DE102016206009B4 - Process for coating a substrate - Google Patents
Process for coating a substrate Download PDFInfo
- Publication number
- DE102016206009B4 DE102016206009B4 DE102016206009.0A DE102016206009A DE102016206009B4 DE 102016206009 B4 DE102016206009 B4 DE 102016206009B4 DE 102016206009 A DE102016206009 A DE 102016206009A DE 102016206009 B4 DE102016206009 B4 DE 102016206009B4
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- plasma
- precursor
- working gas
- nozzle
- plasma jet
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
- C23C16/50—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges
- C23C16/513—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges using plasma jets
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
- C23C16/30—Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
- C23C16/455—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for introducing gases into reaction chamber or for modifying gas flows in reaction chamber
- C23C16/45595—Atmospheric CVD gas inlets with no enclosed reaction chamber
Abstract
Verfahren zum Beschichten eines Substrats, wobei aus einem Arbeitsgas (AG) ein Plasmastrahl (PS) erzeugt wird, wobei mindestens ein erster Precursor (P1) dem Arbeitsgas (AG) und/oder dem Plasmastrahl (PS) zugeführt und im Plasmastrahl (PS) zur Reaktion gebracht wird, wobei bei dieser Reaktion entstehende oxidische Reaktionsprodukte auf einer Oberfläche des Substrats zur Ausbildung einer oxidischen Schichtmatrix abgeschieden werden, wobei mindestens ein zweiter, aminofunktionalisierter Precursor (P2) dem Arbeitsgas (AG) und/oder dem Plasmastrahl (PS) zugeführt und im Plasmastrahl (PS) zur Reaktion gebracht wird, wobei bei dieser Reaktion entstehende aminogruppenhaltige Reaktionsprodukte als Plasmapolymere mit der oxidischen Schichtmatrix zur Bildung einer Mischschicht abgeschieden werden, wobei der erste Precursor (P1) und/oder der zweite Precursor (P2) dem Plasmaprozess über eine Y-Düse (YD) oder eine Remote-Düse (RD) oder eine Kombi-Düse (KD) zugeführt werden.A method for coating a substrate, a plasma jet (PS) being generated from a working gas (AG), at least one first precursor (P1) being supplied to the working gas (AG) and / or the plasma jet (PS) and in the plasma jet (PS) for Reaction is brought, with oxidic reaction products arising during this reaction being deposited on a surface of the substrate to form an oxidic layer matrix, with at least one second, amino-functionalized precursor (P2) being supplied to the working gas (AG) and / or the plasma jet (PS) and in the Plasma jet (PS) is made to react, with reaction products containing amino groups being deposited as plasma polymers with the oxidic layer matrix to form a mixed layer, with the first precursor (P1) and / or the second precursor (P2) being added to the plasma process via a Y Nozzle (YD) or a remote nozzle (RD) or a combination nozzle (KD).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats.The invention relates to a method for coating a substrate.
Schichten und Oberflächen, die für den Einsatz in einer biologischen Umgebung geeignet sind, können mittels plasmabasierender Verfahren der Oberflächentechnik hergestellt werden. In neueren Veröffentlichungen liegt ein Hauptaugenmerk der Untersuchungen in der Erzeugung funktionalisierter Oberflächen mit Hilfe von Plasmapolymerbeschichtungen, welche die Immobilisierung bzw. die Absorption von biologisch aktiven Molekülen an der Schicht ermöglichen.Layers and surfaces that are suitable for use in a biological environment can be produced using plasma-based surface technology processes. In more recent publications, the main focus of the investigations is the creation of functionalized surfaces with the help of plasma polymer coatings, which enable the immobilization or absorption of biologically active molecules on the layer.
Hierzu sind folgende Veröffentlichungen bekannt:
-
K. S. Siow, L. Britcher, S. Kumar und H. J. Griesser, „Plasma Methods for the Generation of Chemically Reactive Surfaces for Biomolecule Immobilization and Cell Colonization-A Review,“ Plasma processes and polymers, Bd. 3, Nr. 6-7, pp. 392-418, 2006 -
D. Merche, N. Vandencasteele und F. Reniers, „Atmospheric plasmas for thin film deposition: A critical review,“ Thin Solid Films, Bd. 520, Nr. 13, pp. 4219-4236, 2012 -
B. Finke, K. Schröder und A. Ohl, „Structure retention and water stability of microwave plasma polymerized films from allylamine and acrylic acid,“ Plasma Processes and Polymers, Bd. 6, Nr. S1, pp. S70-S74, 2009 -
F. Reno, D. D'Angelo, G. Gottardi, M. Rizzi, D. Aragno, G. Piacenza, F. Cartasegna, M. Biasizzo, F. Trotta und M. Cannas, „Atmospheric Pressure Plasma Surface Modification of Poly (D, L-lactic acid) Increases Fibroblast, Osteoblast and Keratinocyte Adhesion and Proliferation,“ Plasma Processes and Polymers, Bd. 9, Nr. 5, pp. 491-502, 2012 -
K. Lachmann, M. C. Rehbein, M. Jänsch, M. Thomas und C.-P. Klages, „Deposition of Thermoresponsive Plasma Polymer Films from N-Isopropylacrylamide Using Dielectric Barrier Discharge at Atmospheric Pressure,“ Plasma Medicine, Bd. 2, Nr. 1-3, 2012 -
