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Funktionalisierung von Papieroberflächen am Beispiel antimikrobieller Ausrüstung

Ziel des Projekts SWAMpaper war die Entwicklung einer verfahrenstechnischen Vorgehensweise zur permanenten, nachhaltigen Funktionalisierung von Papieroberflächen mit dünnen, adaptiven Polymerfilmen am Beispiel antimikrobieller Ausrüstung. Neben dem Nachweis der Funktion der Polymerschichten war die Integrierbarkeit der Oberflächenmodifizierung in schnelle technische Druckprozesse ein Hauptanliegen des Projekts.

Um die generelle Funktionalisierung von Papieren mittels nanoskaliger Polymerfilme zu untersuchen, wurden Cellulosemodellsubstrate auf Siliciumwafern im ersten Schritt entwickelt. Nach erfolgreicher Generierung dieser Schichten konnten im nächsten Schritt herkömmliche smarte Polymerbeschichtungen auf Cellulose präpariert werden und ihre Eignung als Modell für Papier am Beispiel des pH-sensitiven Polymers Poly(2-vinylpyridin) nachgewiesen werden.

In enger Absprache mit den Mitgliedern des Projekt begleitenden Ausschusses wurden drei neue Polymere entwickelt und so konfektioniert, dass ihre Anbindung auf Papieren unter den Bedingungen technischer Prozesse möglich ist. Dazu wurden thermische wie auch UV-induzierte Anbindungen untersucht. Es konnte im Vergleich zu herkömmlichen Polymerbeschichtungen die Beschichtungszeit von 16 h auf 5 s, die Pfropfungstemperatur von 150 °C auf Raumtemperatur und die Anzahl der Beschichtungsschritte von >3 auf 1 reduziert werden.

Mittels der spektroskopischen in situ Ellipsometrie konnte die Proteinresistenz der Schichten nachgewiesen werden, was eine Grundvoraussetzung für non-fouling Schichten ist. Die Verminderung der Zelladhäsion im Vergleich zu unmodifizierten Vergleichsproben konnte anhand eines Gram-positiven (Bacillus Subtilis) und Gram-negativen Bakteriums (Escherichia coli) sowie eines Hefepilzes (Saccharomyces cerevisiae) gezeigt werden.

Mittels Druck- und Sprühapplikation wurden ausgewählte Polymersysteme nachfolgend auf reale Papiersubstrate übertragen und hinsichtlich ihrer Verteilung und Wirksamkeit analysiert.

Das Ziel der permanenten Funktionalisierung von Papieroberflächen mit dünnen Polymerfilmen wurde erreicht. Es gelang die Generierung einer smarten pH-schaltbaren sowie einer non-fouling Polymerschicht auf Papier. Daneben ist der Prozess der Polymerschichtapplikation durch das Design speziell angepasster Polymere an technische Druckverfahren angepasst worden. Im Zuge der Papierprüfung war festzustellen, dass die existierenden Methoden zum Nachweis passiver anti-fouling-Beschichtungen speziell auf porösen und topografisch anspruchsvollen Materialien noch erheblich weiterentwickelt werden müssen.

Das Forschungsvorhaben IGF 18696 BR der AiF-Forschungsvereinigung PTS wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt. Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen der Papier- und Zulieferindustrie für die Unterstützung der Arbeiten.