Ziel der Entwicklung

Der noch junge Markt der leitfähigen Tinten und Massen zeichnet sich durch hohe jährliche Wachstumsraten, hohe Dynamik und hohes Innovationspotenzial aus. Das jährliche Gesamtvolumen an leitfähigen Tinten wird aktuell mit etwa zwei bis 3,5 Milliarde Euro weltweit eingeschätzt. Die leitfähigen Tinten erlangen steigende Bedeutung insbesondere bei der Herstellung von flexiblen Sensoren für Medizin und Life Style Anwendungen. Die bisher am Markt verfügbaren leitfähigen Tintensysteme werden aufgrund ihres sehr hohen Preises oder schwierigen Handhabbarkeit vor allem im Umfeld der High Tech Industrie oder im medizinischen Bedarf eingesetzt. Dieser Markt der gedruckten elektronischen Komponenten besitzt ein außerordentlich hohes Potenzial. Das Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung flexibler, sensortauglicher, leitfähiger Strukturen und deren Integration in dehnbare Polymerverbunde, indem elektrisch leitfähige Polymermassen durch einen innovativen Digitaldruckprozess auf elastische Polymersubstrate appliziert werden. Um dies zu erreichen, sollten Polyurethandispersion mit geeigneten leitfähigen Carbonnanomaterialien additiviert und hinsichtlich Partikelgehalt und Viskosität so eingestellt werden, dass sie in einem Digitaldruckverfahren, via Mikrodispens oder Drop on Demand Verfahren, auf verschiedene Polyurethan Substrate appliziert werden können. Auf diese Weise sollte eine Kombination von flexiblen, teilweise elastischen, leitfähigen Strukturen mit einem polymeren Flächenmaterial möglich werden, welches selbst elektrisch leitende oder isolierende Eigenschaften aufweisen kann. Es sollten Verbunde resultieren, die aus einem mehrlagigen Aufbau von zum Beispiel linienförmigen Drucken und flächigen Lagen unterschiedlich leitfähiger Polymermaterialien bestehen. Die elektrische Leitfähigkeit sollte durch die Additivierung der leitfähigen Komponenten wie Gehalt und Art der Partikel gezielt eingestellt werden. Die leitfähigen Kohlenstoffmaterialien sollten in industriell etablierte und handelsübliche Polyurethandispersionen eingearbeitet werden, die üblicherweise auch für die Herstellung von Polyurethan Membranen oder beschichteten Textilien verwendet werden. Die Additivierung sollte hierbei mit Carbonnanopartikeln mit hohem Aspektverhältnis erfolgen, sodass niedrige Füllgrade für die Einstellung der gewünschten Leitfähigkeit ausreichend sind, wodurch die übrigen Gebrauchseigenschaften des verfestigten Polyurethans selbst und die des gesamten Schichtverbundes so wenig wie möglich beeinflusst werden sollten. Die Verarbeitung der leitfähigen Polymermassen sollte im Rahmen des Projektes über ein Digitaldrucksystem erfolgen, das für eine Verarbeitung von hochviskosen leitfähigen Polymermassen geeignet ist. Die darstellbaren Dimensionen der leitfähigen Strukturen sollten im Rahmen der Untersuchungen ermittelt werden, wobei Strukturgrößen im Millimeter bis Mikrometerbereich in lateraler Ausdehnung angestrebt wurden. Die Möglichkeiten der Kombination von gedruckten und flächigen Strukturen sollte exemplarisch an einem gedruckten Sensor gezeigt werden, wobei eine bestmögliche Kompatibilität zwischen gedruckter flächiger Struktur und Substrat erreicht werden sollte, indem für beide Komponenten die gleiche Polymerbasis verwendet wurde.

Vorteile und Lösungen

Unter Beachtung des Kostenpunktes sind für diese Entwicklungen erhebliche Vorteile vorhanden. Durch die ausschließliche Nutzung von im Industriemaßstab erhältlichen Formulierungskomponenten und Industrie Carbon Nanotubes sind die Kosten für die Dispersionen als gering anzusehen. Dies gilt vor allem im Vergleich mit metallbasierten Dispersionen. Durch die Entwicklung von flexiblen, dehnbaren und knickbaren sensortauglichen, leitfähigen Strukturen auf Basis von Polyurethanformulierungen und deren Integration in dehnbare Polymerverbunde können neue Akzente im Umfeld der Consumer-, Bekleidungs- und Medizinbranche gesetzt werden.

Zielgruppe und Zielmarkt

Um die Neuentwicklungen rasch in die industrielle Anwendung zu überführen, wurden bereits während des Projektes Unternehmen aus den Bereichen der Beschichtungsindustrie, Anlagenhersteller, Rohstoffproduzenten sowie Sportartikelhersteller und Orthopädietechniker in die Bearbeitung einbezogen. Die Entwicklungen des Forschungsvorhabens stützten sich auf bekannte Technologien, weswegen eine direkte Umsetzung der Forschungsergebnisse in die industrielle Anwendung gegeben ist. Die Forschungseinrichtung kann innovative klein und mittelständische Unternehmen bei der Überführung der Forschungsergebnisse in den industriellen Maßstab in Form von Beratungsleistungen und Entwicklungsleistungen oder in eigens angesetzten Entwicklungsprojekten unterstützen. Im Anschluss an das vorliegende Projekt wurde außerdem bereits mit Unterstützung von Industrieunternehmen aus den genannten Branchen ein weiteres Forschungsvorhaben bewilligt. Dies hat das Ziel, die gedruckten, flexiblen, leitfähigen und sensortauglichen Polyurethan Strukturen in die Anwendung zu überführen. Der Fokus liegt hierbei auf dem Einsatz als drucksensitive Sensorstrukturen für den orthopädischen Schuhbereich und in Sportschuhen. In beiden Bereichen bietet vor allem die Flexibilität der gedruckten Leiterbahnen enormen Vorteile im Vergleich zu anderen Systemen. Der Einsatzzweck eines solchen Sensors liegt in der messbaren Güte der Passform derartiger Schuhe begründet, um die entsprechenden Waren bestmöglich an die Passform des entsprechenden Kunden beziehungsweise Patienten anzupassen und kontinuierlich Messdaten zu liefern.