H. Aizawa, Y. Gokita, Y. Yoshimi, T. Hatta, S. M. Reddy und S. Kurosawa, „Synthesis and characterization of organic thin film using atmosphericpressure plasma polymerization,“ Sensors and Materials, Bd. 22, Nr. 7, pp. 337-345, 2010 -
A. Vogelsang, A. Ohl, R. Foest, K. Schröder und K.-D. Weltmann, „Deposition of thin films from amino group containing precursors with an atmospheric pressure microplasma jet,“ Plasma Processes and Polymers, Bd. 8, Nr. 1, pp. 77-84, 2011 -
J.-C. Ruiz, A. St-Georges-Robillard, C. Theresy, S. Lerouge und M. R. Wertheimer, „Fabrication and Characterisation of Amine-Rich Organic Thin Films: Focus on Stability,“ Plasma Processes and Polymers, Bd. 7, Nr. 9-10, pp. 737-753, 2010 -
M. Schnabelrauch, R. Wyrwa, H. Rebl, C. Bergemann, B. Finke, M. Schlosser, U. Walschus, S. Lücke, K.-D. Weltmann und J. B. Nebe, „Surface-coated polylactide fiber meshes as tissue engineering matrices with enhanced cell integration properties,“ International Journal of Polymer Science, Bd. 2014, 2014
-
KS Siow, L. Britcher, S. Kumar and HJ Griesser, "Plasma Methods for the Generation of Chemically Reactive Surfaces for Biomolecule Immobilization and Cell Colonization-A Review," Plasma processes and polymers, Vol. 3, No. 6-7, pp. 392-418, 2006 -
D. Merche, N. Vandencasteele and F. Reniers, "Atmospheric plasmas for thin film deposition: A critical review," Thin Solid Films, Vol. 520, No. 13, pp. 4219-4236, 2012 -
B. Finke, K. Schröder and A. Ohl, "Structure retention and water stability of microwave plasma polymerized films from allylamine and acrylic acid," Plasma Processes and Polymers, Vol. 6, No. S1, pp. S70-S74, 2009 -
F. Reno, D. D'Angelo, G. Gottardi, M. Rizzi, D. Aragno, G. Piacenza, F. Cartasegna, M. Biasizzo, F. Trotta and M. Cannas, “Atmospheric Pressure Plasma Surface Modification of Poly (D, L-lactic acid) Increases Fibroblast, Osteoblast and Keratinocyte Adhesion and Proliferation, “Plasma Processes and Polymers, Vol. 9, No. 5, pp. 491-502, 2012 -
K. Lachmann, MC Rehbein, M. Jänsch, M. Thomas and C.-P. Klages, "Deposition of Thermoresponsive Plasma Polymer Films from N-Isopropylacrylamide Using Dielectric Barrier Discharge at Atmospheric Pressure," Plasma Medicine, Vol. 2, No. 1-3, 2012 -
H. Aizawa, Y. Gokita, Y. Yoshimi, T. Hatta, SM Reddy and S. Kurosawa, "Synthesis and characterization of organic thin film using atmospheric pressure plasma polymerization," Sensors and Materials, Vol. 22, No. 7, pp 337-345, 2010 -
A. Vogelsang, A. Ohl, R. Foest, K. Schröder and K.-D. Weltmann, "Deposition of thin films from amino group containing precursors with an atmospheric pressure microplasma jet," Plasma Processes and Polymers, Vol. 8, No. 1, pp. 77-84, 2011 -
J.-C. Ruiz, A. St-Georges-Robillard, C. Theresy, S. Lerouge and MR Wertheimer, "Fabrication and Characterization of Amine-Rich Organic Thin Films: Focus on Stability," Plasma Processes and Polymers, Vol. 7, No. 9 -10, pp. 737-753, 2010 -
M. Schnabelrauch, R. Wyrwa, H. Rebl, C. Bergemann, B. Finke, M. Schlosser, U. Walschus, S. Lücke, K.-D. Weltmann and JB Nebe, "Surface-coated polylactide fiber meshes as tissue engineering matrices with enhanced cell integration properties," International Journal of Polymer Science, Vol. 2014, 2014
Aus der
Aus der
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zur Beschichtung eines Substrats anzugeben.The invention is based on the object of specifying an improved method for coating a substrate.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The object is achieved according to the invention by a method having the features of claim 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous refinements of the invention are the subject matter of the subclaims.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Beschichten eines Substrats wird aus einem Arbeitsgas ein Plasmastrahl erzeugt, wobei mindestens ein erster Precursor dem Arbeitsgas und/oder dem Plasmastrahl zugeführt und im Plasmastrahl zur Reaktion gebracht wird, wobei bei dieser Reaktion entstehende oxidische Reaktionsprodukte auf einer Oberfläche des Substrats zur Ausbildung einer oxidischen Schichtmatrix abgeschieden werden, wobei mindestens ein zweiter, aminofunktionalisierter Precursor dem Arbeitsgas und/oder dem Plasmastrahl zugeführt und im Plasmastrahl zur Reaktion gebracht wird, wobei bei dieser Reaktion entstehende aminogruppenhaltige Reaktionsprodukte als Plasmapolymere mit der oxidischen Schichtmatrix zur Bildung einer Mischschicht abgeschieden werden. Somit wird ein ineinander verwobenes Mischschichtsystem hergestellt.In a method according to the invention for coating a substrate, a plasma jet is generated from a working gas, at least one first precursor being supplied to the working gas and / or the plasma jet and being reacted in the plasma jet, with oxidic reaction products arising during this reaction on a surface of the substrate for the Training a oxidic layer matrix are deposited, at least one second, amino-functionalized precursor being fed to the working gas and / or the plasma jet and reacted in the plasma jet, with reaction products containing amino groups being deposited as plasma polymers with the oxidic layer matrix to form a mixed layer. This creates an interwoven mixed layer system.
