Mit Elektronen zu besseren Oberflächen

Die Zusammensetzung eines Kabelmaterials ist durch die geplante Anwendung vorgegeben. Auf der Kabeloberfläche gibt es aber noch viele Möglichkeiten für Verbesserungen. Mit «e-grafting» und «skin-crosslinking» können massgeschneiderte Eigenschaften eingestellt werden.

Der Probehalter wurde speziell für die Bestrahlung von Kabelproben entworfen (Foto: FHNW)

Durch Bestrahlung mit niederenergetischen Elektronen können funktionale Moleküle auf Polymeroberflächen verankert werden («e-grafting») oder durch gezielte Vernetzung der Oberfläche massgeschneiderte Eigenschaften eingestellt werden («skin-crosslinking»). In einem von der Innosuisse finanzierten Projekt mit unseren Partnern HUBER + SUHNER AG und COMET ebeam technologies wurden diese Verfahren für verschiedene Anwendungsfälle erarbeitet und die modifizierten Kabeloberflächen auf Herz und Nieren geprüft.

Das EBLab 200 der Firma COMET bot ideale Voraussetzungen für die Experimente mit niederenergetischen Elektronen im Labormassstab. Während die Bestrahlung von flachen Proben standardmässig möglich ist, musste für die Bestrahlung von realen Kabelproben ein spezieller Probenhalter designt werden. Insbesondere musste auf kleinstem Raum eine Vorrichtung zum Einspannen und Rotieren der Kabel umgesetzt werden, die autonom, ohne Verkabelung nach aussen, betrieben wird. Die Strahlungsbeständigkeit der verwendeten Materialien sowie die Fernsteuerung durch den Bleimantel des EBLabs hindurch waren weitere Herausforderungen, die unsere Projektingenieure meisterten.

Im Projektverlauf zeigte sich, dass für die «e-grafting»-Strategie für die gewünschten Eigenschaftsverbesserungen nicht zielführend war. Mittels «skin-crosslinking» konnten aber für verschiedene Problemstellungen Lösungen erarbeitet werden:

• Beim Abrollen von schweren Kabeln kommt es ohne Vorbehandlung immer wieder zu Beschädigungen der Oberfläche, wenn verklebte Stellen aufgerissen werden. Die Klebrigkeit von Kabelmaterialien konnte durch Vernetzung der äussersten Schicht des Kabels mittels Elektronenbestrahlung extrem reduziert werden.
• Die Abriebbeständigkeit von dünnen Kabeln ist kritisch für verschiedene Anwendungen und wird in einem strengen Prüfverfahren ermittelt. Auch hier führte die Bestrahlung zu einer deutlichen Verbesserung.
• Um eine genügende Haftung von Tüllen auf den fertigen Kabeln zu erzielen, brauchte es in der Vergangenheit aufwendige Vorbehandlungen. Durch Elektronenbestrahlung ergab sich eine signifikante Haftungsverbesserung zwischen Tülle und Kabel. Dabei genügte ein einziger Schritt in der Vorbehandlung und kritische Chemikalien kamen erst gar nicht zum Einsatz.

Bei HUBER + SUHNER werden in der Produktion routinemässig Kabel mit hochenergetischen Elektronen vernetzt. Die Anlagen zum Strahlenschutz (Bunker) sowie das Knowhow im Umgang mit Elektronenstrahlquellen sind also bereits vorhanden. Zurzeit wird deshalb geprüft, ob aufgrund der vielversprechenden Projektresultate die bereits vorhandenen Bestrahlungsanlagen demnächst Verstärkung von niederenergetischen Elektronenstrahlquellen erhalten. Mit diesem Schritt wäre der Weg zu besseren Oberflächen frei.

Wir danken der HUBER + SUHNER AG und COMET ebeam technologies herzlich für die sehr gute Zusammenarbeit und das Vertrauen. Das Team der FHNW umfasste Elias Rehmann, Sebastian Wollmann, Michael Grob, Karolina Sroka, Per Magnus Kristiansen und Sonja Neuhaus.