НОВОСТИ О ФТОРОПЛАСТАХ

 

Успешное завершение финансируемого BMBF исследовательского проекта «Флекс 25» (Германия) открыло новые возможности для необычных применений фторполимерной пленки на архитектурных элементах и фасадах зданий. Тенденции в области архитектуры смещаются в сторону «интеллектуальных» зданий, которые с помощью интегрированной гибкой электроники, автоматически реагируют на изменение условий окружающей среды. Эти здания с низким энергопотреблением могут иметь целый ряд удобных особенностей, таких, как модули солнечных батарей, интегрированные в фасады или электрохромные окна, которые меняют оттенок от прозрачного до темного в зависимости от силы солнечного света. Внедрение новых концепций использования, однако, по-прежнему сталкивается с рядом проблем, в основном касающихся необходимого срока службы электронных компонентов и их прямой интеграции в ограждающие элементы, особенно, когда они имеют легкую конструкцию или включают в себя гибкие мембраны кровельных систем или фасадов зданий.

Команда проекта «Флекс 25» сделала важный шаг в интеграции электронных компонентов в гибкие пленочные ограждающие конструкции зданий. Ярким примером для оболочки целевого типа является фасад Мюнхенского стадиона Альянц-Арена, который выполнен из фторполимерных пленок. Исследователи успешно применяют экономически эффективные способы для нанесения покрытий на фторполимерные пленки. “Рулонная” (roll-to-roll) технология сохраняет низкую себестоимость продукции и позволяет придать функцию защиты встроенных электронных компонентов от паров воды и ультрафиолета путем нанесения многослойного покрытия. Кроме того, на боковую поверхность пленки было успешно нанесено стабильное антибликовое погодостойкое покрытие. Рулонная технология позволяет функциализировать большие площади мембранных элементов практически неограниченной длины.

Полная гибкость

Гибкие электронные решения модны практически во всех областях повседневной жизни: от фитнес-трекеров, которые используют браслеты с изгибаемым дисплеем, до гибких солнечных батарей для быстрой зарядки аккумуляторов телефонов.

Проект «Флекс 25» ставил главной целью - перенос существующих контролируемых процессов покрытий на пленочные материалы в вакууме для обеспечения атмосферостойкости и для придания ультра-барьерных свойств против водяного пара и кислорода, в то же время сохраняя при этом высокое светопропускание после покрытия. Полученная модифицированная поверхность полимерной пленки должна была быть пригодна для запечатывания гибких электронных компонентов.

Интеграция таких активных компонентов на больших площадях позволяет реализовывать творческие сценарии для зданий, например, постройку функциональной гибкой мембранной кровли над аренами или сценами,  и позволяет производить реконструкции существующих фасадов зданий или крыш промышленных установок, комплектуя их солнечными батареями.

Большие площади обычных стеклянных фасадов и кровель, как правило, не подходят для встраивания солнечных батарей из-за их общего большого веса, но солнечные элементы на основе пленки в 40 раз легче и позволяют интеграцию в мембранную кровлю. Исследователи из «Флекс 25» в трех институтах Фраунгофера разработали экономически и технологически выгодную альтернативу стеклянному инкапсулированию. Она основана на ультра-барьерной концепции «POLO®-High Barrier», которая была приспособлена для защиты покрытий фторполимерных пленок, таких, как ETFE. К настоящему времени, концепция готова к опытно-промышленному производству функциональных пленок с ультра-барьерными свойствами по отношению к водяному пару и кислороду, которые пригодны для, например, инкапсулирования органических оптоэлектронных компонентов, таких как органические светодиоды (OLED) или гибких солнечных батарей.

Высокоэффективные барьерные покрытия.

Функциональная пленка основана на многослойной концепции, которая включает специфические гибридные полимеры (ORMOCER®s) и слой оксида по меньшей мере одного металла (показано на картинке). ORMOCER®s представляют собой класс материалов, разработанных институтом Исследования Силикатов Фраунгофера. Лаки ORMOCER® подходят для жидких химических процессов нанесения покрытий на валках. Покрытия ORMOCER® сглаживают грубые поверхности пленки и покрывают дефекты поверхности. Они имеют хорошие барьерные свойства к газам, и они же защищают нижележащие слои и инкапсулированные компоненты от разрушения УФ-излучением при наличии УФ-поглотителя. Слои оксидов металлов были нанесены в Фраунгоферском институте электронным пучком, благодаря плазменной технологии. В сочетании с слоями ORMOCER®, они обеспечивают идеальный барьер против диффузии паров воды и кислорода к инкапсулированным компонентам. Оказалось возможным нанесение слоев оксида цинка, олова или алюминия путем адаптации процесса к специфическим механическим и поверхностным свойствам ETFE пленок. Процесс позволил наносить покрытия большой площади при использовании «рулонной» технологии посредством двойного магнетронного реактивного распыления на пленку ETFE под вакуумом.

Следующей задачей, с которой справились разработчики, стало приспособление материалов для покрытия пленки к особым механическим свойствам ETFE и других фторполимеров. Многие фторполимеры, как и ETFE, имеют низкий модуль упругости, который приводит к более высоким удлинениям при механических воздействиях в процессах рулонного типа. Это может привести к повреждению предварительно нанесенного слоя. Этот риск повреждения сильно увеличивается из-за требуемых температур процесса - выше 100°C. В институте Фраунгофера для организации производства экспертам по обработке всех видов упаковочных материалов удалось создать процесс покрытия фторполимерной пленки, при котором выдерживаются как механические нагрузки, так и требуемая температура сушки - 120°C.

Участники проекта смогли наладить надежный производственный процесс в пилотном масштабе, применяющий защитные покрытия стабильного качества для фторполимерных пленок. Паропроницаемость составила 0,002 г/м² при 38°С и относительной влажности 90%, что отвечает требованиям защиты для долгосрочного использования и последовательной работы чувствительных электронных компонентов.

Наноструктурирование

Гибкие электронные устройства, такие как солнечные батареи, требуют высокое светопропускание пленки дополнительно к хорошим барьерным свойствам. В проекте «Флекс 25» к атмосферостойкости поверхности фторопластовой пленки было добавлено свойство антиблика с использованием плазменного процесса наноструктурирования большой площади. Исследовательская группа обрабатывала поверхность фторполимера чистой кислородной плазмой для создания наноструктур, которые обеспечивают постепенное изменение показателя преломления - по аналогии с эффектом глаза моли (Moth Eye). Односторонняя антибликовая обработка обеспечивает максимальное значение светопропускания более 95% для ETFE пленок. Передача видимой длины волны света теоретически может быть увеличена до 98% путем обработки обеих поверхностей пленки.

Что дальше?

Следующим шагом после успешного завершения проекта является его практическая реализация. Некоторые вопросы еще требуют дополнительного внимания, например, долговременность устойчивости к атмосферным воздействиям тепла и влаги. Кроме того, хорошие барьерные свойства еще не достаточны для работоспособности. Успешная демонстрация нанесения электронно-активных функциональных слоев на полотно фторполимерной пленки станет следующим этапом на пути к прямой интеграции нового решения в ограждающих конструкциях. Все это будет частью последующих проектов. В дополнение к этому требуются дальнейшие исследования, касающиеся взаимодействия строительных компонентов, клеев с функциональными пленками, выполнение которых приблизят нас на один шаг к инновационным фасадам, которые могут ярко светиться, генерировать электроэнергию или создавать тень в солнечный день. Но придет день, когда мы увидим мюнхенскую Альянс-Арену или Водный Куб в Пекине или Хан Шатыр в Астане  в совершенно новом свете.