Die so abgeschiedene Schicht dient als chemisch reaktive Basis für die Immobilisierung von biologisch aktiven Molekülen, ist somit als biokompatible Oberfläche geeignet. Gegebenenfalls kann eine verbesserte Zelladhäsion erreicht werden. Die Abscheidung der aminogruppenhaltigen Plasmapolymere in Verbindung mit einer oxidischen Schichtmatrix, beispielsweise Siliziumdioxid, führt überraschenderweise zu einer gegenüber der im Stand der Technik beschriebenen Abscheidung von reinen aminogruppenhaltigen Plasmapolymerschichten deutlich abrasionsstabileren und haftfesteren Schicht. Die Einbettung der aminogruppenhaltigen Plasmapolymere in die oxidische Schichtmatrix verhindert oder verringert das Auswaschen der Amine aus der Schicht im Kontakt mit wässrigen Lösungen.The layer deposited in this way serves as a chemically reactive base for the immobilization of biologically active molecules and is therefore suitable as a biocompatible surface. If necessary, improved cell adhesion can be achieved. The deposition of the amino group-containing plasma polymers in conjunction with an oxidic layer matrix, for example silicon dioxide, surprisingly leads to a layer that is significantly more abrasion-resistant and more adhesive than the deposition of pure amino-group-containing plasma polymer layers described in the prior art. The embedding of the amino group-containing plasma polymers in the oxidic layer matrix prevents or reduces the washing out of the amines from the layer in contact with aqueous solutions.
Erfindungsgemäß werden der erste Precursor und/oder der zweite Precursor dem Plasmaprozess über eine Y-Düse oder eine Remote-Düse oder eine Kombinationsdüse zugeführt.According to the invention, the first precursor and / or the second precursor are fed to the plasma process via a Y nozzle or a remote nozzle or a combination nozzle.
In einer Ausführungsform wird als erster Precursor Hexamethyldisiloxan und/oder Tetraethoxysilan und/oder Tetramethylsilan verwendet. Auf diese Weise ergibt sich als eine oxidische Schichtkomponente Siliziumoxid. Ebenso kann ein titanhaltiger erster Precursor, wie Titan(IV)-tetraisopropoxid verwendet werden. Auf diese Weise ergibt sich eine oxidische Schichtkomponente aus Titanoxid.In one embodiment, hexamethyldisiloxane and / or tetraethoxysilane and / or tetramethylsilane is used as the first precursor. In this way, silicon oxide results as an oxidic layer component. A titanium-containing first precursor, such as titanium (IV) tetraisopropoxide, can also be used. This results in an oxidic layer component made of titanium oxide.
In einer Ausführungsform wird als zweiter Precursor Ethylendiamin und/oder Allylamin verwendet. Allylamin und Ethylendiamin als Precursoren weisen einen ausreichend hohen Dampfdruck auf, um mittels eines Bubblers in das Plasma eingeleitet zu werden. Daneben sind beide Substanzen günstig und problemlos verfügbar. Für Allylamin spricht zudem die Doppelbindung in der Struktur, was theoretisch eine freie radikalische Polymerisation ermöglicht. Ethylendiamin weist ein hohes Verhältnis von primären Aminen zu Kohlenstoff auf.In one embodiment, ethylene diamine and / or allylamine is used as the second precursor. Allylamine and ethylenediamine as precursors have a sufficiently high vapor pressure to be introduced into the plasma by means of a bubbler. In addition, both substances are inexpensive and readily available. The double bond in the structure also speaks in favor of allylamine, which theoretically enables free radical polymerization. Ethylenediamine has a high primary amine to carbon ratio.
Ebenso können als zweiter Precursor auch anderen Aminoverbindungen wie beispielsweise Cyclopropylamin oder Propargylamin verwendet werden.Other amino compounds such as, for example, cyclopropylamine or propargylamine can also be used as the second precursor.
In einer Ausführungsform wird/werden der erste Precursor und/oder der zweite Precursor dem Arbeitsgas und/oder dem Plasma in gelöster Form, als Aerosol, dampfförmig oder in dispergierter Form, zugeführt. Der Precursor wird vorzugsweise im gasförmigen Zustand in das Arbeitsgas oder den Plasmastrom eingeleitet. Flüssige oder feste, insbesondere pulverförmige Precursoren sind ebenfalls einsetzbar, werden jedoch bevorzugt vor der Einleitung, beispielsweise durch Verdampfung und/oder Zerstäubung, in den gasförmigen Zustand oder einen aerosolartigen Zustand überführt. Ebenso kann der Precursor zunächst in ein Trägergas eingeleitet, davon mitgerissen und zusammen mit diesem in das Arbeitsgas oder den Plasmastrom eingeleitet werden.In one embodiment, the first precursor and / or the second precursor is / are supplied to the working gas and / or the plasma in dissolved form, as an aerosol, in vapor form or in dispersed form. The precursor is preferably introduced into the working gas or the plasma stream in the gaseous state. Liquid or solid, in particular powdery, precursors can also be used, but are preferably converted into the gaseous state or an aerosol-like state before introduction, for example by evaporation and / or atomization. Likewise, the precursor can first be introduced into a carrier gas, carried away by it and introduced together with this into the working gas or the plasma flow.
