziellen Schichtaufbau (Bläueschutzgrundierung + Decklack). Die Haftung der Deckschicht war nach künstlicher und natürlicher Bewitterung für Plasmaaufbau beständiger. Darüber hinaus zeigte die Plasmagrundierung hinsichtlich der Wirksamkeit des Bläueschutzes unter 11 monatiger natürlicher Bewitterung vergleichbare Eigenschaften im Vergleich zu der kommerziellen Grundierung. Werden die dabei eingesetzten Wirkstoffmengen betrachtet, war die eingebrachte Menge bei der Plasmagrundierung um einen Faktor von schätzungsweise 100-mal geringer als bei der Standardgrundierung. Die im Holzschutz eingesetzten Biozide verursachen hohe Kosten und sind gesundheits- und umweltschädigend. Vom Gesetzgeber wird deshalb gefordert, biozidfreie Alternativen anzuwenden bzw. Maßnahmen zur Minimierung des Biozideinsatzes zur ergreifen. In Folge dessen könnten mit Blick auf eine mögliche Anwendung die hohen Kosten des Einsatzes biozider Stoffe reduziert werden, eine Reduktion der Wirkstoffmenge aber auch zum Umweltschutz und zu einer höheren Akzeptanz bei Verbrauchern beitragen.:Abkürzungsverzeichnis IX Tabellenverzeichnis XI Abbildungsverzeichnis XII 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Zielstellung 2 1.3 Holz und Holzschutz 3 1.3.1 Aufbau und Bestandteile 3 1.3.2 Holzschädigung 4 1.3.3 Mikroorganismen 6 1.3.4 Holzschutz 7 1.4 Plasma 8 1.5 Technische Erzeugung kalter Atmosphärendruckplasmen 9 1.5.1 Atmosphärendruckplasmabehandlung von Holz und Holzbestandteilen 12 1.6 Schichtabscheidung mittels Atmosphärendruckplasma 15 1.6.1 Plasmapolymerisation und Schichtwachstum 16 1.6.2 Funktionelle Beschichtungen 17 1.6.3 Antimikrobielle Oberflächen 19 2 Material und Methoden 22 2.1 Geräte und Verbrauchsmaterial 22 2.2 Plasmaquellen 25 2.2.1 Behandlung 26 2.2.2 APP-CVD und Precursordosierung 27 2.3 Ozonbehandlung 28 2.4 Precursorauswahl 29 2.5 Instrumentelle Analytik 30 2.5.1 Kontaktwinkel und Oberflächenenergie 30 2.5.2 pH-Wert-Messung 32 2.5.3 Schichtdickenmessung 32 2.5.4 Fourier Transform Infrarot Spektroskopie (FT-IR) 33 2.5.5 Rasterelektronenmikroskopie (REM) 34 2.5.6 Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) 35 2.6 Antimikrobielle Untersuchungen 39 2.6.1 BacTiter-Glo® 39 2.6.2 Plattenzählverfahren (KbE-Test) 41 2.6.3 Schimmelpilzbeständigkeit nach DIN EN 60068-2-10 41 2.6.4 Bläuebeständigkeit nach DIN EN 152:2012 42 2.7 Lackhaftung 43 2.7.1 Gitterschnittprüfung nach ISO 2409:2013 43 2.7.2 Künstliche Bewitterung nach EN 927-6 44 2.7.3 Freibewitterung nach EN 927-3 44 2.7.4 Farbveränderung 44 3 Einfluss von Plasma auf Holz 45 3.1 Charakteristika von Plasmaquelle und Material 45 3.2 Makroskopische Veränderungen 47 3.2.1 Kontaktwinkel- und Oberflächenenergiebestimmung 47 3.2.2 Allgemeiner Einfluss durch Atmosphärendruckbehandlung 52 3.2.3 Einfluss Substratmaterial auf Behandlungseffekt 54 3.2.4 Alterung und Extraktstoffeinfluss /Harzanteil 55 3.2.5 Einfluss Plasmasystem 57 3.2.6 Benetzbarkeit nach Ozonbehandlung 60 3.2.7 Einfluss von Plasmabeschichtungen 61 3.3 Änderung pH-Wert 63 3.5 Molekulare Veränderungen 65 3.5.1 ATR-FTIR an Textilzellstoff und Lignin 66 3.5.2 XPS: Sauerstoff/Kohlenstoff-Verhältnis 69 3.5.3 XPS: Nutzung der chemischen Derivatisierung 72 3.5.4 C1s-Detailspektren Textilzellstoff 79 3.5.5 C1s-Detailspektren Lignin 81 3.6 Fazit 86 4 Funktionelle Beschichtungen 87 4.1 Siliziumoxid- und Titanoxidmatrixschichten 87 4.2 Erweiterte Funktionalisierung (Kompositbeschichtungen) 89 4.3 Antimikrobielle Eigenschaften 94 4.4 Plasmagrundierung 103 4.4.1 Lackhaftung 103 4.4.2 Schichtleistung: Wasseraufnahme 107 4.4.3 Schichtleistung: künstliche und natürliche Bewitterung 107 4.4.4 Schichtleistung: antimikrobielle Wirkung 110 4.5 Fazit 112 5 Zusammenfassung 114 6 Ausblick 118 Literaturverzeichnis nach IEEE 11

