Obtaining micro- and nanotextured functional surfaces on thermoplastics via injection moulding techniques using laser textured metallic inserts and NIL (nano-imprint lithography) -textured polymeric films

Abstract

(English) Surfaces with special functionalities owed to their surface topographies or textures are present all around us in nature. Millions of living organisms around us profit from those special functionalities thanks to the features existing on the interfaces that separate them from the surrounding environment. These functionalities, such as special wettability or antibacterial properties, for example, arise from the micro- and nanometre periodically organized features present on those interfaces. These properties that arise from the specific interactions of the micro- and nanotextures present on the surfaces with the surrounding environment (light, liquids, infectious agents, etc.), constitute a powerful inspiration towards the functionalization of the surfaces of plastic parts. The possibility of functionalizing the surface of plastic parts using a replication based technique applied to a high-volume and low-cost-per-part well-known production technology such as injection moulding has acquired a lot of scientific interest during the last years. This technology allows for the production of such parts without the need of using special coatings or treatments. This in turn reduces their complexity and also the resources and times needed for the manufacturing, while also lowering their environmental footprint. The production of such surfaces through injection moulding requires the use of micro- and nanotextured mould inserts that serve as negative template tooling for the obtention of the textured features on the surface of the final plastic produced part. In this regard, the usage of two different types of tooling have been researched in this study: first, metallic micro- and nanotextured inserts and second, flexible polymeric inserts. In the first part of this research, the use of micro- and nanotextured metallic materials as injection mould inserts, a thoroughly studied technology for the production of micro- and nanotextured surfaces on polymeric parts, is studied. In this case, the influence of the process parameters on the obtained results been carried out using mainly transparent thermoplastic polymers (PC, PMMA, PET, TPU). Along with it, various process technology improvements and functional characterization techniques to determine the functionality of the obtained plastic parts has been researched. Also, practical applications of the obtained results within the frame of a publicly financed project are shown within this section. The main results show that mould temperature and holding pressure played a major role in the degree of replication (DR%) of the micro/nanostructures obtained in the surface of the polymeric parts manufactured via isothermal injection moulding (IIM). Also, the improvements in the DR% achieved when using advanced injection moulding techniques such as variothermal injection moulding (VIM) and injection compression moulding (ICM) were researched, and the relevant functional characteristics promoted by the micro- and nanotextures replicated (special wetting, optical and mechanical properties) were thoroughly characterized. In the second part of the research, the use of flexible polymeric materials as mould inserts, a more innovative and potentially more cost-effective technology, has been studied. In this section, the influence of the process parameters on the obtained results and the improvement of the flexible insert materials, along with a characterization of all the results obtained has been studied. Also, several complementary topics have been researched: the enhancement of the functional properties of the obtained plastic parts via secondary treatments (coatings, ionic implantation), the study of the thermoforming of such textured films to be used as 3D mould inserts and the extension of the used injectable materials to current polymers of crescent industrial interest (biopolymers).

(Castellà) Las superficies con funcionalidades especiales debidas a sus topografías o texturas superficiales están muy presentes en la naturaleza que nos rodea. Millones de organismos vivos a nuestro alrededor se benefician de dichas funcionalidades especiales gracias a las características existentes en las interficies que los separan del entorno. Estas funcionalidades, tales como la humectabilidad especial o las propiedades antibacterianas, surgen de las características micro y nanométricas organizadas periódicamente presentes en esas interfaces. Estas propiedades que surgen de las interacciones de las micro y nanotexturas presentes en las superficies con el entorno circundante (luz, líquidos, agentes infecciosos, etc.), representan una poderosa fuente de inspiración hacia la funcionalización de las superficies de las piezas plásticas. La posibilidad de funcionalizar la superficie de piezas de plástico mediante una técnica basada en la replicación aplicada a una tecnología de producción de alto volumen y bajo coste por pieza tal como el moldeo por inyección ha adquirido un gran interés científico en los últimos años. Esta tecnología permite la producción de dichas piezas sin necesidad de utilizar recubrimientos o tratamientos especiales. Esto a su vez reduce la complejidad de dichas piezas y también los recursos y tiempos necesarios para la fabricación, al tiempo que reduce su huella ambiental. La producción de dichas superficies a través del moldeo por inyección requiere el uso de insertos de molde micro y nanotexturizados que sirven como herramientas de plantilla negativa para la obtención de las características texturizadas en la superficie de la pieza plástica final producida. En este sentido, en este estudio se ha investigado el uso de dos herramientas diferentes: insertos metálicos micro y nanotexturizados y en segundo lugar, insertos poliméricos flexibles. En la primera parte de esta investigación se estudia el uso de materiales metálicos micro y nanotexturizados como insertos de moldes de inyección; tecnología muy estudiada para la producción de superficies micro y nanotexturizadas. En este caso, la influencia de los parámetros del proceso en los resultados obtenidos se ha estudiado utilizando principalmente polímeros termoplásticos transparentes (PC, PMMA, PET, TPU). Paralelamente, se han investigado diversas mejoras tecnológicas de proceso y técnicas de caracterización funcional para determinar la funcionalidad de las piezas plásticas obtenidas. En esta sección se muestran aplicaciones prácticas de los resultados obtenidos en el marco de un proyecto financiado con fondos públicos. Los resultados muestran que la temperatura del molde y la presión de mantenimiento jugaron un papel importante en el grado de replicación de las micro/nanoestructuras obtenidas en la superficie de las piezas polimØricas fabricadas mediante moldeo por inyección isotérmica. Además, se investigaron las mejoras en la replicacion logradas al utilizar técnicas avanzadas de moldeo por inyección, tales como el moldeo por inyección variotérmica y el moldeo por inyección- compresión , y se caracterizaron minuciosamente las características funcionales relevantes promovidas por las micro y nanotexturas . En la segunda parte de la investigación se ha estudiado el uso de materiales poliméricos flexibles como insertos de molde, una tecnología más innovadora y potencialmente más rentable. En este apartado se ha estudiado la influencia de los parámetros del proceso en los resultados obtenidos y la mejora de los materiales de inserto flexible, junto con una caracterización de todos los resultados obtenidos. Además, se han investigado otros temas complementarios: la mejora de las propiedades funcionales de las piezas obtenidas mediante tratamientos especiales -recubrimientos o implantacion ionica-, el estudio del de dichos filmstexturizadas para su uso como insertos de moldes 3D y la extension de los materiales utizados a biopolimeros de gran interés industrial.