In einer Ausführungsform wird das Plasma in einer Freistrahlplasma-Quelle erzeugt. Bei diesem Verfahren wird eine Hochfrequenzentladung zwischen zwei konzentrischen Elektroden gezündet, wobei durch einen angelegten Gasstrom das sich bildende Hohlkathodenplasma als Plasmajet aus der Elektrodenanordnung in aller Regel mehrere Zentimeter in den freien Raum und zur zu beschichtenden Oberfläche herausgeführt wird. Der Precursor kann sowohl vor der Anregung in das Arbeitsgas (direct plasma processing) als auch danach in das bereits gebildete Plasma oder in dessen Nähe (remote plasma processing) eingeleitet werden. Eine weitere Möglichkeit der Plasmaerzeugung ist das Ausnutzen einer dielektrisch behinderten Entladung. Dabei wird das als Dielektrikum dienende Arbeitsgas, insbesondere Luft, zwischen zwei Elektroden hindurchgeleitet. Die Plasmaentladung erfolgt zwischen den Elektroden, welche mit hochfrequenter Hochspannung gespeist werden.In one embodiment, the plasma is generated in a free-jet plasma source. In this process, a high-frequency discharge is ignited between two concentric electrodes, and the hollow cathode plasma that forms is guided as a plasma jet from the electrode arrangement, usually several centimeters, into the free space and to the surface to be coated by an applied gas stream. The precursor can be introduced both before the excitation into the working gas (direct plasma processing) and afterwards into the plasma that has already formed or in its vicinity (remote plasma processing). Another possibility of generating plasma is to use a dielectrically impeded discharge. The working gas used as a dielectric, in particular air, is passed between two electrodes. The plasma discharge takes place between the electrodes, which are fed with high-frequency high voltage.
In einer Ausführungsform wird die Abscheidung bei Atmosphärendruck durchgeführt. Normaldruckplasmaverfahren erfordern einen wesentlich geringeren technischen Aufwand als Niederdruck- oder Vakuumverfahren, da eine zu evakuierende Reaktionskammer entfällt. Beim Normaldruckplasmaverfahren (APCVD - Atmospheric pressure Plasma Chemical Vapour Deposition - plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung unter Atmosphärendruckbedingungen) bilden sich im Plasmastrom aufgrund der Anreicherung des Arbeitsgases mit dem Precursor und durch plasmainitiierte chemische Umwandlungsprozesse zunächst Kristallisationskeime und Feststoffnanopartikel, die an der Substratoberfläche zu einer dünnen Schicht aufwachsen. Die Größe der sich aus solchen Partikeln bildenden Agglomerate und somit wesentliche Eigenschaften der Beschichtung lassen sich unter anderem durch den Abstand der Plasmaquelle von der Oberfläche, durch die Dosierraten der Precursoren, durch die eingebrachte Plasmaleistung und die verwendeten Prozessgase / Gasgemische einstellen.In one embodiment, the deposition is carried out at atmospheric pressure. Normal pressure plasma processes require significantly less technical effort than low pressure or vacuum processes, since there is no need for a reaction chamber to be evacuated. In the normal pressure plasma process (APCVD - Atmospheric Pressure Plasma Chemical Vapor Deposition - plasma-assisted chemical vapor deposition under atmospheric pressure conditions), crystallization nuclei and solid nanoparticles grow on the substrate surface to a thin layer due to the enrichment of the working gas with the precursor and plasma-initiated chemical conversion processes. The size of the agglomerates formed from such particles and thus essential properties of the coating can be adjusted, among other things, by the distance between the plasma source and the surface, by the dosing rates of the precursors, by the plasma power introduced and the process gases / gas mixtures used.