Production Engineering and Management

The annual International Conference on Production Engineering and Management takes place for the sixth time his year, and can therefore be considered a well - established event that is the result of the joint effort of the OWL University of Applied Sciences and the University of Trieste. The conference has been established as an annual meeting under the Double Degree Master Program ‘Production Engineering and Management’ by the two partner universities. The main goal of the conference is to provide an opportunity for students, researchers and professionals from Germany, Italy and abroad, to meet and exchange information, discuss experiences, specific practices and technical solutions used in planning, design and management of production and service systems. In addition, the conference is a platform aimed at presenting research projects, introducing young academics to the tradition of Symposiums and promoting the exchange of ideas between the industry and the academy. Especially the contributions of successful graduates of the Double Degree Master Program ‘Production Engineering and Management’ and those of other postgraduate researchers from several European countries have been enforced. This year’s special focus is on Direct Digital Manufacturing in the context of Industry 4.0, a topic of great interest for the global industry. The concept is spreading, but the actual solutions must be presented in order to highlight the practical benefits to industry and customers. Indeed, as Henning Banthien, Secretary General of the German ‘Plattform Industrie 4.0’ project office, has recently remarked, “Industry 4.0 requires a close alliance amongst the private sector, academia, politics and trade unions” in order to be “translated into practice and be implemented now”. PEM 2016 takes place between September 29 and 30, 2016 at the OWL University of Applied Sciences in Lemgo. The program is defined by the Organizing and Scientific Committees and clustered into scientific sessions covering topics of main interest and importance to the participants of the conference. The scientific sessions deal with technical and engineering issues, as well as management topics, and include contributions by researchers from academia and industry. The extended abstracts and full papers of the contributions underwent a double - blind review process. The 24 accepted presentations are assigned, according to their subject, to one of the following sessions: ‘Direct Digital Manufacturing in the Context of Industry 4.0’, ‘Industrial Engineering and Lean Management’, ‘Management Techniques and Methodologies’, ‘Wood Processing Technologies and Furniture Production’ and ‘Innovation Techniques and Methodologies

Strategien zur Vermeidung von Kratzern in intrinsisch weichen Lackschichten

In dieser Arbeit wurden grundlegende Forschungen auf dem Gebiet der wässrigen Polyurethandispersionen mit dem Ziel der Vermeidung von Mikroverkratzungen geleistet. Es sollte gezeigt werden, dass dieses Themengebiet nicht nur industrielles, sondern wissenschaftliches Interesse weckt. Teile des enormen Potentials und Facettenreichtums werden an dieser Stelle angesprochen. Wässrige Polyurethandispersionen eignen sich hervorragend als Trägermaterial für die verschiedensten anorganischen Füllstoffe oder können durch geschickte Modifikation des Polymergerüsts selbst zum Funktionsträger werden. Diese Konzepte werden aufgegriffen, um die Entwicklung innovativer Produkte auf Basis der Polyurethandispersionen voranzutreiben

Development of high performance fire protection systems to protect wood under fully developed fire conditions against ignition

Im Rahmen der Arbeit wurde eine Hochleistungsbrandschutzbeschichtung entwickelt, die eine brandschutztechnisch wirksame Kapselung von Bauteilen aus Holz und Holzwerkstoffen ohne zusätzliche Plattenbekleidung ermöglicht. Dazu waren Prüfmethoden zu erarbeiten, um die Eigenschaften neuer chemischer Entwicklungsschritte schnell und mit geringem Aufwand als geeignet bzw. ungeeignet klassifizieren zu können. Weiterhin wurde ein vereinfachtes physikalisches Modell entwickelt. Mit den entwickelten Prüfmethoden wurde eine Vielzahl von Untersuchungen durchgeführt. Die Analyse der Ergebnisse erfolgte mittels des vereinfachten physikalischen Modells. Sie bildete die Grundlage für weitere chemische Entwicklungsarbeiten. Erfolgversprechende Formulierungen wurden in anwendungsspezifischen Brandversuchen weiter untersucht. Darauf aufbauend wurden Untersuchungen zur Systemrelevanz von Konstruktionen im Realmaßstab durchgeführt. Anschließend wurde die klimatische Beständigkeit der Systeme beurteilt und verbessert. Weiterhin wurden zusätzliche Energieverbrauchende Reaktionen und Möglichkeiten zur Stabilisierung der Schutzschichten untersucht, mit dem Ziel die brandschutztechnische Leistungsfähigkeit zu steigern.This document describes the development of a high performance fire protection coating. This coating should substitute a fire safety cladding without the use of any additional gypsum boards. To achieve this goal it was necessary to develop testing methods which were able to classify the properties of the single chemical development steps fast and efficiently. Additional a physical model was described. The developed physical model was used to analyse the results gained through the tests. This formed the basis for the further chemical research work. Promising coating formulation were examined in specific furnace test under consideration of the application. Building upon these studies the systematic relevance of real constructions was investigated. Afterwards the climatic durability was discussed and enhanced. Furthermore endergonic reactions and ideas to stabilise the protection layer were evaluated to enhance the overall performance of the system