Untersuchung der Metallabscheidung mittels PVD-Verfahren auf PEEK-Monofilamenten zur Bewertung von Einsatzmöglichkeiten als induktiver Sensor (INNO-KOM-Ost  MF 130074)

Abstract

Die Nachfrage nach metallisierten Fadenmaterialien nimmt zu. Gleichzeitig werden immer höhere Anforderungen an diese Materialien hinsichtlich mechanischer Beständigkeit, Waschbarkeit und Preis gestellt. Um die Nachteile der verfügbaren leitfähigen Garnmaterialien zu vermeiden, wird die Metallisierung mit dem Physical Vapor Deposition (PVD)-Verfahren und anschließender Galvanik durchgeführt. Dieses Verfahren bietet gleichzeitig die Möglichkeit, auch andere, bisher nicht metallisierbare Garne mit gleichmäßigen, gut haftenden Metallschichten zu beschichten. Im vorliegenden Projekt wurde PEEK-Monofilament mit Kupfer und Silber metallisiert.

Aufgabenstellung

Die derzeit verfügbaren technischen Lösungen für die Realisierung von Überwachungssystemen für Gurtförderanlagen haben, bedingt durch die mangelnde Flexibilität der verwendeten Draht-Sensoren, nur eine begrenzte Lebensdauer. Daher gibt es Bestrebungen, durch Einsatz von flexibleren Materialien die Zuverlässigkeit und damit die Lebensdauer derartiger Anlagen zu erhöhen. Erste Versuche mit textilbasierten Zuleitungen für die Sensoren waren jedoch nicht erfolgreich, da u.a. die thermischen Eigenschaften der Basisgarne nicht den Anforderungen entsprochen haben. Es wird erwartet, dass leitfähige Garne auf der Basis von thermisch und mechanisch sehr widerstandsfähigen Grundgarnen diese Anforderungen deutlich besser erfüllen können. Die bisher überwiegend in Anwendung gebrachten nasschemischen Metallisierungsverfahren auf Textilien ergeben ungleichmäßige Metallschichten mit Fehlstellen und variierenden Schichtdicken. Für die geplante Anwendung in Form von metallisierten Monofilamenten und zur weiteren Verbesserung der Waschbeständigkeit der Garne sind daher weiterführende Entwicklungsarbeiten zur Applikation defektfreier Metallschichten erforderlich.
Dementsprechend war die Zielsetzung des Forschungsvorhabens die Erarbeitung einer Technologie zur kontinuierlichen Herstellung von gleichmäßigen und haftfesten metallischen Schichten vorwiegend aus Kupfer, aber auch anderen Metallen auf einem Hochleistungsgarn (Poly-Ether-Ether-Keton [PEEK]) für den Einsatz u.a. in Sensorsystemen von Gurtförderanlagen.

Lösungsweg

Nach der Auswahl geeigneter Garnmaterialien folgten zunächst Untersuchungen zur Vorbehandlung. Dazu wurden das Chemical Vapor Deposition (CVD)-Verfahren sowie nasschemische Prozesse untersucht.
In einem zweiten Arbeitsschritt wurden die Parameter für die Vormetallisierung der PEEK- Monofilamente im PVD-Verfahren erarbeitet, um gleichmäßige Metallschichten mit definierten Eigenschaften zu erhalten. Die Magnetron-Sputteranlage des TITV Greiz erlaubt es, Fadenmaterialien in einem kontinuierlichen Verfahren einem plasmagestützten PVD-Prozess auszusetzen und in einem Arbeitsgang mit zwei verschiedenen Metallen nacheinander zu beschichten. Die so metallisierten PEEK-Monofilamente sind die Grundlage für den ebenfalls kontinuierlichen galvanischen Prozess, bei dem die Metallschichten verstärkt werden und somit die Leitfähigkeit auf den erforderlichen Wert erhöht wird.
Für das PVD-Verfahren und die galvanische Metallisierung wurde die Technologie erarbeitet, sodass elektrisch leitfähige Hochleistungsgarne hergestellt werden können. Es werden sehr gleichmäßige Metallschichtdicken erreicht.
 

PEEK-Monofilaments 250 µm mit Cu metallisiert und als Kettgarn eingewebt
Abb. 1: PEEK-Monofilaments 250 µm mit Cu metallisiert und als Kettgarn eingewebt

Anwendungen

Im Ergebnis des Projektes wurden Möglichkeiten zur kontinuierlichen Herstellung leitfähiger Fadenmaterialien auf der Basis von temperatur- und chemikalienbeständigen Polymeren geschaffen. Damit werden aufgrund der qualitativ sehr hochwertigen Metallschichten und der besonderen Grundeigenschaften der verwendeten Hochleistungsgarne die potenziellen Einsatzgebiete metallisierter Garne deutlich erweitert.
Eine erste Anwendung wird das entwickelte Fadenmaterial für Testzwecke als Sensor für die Überwachung von Gurtförderanlagen finden. Auf Grund der erreichten Ergebnisse ist zu erwarten, dass das metallisierte PEEK-Monofilament die Anforderungen an ein Sensorgarn für Gurtförderanlagen erfüllt. Dies betrifft die Flexibilität, die Temperaturbeständigkeit, den erreichten Widerstandsbereich, die Gleichmäßigkeit des elektrischen Widerstands über die Länge und nicht zuletzt die sehr gute Haftung der abgeschiedenen Metallschichten auf der Garnoberfläche.
Durch Auswahl entsprechender Bedingungen für die PVD-Metallisierung können auch sehr dünne Metallschichten abgeschieden werden, deren elektrischer Widerstand dann deutlich höher liegt.
Diese gleichmäßige Hochohmigkeit ist für verschiedene Anwendungen von großem Nutzen. So können hochohmige Fadenmaterialien Basis für die Entwicklung eines in jeder Richtung frei zuschneidbaren Heizgewebes sein.

Ansprechpartner

Dr. Hartmut Vorwieger

 
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