Bei der APCVD werden als Siliziumoxid-Schicht-bildende Precursorsubstanzen siliziumorganische Verbindungen, beispielsweise Hexamethyldisiloxan (HMDSO) oder Tetraethoxysilan (TEOS) oder Tetramethylsilan (TMS), verwendet. Üblicherweise kommt dabei Luft als Arbeitsgas zum Einsatz, aber auch die Verwendung von Stickstoff oder Argon als Arbeitsgas ist zur Einstellung bestimmter Funktionalitäten, bspw. einer hydrophilen Wirkung, geeignet. Bei der Verwendung einer Siliziumoxid-Schicht als Kompositschicht werden weitere, für eine bestimmte Applikation geeignete Schichtkomponenten in die Matrix eingebettet. Bekannt ist beispielsweise die Einbettung von funktionellen Nanopartikeln in eine Schichtmatrix. Im Ergebnis der Umsetzung des aminofunktionalisierten Precursors im Plasmastrahl kommt es zur Ausbildung von Plasmapolymeren. Die Abscheidung eines aminogruppenhaltigen Plasmapolymers mit der Schichtmatrix zur Ausbildung einer Mischschicht erfolgt durch Zudosierung entsprechender flüssiger oder dispergierter und anschließend vernebelter Vorläufersubstanzen (Precursoren) in den Plasmastrahl. Neben der üblicherweise bevorzugten Verwendung von Siliziumoxid-Schichtmatrizen können auch Titandioxid- Schichtmatrizen zum Einsatz kommen. Bei der APCVD werden als Titandioxid-Schicht-bildende Precursorsubstanzen titanorganische Verbindungen, beispielsweise Titan(IV)-tetraisopropoxid (TTIP) verwendet. Insbesondere kommt dabei Luft als Arbeitsgas zum Einsatz, aber auch die Verwendung von Stickstoff oder Argon als Arbeitsgas ist zur Einstellung bestimmter Funktionalitäten, beispielsweise einer hydrophilen Wirkung, geeignet.In APCVD, organic silicon compounds, for example hexamethyldisiloxane (HMDSO) or tetraethoxysilane (TEOS) or tetramethylsilane (TMS), are used as precursor substances that form silicon oxide layers. Usually, air is used as the working gas, but the use of nitrogen or argon as the working gas is also suitable for setting certain functionalities, for example a hydrophilic effect. When using a silicon oxide layer as a composite layer, further layer components suitable for a specific application are embedded in the matrix. For example, it is known to embed functional nanoparticles in a layer matrix. As a result of the conversion of the amino-functionalized precursor in the plasma jet, plasma polymers are formed. A plasma polymer containing amino groups is deposited with the layer matrix to form a mixed layer by metering appropriate liquid or dispersed and then nebulized precursors into the plasma jet. In addition to the usually preferred use of silicon oxide layer matrices, titanium dioxide layer matrices can also be used. In APCVD, organic titanium compounds, for example titanium (IV) tetraisopropoxide (TTIP), are used as precursor substances which form the titanium dioxide layer. In particular, air is used as the working gas, but the use of nitrogen or argon as the working gas is also suitable for setting certain functionalities, for example a hydrophilic effect.
Die im Stand der Technik dargestellten Verfahren erlauben die Herstellung von aminogruppenhaltigen Plasmapolymerbeschichtungen, welche die Immobilisierung beziehungsweise die Absorption von biologisch aktiven Molekülen an der Schicht ermöglichen. Zur Herstellung derartiger Schichten wird aufgrund des Ausschlusses der umgebenden Atmosphäre im Stand der Technik bevorzugt auf Niederdruckplasmaverfahren zurückgegriffen, wobei die Anregung des Arbeitsgases zumeist mit Hilfe von Mikrowellen- oder Radiofrequenzstrahlung erfolgt. Durch die Verwendung von Plasmaquellen, die unter Atmosphärendruckbedingungen arbeiten, werden technologische Fortschritte erwartet, da in diesem Fall auf den Einsatz von teurer Vakuumtechnik verzichtet werden kann. Atmosphärische Plasmen (oder im Grobvakuumbereich arbeitender Plasmen) können beispielsweise mittels dielektrisch behinderten Entladungen erzeugt werden, wobei mit den dabei verwendeten Flächenelektroden nur begrenzt kompliziertere 3D-Geometrien behandeln werden können. Unter diesem Gesichtspunkt können Freistrahlplasmasysteme von Vorteil sein, da diese mit ihren offenen Plasmajets praktisch beliebige Oberflächengeometrien und Substratmaterialien (leitfähig, dielektrisch) abarbeiten können.The methods presented in the prior art allow the production of amino group-containing plasma polymer coatings which enable the immobilization or absorption of biologically active molecules on the layer. In the prior art, due to the exclusion of the surrounding atmosphere, low-pressure plasma processes are preferably used to produce such layers, with the excitation of the working gas mostly taking place with the aid of microwave or radio frequency radiation. Technological advances are expected through the use of plasma sources that work under atmospheric pressure conditions, since in this case the use of expensive vacuum technology can be dispensed with. Atmospheric plasmas (or plasmas operating in the low vacuum range) can be generated, for example, by means of dielectrically impeded discharges, with the surface electrodes used only being able to deal with more complex 3D geometries. From this point of view, free-jet plasma systems can be advantageous, as they can process practically any surface geometries and substrate materials (conductive, dielectric) with their open plasma jets.
Der Durchsatz des Arbeitsgases und/oder des Precursors ist vorzugsweise variabel und steuerbar und/oder regelbar. Insbesondere sind die Durchsätze Arbeitsgas und Precursor unabhängig voneinander steuerbar und/oder regelbar. Neben dem Abstand der Beschichtungseinrichtung zu der zu beschichtenden Oberfläche steht so ein weiteres Mittel zur Beeinflussung der Schichteigenschaften, wie beispielsweise der Schichtdicke oder der Morphologie, zur Verfügung. Ebenso sind auf diese Weise Gradientenschichten realisierbar.The throughput of the working gas and / or the precursor is preferably variable and controllable and / or regulatable. In particular, the throughputs of working gas and precursor can be controlled and / or regulated independently of one another. In addition to the distance between the coating device and the surface to be coated, another means of influencing the layer properties, such as the layer thickness or the morphology, is available. Gradient layers can also be implemented in this way.
In einer Ausführungsform wird als Arbeitsgas ein Inertgas wie Stickstoff oder Argon oder ein Gemisch dieser Gase mit Luft verwendet, um eine im Plasma zu erwartende vorzeitige oxidative Umsetzung des aminofunktionalisierten Precursors möglichst zu unterbinden oder ganz zu vermeiden.In one embodiment, an inert gas such as nitrogen or argon or a mixture of these gases with air is used as the working gas in order to prevent or completely avoid a premature oxidative conversion of the amino-functionalized precursor to be expected in the plasma.
In einer Ausführungsform werden Parameter der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung so geführt, dass ein hydrophobes oder hydrophiles Verhalten der Oberfläche erzielt wird. Das Verhalten kann durch die Wahl des ersten Precursors, dessen Konzentration im Plasma und des Arbeitsgases variiert werden. Für ein hydrophobes Verhalten eignet sich Hexamethyldisiloxan (HMDSO) als erster Precursor mit dem Arbeitsgas Luft. Um ein möglichst hydrophiles Verhalten der resultierenden Mischschicht zu erzeugen, kann als erster Precursor Tetraethoxysilan (TEOS) mit dem Arbeitsgas Luft oder Stickstoff sowie HMDSO mit Stickstoff genutzt werden. Die chemische Zusammensetzung der Mischschicht selbst wird bis auf den Anteil organischer Restgruppen nicht relevant verändert, es können zudem Veränderungen in der Oberflächenmorphologie der Mischschichten gezielt erzeugt werden.In one embodiment, parameters of the plasma-assisted chemical vapor deposition are controlled in such a way that a hydrophobic or hydrophilic behavior of the surface is achieved. The behavior can be varied through the choice of the first precursor, its concentration in the plasma and the working gas. For a hydrophobic behavior, hexamethyldisiloxane (HMDSO) is suitable as the first precursor with the working gas air. In order to make the resulting mixed layer as hydrophilic as possible, tetraethoxysilane (TEOS) with the working gas air or nitrogen and HMDSO with nitrogen can be used as the first precursor. The chemical composition of the mixed layer itself is not significantly changed, apart from the proportion of residual organic groups; changes in the surface morphology of the mixed layers can also be produced in a targeted manner.
Ein Bauteil kann ein Substrat mit mindestens einer Oberfläche umfassen, auf der eine Mischschicht, umfassend aminogruppenhaltige Reaktionsprodukte, sogenannte Plasmapolymere, eingebettet in einer oxidischen Schichtmatrix mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens abgeschieden ist.A component can comprise a substrate with at least one surface on which a mixed layer, comprising reaction products containing amino groups, so-called plasma polymers, embedded in an oxidic layer matrix, is deposited by means of the method according to the invention.
Die abgeschiedene Mischschicht kann als biokompatible Schicht, als hydrophobe Schicht, als organo-modifizierte Schicht mit eingelagerten funktionellen Gruppen, zur Adhäsionsverbesserung, beispielsweise von Lacken und Klebstoffen oder zur chemischen Anbindung von weiteren Schichten verwendet werden.The deposited mixed layer can be used as a biocompatible layer, as a hydrophobic layer, as an organo-modified layer with embedded functional groups, to improve the adhesion, for example of paints and adhesives, or for the chemical bonding of further layers.
Das so beschichtete Bauteil kann insbesondere verwendet werden im biomedizinischen Sektor, beispielsweise zur Herstellung von aminofunktionalisierten Trägermaterialien für Zellwachstumsuntersuchungen oder als aminofunktionelle Beschichtung im Bereich der Implantatwerkstoffe. Weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich im Bereich der Leichtbaumaterialien zur Herstellung von Sandwichbauteilen, insbesondere von Metall-Polymer-Sandwichbauteilen. Mit Blick auf Anwendungen im Bereich der Verklebung ermöglicht die erfindungsgemäße Funktionalisierung einer Bauteiloberfläche unter Verwendung geeigneter Klebstoffe, Lacksysteme oder weiteren organischen Beschichtungen eine verbesserte Adhäsion.The component coated in this way can in particular be used in the biomedical sector, for example for the production of amino-functionalized carrier materials for Cell growth studies or as an amino-functional coating in the field of implant materials. Further application possibilities arise in the field of lightweight construction materials for the production of sandwich components, in particular metal-polymer sandwich components. With a view to applications in the field of adhesive bonding, the functionalization of a component surface according to the invention using suitable adhesives, lacquer systems or other organic coatings enables improved adhesion.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
Darin zeigen:
-
1A bis1E schematische Darstellungen in einem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeter Düsenformen und Varianten der Precursorzufuhr, und -
2 ein Diagramm zum Nachweis der Wasserfestigkeit mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens abgeschiedener Mischschichten.
-
1A until1E schematic representations of nozzle shapes and variants of the precursor supply used in a method according to the invention, and -
2 a diagram for demonstrating the water resistance by means of the method according to the invention of deposited mixed layers.
In verschiedenen Versuchen wurden auf Substraten Mischschichten abgeschieden, wobei aus einem Arbeitsgas
In einer Ausführungsform wird als erster Precursor
Bei der Y-Düse
Für die Versuche wurde ein Freistrahl-Plasmasystem mit einer Plasmaleistung von 75 - 100 W verwendet.A free-jet plasma system with a plasma power of 75-100 W was used for the experiments.
In einem ersten Versuch
Die Einspeisung des ersten Precursors
Die an der Oberfläche der beschichteten Substrate mittels Photoelektronenspektroskopie (XPS) gemessene Elementverteilung zeigt, dass für die Mischschichten unabhängig von der Düsenform stabile Stickstoffgehalte um 9 % und stabile Siliziumgehalte um 17 % erzielt wurden. Die mittels Y- und Kombi-Düse
Zur Bestimmung der Wasserbeständigkeit der Mischschichten sind die beschichteten Proben für fünf Minuten in entionisiertem Wasser ausgelagert worden.To determine the water resistance of the mixed layers, the coated samples were immersed in deionized water for five minutes.
Die Bestimmung des Gehaltes primärer Amine zum Kohlenstoff ([NH2]/[C]) wurde in den abgeschiedenen Mischschichten mittels XPS-Messungen durchgeführt. Per XPS ist Stickstoff zwar problemlos nachweisbar und darüber hinaus ist es möglich, über die Höhen der Bindungsenergien Aussagen über die Bindungsverhältnisse zu treffen, eine Aussage, ob der detektierte Stickstoff in Form von primären Aminen vorliegt, ist jedoch nicht möglich. Somit wurden die entsprechenden Proben vor der XPS-Analyse mit Pentafluorobenzaldehyd (PFBA) derivatisiert, um über den Gehalt an Fluor zu einer quantitativen Aussage bezüglich der NH2-Gruppen zu gelangen.The determination of the content of primary amines in relation to carbon ([NH 2 ] / [C]) was carried out in the deposited mixed layers by means of XPS measurements. Nitrogen can be detected with XPS without any problems and it is also possible to make statements about the binding conditions via the levels of the binding energies, but it is not possible to make a statement as to whether the detected nitrogen is in the form of primary amines. Thus, the corresponding samples were derivatized with pentafluorobenzaldehyde (PFBA) before the XPS analysis in order to arrive at a quantitative statement regarding the NH 2 groups on the fluorine content.
Das ermittelte Verhältnis NH2/C von Aminen NH2 zu Kohlenstoff C für die in den Versuchen
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- AGAG
- ArbeitsgasWorking gas
- KDKD
- Kombi-DüseCombination nozzle
- PSPS
- PlasmastrahlPlasma jet
- P1P1
- erster Precursorfirst precursor
- P2P2
- zweiter Precursorsecond precursor
- RDRD
- Remote-DüseRemote nozzle
- TGTG
- TrägergasCarrier gas
- V1 bis V4V1 to V4
- Versuchattempt
- V1' bis V4'V1 'to V4'
- Versuchattempt
- YDYD
- Y-DüseY nozzle
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102016206009.0A DE102016206009B4 (en) | 2016-04-11 | 2016-04-11 | Process for coating a substrate |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102016206009.0A DE102016206009B4 (en) | 2016-04-11 | 2016-04-11 | Process for coating a substrate |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102016206009A1 DE102016206009A1 (en) | 2017-10-12 |
DE102016206009B4 true DE102016206009B4 (en) | 2021-12-16 |
Family
ID=59929541
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102016206009.0A Active DE102016206009B4 (en) | 2016-04-11 | 2016-04-11 | Process for coating a substrate |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102016206009B4 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3223253A1 (en) | 1981-06-22 | 1982-12-30 | Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., Tokyo | METHOD FOR IMPROVING THE SURFACE PROPERTIES OF AN OBJECT MOLDED FROM A RESIN BASED ON VINYL CHLORIDE |
DE102010044114A1 (en) | 2010-11-18 | 2012-05-24 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Process for joining substrates and composite structure obtainable therewith |
US20120190950A1 (en) | 2011-01-20 | 2012-07-26 | Medtronic Minimed, Inc. | Electrode compositions for use with analyte sensors |
-
2016
- 2016-04-11 DE DE102016206009.0A patent/DE102016206009B4/en active Active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3223253A1 (en) | 1981-06-22 | 1982-12-30 | Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., Tokyo | METHOD FOR IMPROVING THE SURFACE PROPERTIES OF AN OBJECT MOLDED FROM A RESIN BASED ON VINYL CHLORIDE |
DE102010044114A1 (en) | 2010-11-18 | 2012-05-24 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Process for joining substrates and composite structure obtainable therewith |
US20120190950A1 (en) | 2011-01-20 | 2012-07-26 | Medtronic Minimed, Inc. | Electrode compositions for use with analyte sensors |
Non-Patent Citations (9)
Title |
---|
A. Vogelsang, A. Ohl, R. Foest, K. Schröder und K.-D. Weltmann, „Deposition of thin films from amino group containing precursors with an atmospheric pressure microplasma jet," Plasma Processes and Polymers, Bd. 8, Nr. 1, pp. 77-84, 2011 |
B. Finke, K. Schröder und A. Ohl, „Structure retention and water stability of microwave plasma polymerized films from allylamine and acrylic acid," Plasma Processes and Polymers, Bd. 6, Nr. S1, pp. S70-S74, 2009 |
D. Merche, N. Vandencasteele und F. Reniers, „Atmospheric plasmas for thin film deposition: A critical review," Thin Solid Films, Bd. 520, Nr. 13, pp. 4219-4236, 2012 |
F. Reno, D. D'Angelo, G. Gottardi, M. Rizzi, D. Aragno, G. Piacenza, F. Cartasegna, M. Biasizzo, F. Trotta und M. Cannas, „Atmospheric Pressure Plasma Surface Modification of Poly (D, L-lactic acid) Increases Fibroblast, Osteoblast and Keratinocyte Adhesion and Proliferation," Plasma Processes and Polymers, Bd. 9, Nr. 5, pp. 491-502, 2012 |
H. Aizawa, Y. Gokita, Y. Yoshimi, T. Hatta, S. M. Reddy und S. Kurosawa, „Synthesis and characterization of organic thin film using atmosphericpressure plasma polymerization," Sensors and Materials, Bd. 22, Nr. 7, pp. 337-345, 2010 |
J.-C. Ruiz, A. St-Georges-Robillard, C. Theresy, S. Lerouge und M. R. Wertheimer, „Fabrication and Characterisation of Amine-Rich Organic Thin Films: Focus on Stability," Plasma Processes and Polymers, Bd. 7, Nr. 9-10, pp. 737-753, 2010 |
K. Lachmann, M. C. Rehbein, M. Jänsch, M. Thomas und C.-P. Klages, „Deposition of Thermoresponsive Plasma Polymer Films from N-Isopropylacrylamide Using Dielectric Barrier Discharge at Atmospheric Pressure," Plasma Medicine, Bd. 2, Nr. 1-3, 2012 |
K. S. Siow, L. Britcher, S. Kumar und H. J. Griesser, „Plasma Methods for the Generation of Chemically Reactive Surfaces for Biomolecule Immobilization and Cell Colonization-A Review," Plasma processes and polymers, Bd. 3, Nr. 6-7, pp. 392-418, 2006 |
M. Schnabelrauch, R. Wyrwa, H. Rebl, C. Bergemann, B. Finke, M. Schlosser, U. Walschus, S. Lücke, K.-D. Weltmann und J. B. Nebe, „Surface-coated polylactide fiber meshes as tissue engineering matrices with enhanced cell integration properties," International Journal of Polymer Science, Bd. 2014, 2014 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE102016206009A1 (en) | 2017-10-12 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE102006058771B4 (en) | Container with improved emptiness and method for its production | |
DE102004017236B4 (en) | Composite having improved chemical resistance and method of making the same | |
DE102007062977B4 (en) | Process for the production of process gases for the vapor phase separation | |
Flynn et al. | Surface modification of cellulose via atmospheric pressure plasma processing in air and ammonia–nitrogen gas | |
EP2911875B1 (en) | Composite material for a pharmaceutical packaging means, method for the production thereof, and use of the composite material | |
DE102009028830A1 (en) | Plasma coatings and process for their preparation | |
EP2640866A1 (en) | Method for connecting substrates, and composite structure obtainable thereby | |
Yang et al. | Deposition of hydroxyl functionalized films by means of water aerosol‐assisted atmospheric pressure plasma | |
DE102017131085A1 (en) | Plasma polymer solid, in particular plasma polymer layer with hydrocarbon network formation, their use and process for their preparation | |
EP1051266B1 (en) | Polar polymeric coating | |
Barletta et al. | Novel method for NH-rich coatings engineering by means of aerosol assisted atmospheric pressure plasma deposition | |
DE102016206009B4 (en) | Process for coating a substrate | |
DE102012220986B4 (en) | Dosing unit and its use | |
DE10258681A1 (en) | Process for applying alternating layers e.g. barrier layers onto a plastic bottle by chemical gas phase deposition comprises depositing an organic adhesion promoting layer on a substrate and applying an inorganic barrier layer | |
EP1272286B1 (en) | Method for depositing a polymer layer | |
DE10258678A1 (en) | Process for applying alternating layers e.g. barrier layers onto a plastic bottle by chemical gas phase deposition comprises depositing an organic adhesion promoting layer on a substrate and applying an inorganic barrier layer | |
WO2012163977A1 (en) | Method and device for coating a float glass strip | |
WO2016050937A1 (en) | Composite consisting of a substrate, a plasma polymer layer, a mixed layer and a cover layer | |
EP2699705B1 (en) | Method of depositing a transparent barrier coating system | |
DE102015115167B4 (en) | Shaped body comprising a functional layer, process for its preparation and its use | |
EP0815283A1 (en) | Plasma chamber | |
DE102016104130A1 (en) | Method for coating a component surface and method for producing a coating material | |
DE102008007588A1 (en) | Barrier layer creating process for microstructured component involves preparing component in plasma reactor, plasma treatment, and supplying precursor and carrier gas | |
DE102016206006A1 (en) | Process for coating surfaces | |
EP2738289A2 (en) | Method for plasma treatment of a colloidal solution |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: INNOVENT E.V., DE Free format text: FORMER OWNER: INNOVENT E.V. TECHNOLOGIEENTWICKLUNG, 07745 JENA, DE |
|
R082 | Change of representative |
Representative=s name: PATENTANWAELTE LIEDTKE & PARTNER, DE |
|
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |