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Entwicklung von Verfahren zur enzymatischen Epoxidierung von Pflanzenölen und Fettsäurederivaten
(2018) Haitz, Fabian; Hirth, Thomas (Prof. Dr. rer. nat.)
Pflanzliche Öle werden in der chemischen Industrie häufig funktionalisiert, um in verschiedenen Anwendungsgebieten eingesetzt werden zu können. Eine interessante Funktionalisierung stellt die Epoxidierung der in verschiedenen Fettsäuren enthaltenen C=C-Doppelbindung dar. Die so erzeugten Pflanzenöl-basierten Epoxide können beispielsweise als Weichmacher in Kunststoffen, als Monomerbausteine zur Herstellung von Polymeren oder als Intermediate zur Herstellung von Schmierstoffen verwendet werden. Zur Epoxidierung von Pflanzenölen und daraus gewinnbaren Fettsäurederivaten können Enzyme eingesetzt werden. In dieser Arbeit wurden insgesamt 18 verschiedene freie Lipasen hinsichtlich ihrer Fähigkeit zur Persäurebildung untersucht und die damit verbundene Epoxidierung am Beispiel von Ölsäure für neun ausgewählte Lipasen gezeigt. Dabei wurden fünf neue CalB-ähnliche Lipasen aus verschiedenen Pseudozyma sp. identifiziert und auf Aminosäureebene mit der Lipase B aus Pseudozyma antarctica (CalB) verglichen. Die Epoxidierung verschiedener Pflanzenöle und Pflanzenöl-basierter Derivate wurde unter Verwendung einer immobilisierten Lipase optimiert. Die Optimierung der enzymatischen Epoxidierung zweier nicht im Lebensmittelbereich eingesetzter Pflanzenöle, Drachenkopf- und Senföl, erfolgte mit Hilfe der statistischen Versuchsplanung. Als Einflussgrößen wurden die Enzym- und Lösemittelmenge, die Inkubationszeit und die Reaktionstemperatur variiert. Durch die Auswahl dieser beiden hinsichtlich ihrer Fettsäurezusammensetzung sehr unterschiedlichen Pflanzenöle konnte eine Prozessoptimierung unter Berücksichtigung der Substratcharakteristika erfolgen. Dabei wurden für beide Öle Epoxidausbeuten von über 90 % erzielt. Die in dieser Arbeit für zwei verschiedene Pflanzenöle optimierten Reaktionsparameter konnten erfolgreich auf die Umsetzung von 15 verschiedenen Pflanzenölen übertragen werden. Für alle Öle wurden Epoxidausbeuten von 70 bis über 95 % erreicht. Die unterschiedlichen enzymatisch hergestellten Pflanzenölepoxide wurden umfangreich hinsichtlich der Viskosität sowie des Schmelz- und Kristallisationsverhaltens charakterisiert. Dabei wurden die Ergebnisse erstmals in Bezug auf die Fettsäurezusammensetzung der Substrate diskutiert. Des Weiteren wurde in dieser Arbeit erfolgreich die Epoxidierung verschiedener Fettsäurederivate gezeigt. Dabei wurden Fettsäuremethylester, verschiedene freie Fettsäuren, 9-Octadecen-1,18-dicarbonsäure und 9-Octadecen mit hohen Epoxidausbeuten umgesetzt. Die Skalierbarkeit der chemo-enzymatischen Epoxidierung wurde in dieser Arbeit erfolgreich am Beispiel der Umsetzung von Drachenkopföl bis in den 10 L-Maßstab gezeigt. Als geeignetes Maßstabsübertragungskriterium wurde der konstante volumenspezifische Leistungseintrag identifiziert. Im Zuge der Maßstabsübertragung wurde außerdem der Einfluss verschiedener Prozessparameter, wie des Lösemittel- und Dispersphasenanteils sowie der Rührerdrehzahl auf die im Reaktor erzielte Tropfengrößenverteilung beschrieben. Zur in-situ-Messung der Tropfengrößenverteilung wurde ein 3D-ORM-System eingesetzt. Die sich bei spezifischen Prozessbedingungen einstellende charakteristische Tropfengrößenverteilung wurde in Form des sogenannten Sauterdurchmessers d32 dargestellt und anschließend in Zusammenhang mit den jeweils erzielten Epoxidierungsraten diskutiert.
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Plasmaunterstützte Gasphasenabscheidung (PE-CVD) von Multifunktionsschichten aus dem Precursorensystem Hexamethyldisiloxan/Sauerstoff
(2016) Baier, Maximilian Paul; Hirth, Thomas (Prof. Dr. rer. nat.)
Inhalt der Arbeit ist die Erzeugung von Siliziumoxidschichten mit variablem Kohlenstoffgehalt auf verschiedenen Kunststoff-Substraten. In Abhängigkeit vom Kohlenstoffgehalt weisen die Schichten unterschiedliche Eigenschaften auf. Hergestellt wurden sie mit plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (plasma enhanced chemical vapor deposition PE-CVD). Dabei wurden als Substrate Polyethylenterephthalat (PET), Polycarbonat (PC) und high density polyethylen (HDPE), letzteres in zwei unterschiedlichen Formen, verwendet. Die drei Materialien wurden in Form von Folien beschichtet. Darüber hinaus wurden HDPE-Kanister mit einem Volumen von 20 L (innen) beschichtet. Für die beiden unterschiedlichen Substratformen wurden Plasmareaktoren entwickelt und dabei vor allem die Führung der Prozessgase beachtet. Darüber hinaus wurde eine Simulation der Gasströme in verschiedenen Reaktorkonfigurationen durchgeführt und eine wirbelfreie Gasführung entwickelt. Der Reaktor zur Beschichtung der HDPE-Kanister ist zweigeteilt in den Kanisterinnenraum und die Umgebung des Kanisters. Die Innenseite sollte beschichtet werden, die Außenseite nicht. Dafür wurden dort zwei separierbare Gasführungen angelegt. Dadurch kann ein Druckgradient (in der Arbeit wurde außen ein höherer Druck erzeugt als innen) zwischen der Umgebung des Kanisters und dem Kanisterinneren aufgebaut werden. Wegen der bei geringerem Druck niedrigeren benötigten Zündspannung kann so das Plasma auf das Innere des Kanisters beschränkt werden. Auf den Substraten wurden folgende Schichteigenschaften untersucht und variiert: Barrierewirkung gegen die Permeation von Sauerstoff und Wasserdampf, die Oberflächenenergie und die Haftung der Schichten auf den unterschiedlichen Substraten. Die Barrierewirkung wurde mit elektrolytischen Messverfahren und dem Kalziumtest untersucht. Dabei konnten mit SiO2-Schichten auf PET-Folien Permeationsraten von 2*10-2 g/(m² d) erreicht werden. Im Kanisterreaktor konnte keine Schicht mit Barrierewirkung hergestellt werden. Die Permeationsraten waren stark abhängig von der Dicke der Barriereschichten und der Dichte der Schichtdefekte. Funktionierende Barriereschichten auf den HDPE-Kanistern ließen sich auf Grund zu hoher Defektdichten nicht herstellen. Die Bildung der Defekte, im wesentlichen Partikel, konnte durch Modifikation der Gaszufuhr, des Drucks, der Elektrodenflächen und durch Anlegen einer Gleichspannung an die Elektroden während des Plasmaprozesses deutlich reduziert werden. So konnten, abhängig von diesen Einstellungen, im Plasma z. T. sehr dicke Staubfilme (~0,1 mm) oder Schichten mit weniger als 50 Partikeln pro mm² erzeugt werden. Trotzdem war die Defektdichte in den Schichten auf der Innenseite der Kanister einige Größenordnungen höher als in den Schichten auf Folie. Einerseits war in dem Reaktor die Verweildauer der Teilchen höher als im Flachreaktor, so dass sich größere Partikel bilden konnten, andererseits konnte, genau wie im Flachreaktor, nicht die ganze Reaktorwand vor der Abscheidung dieser Partikel geschützt werden. Für die Einstellung der Oberflächenenergie wurden SiOxCy-Schichten hergestellt, die abhängig vom Sauerstoffgehalt im Precursorengas-Gemisch und der ins Plasma eingekoppelten Leistung hydrophile oder hydrophobe Eigenschaften aufwiesen. Die Haftung der Schichten wurde direkt mit dem Gitterschnitttest und indirekt durch Messung der inneren Verspannung bestimmt. Dabei zeigte sich, dass die starren SiO2-Schichten stark verspannt waren und im Gitterschnitttest auf PET vollständig versagten (Gitterschnittkennwert 5). Auf den anderen Substraten konnten Gitterschnittkennwerte von 2 erreicht werden. Die Haftung der SiO2-Schichten konnte durch das Abscheiden einer Pufferschicht vor der Abscheidung der SiO2-Schicht verbessert werden.
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Selektive Elektrodynamische Fragmentierung : Zerkleinerungsmechanismen und Einsatzmöglichkeiten zur Rückgewinnung von Wertstoffen
(2020) Pestalozzi, Samuel Fadri; Hirth, Thomas (Prof. Dr. rer. nat.)
Aufschluss und Sortierung sind zentrale Schritte moderner Recyclingtechnologien. Eine treibende Kraft für die Suche nach neuen Aufbereitungsverfahren ist die Zusammensetzung moderner Produkte, welche eine zunehmende Stoffvielfalt aufweisen, was für herkömmliche Recyclingtechnologien eine erhebliche Schwierigkeit darstellt. Parallel dazu steigen auch die Anforderungen an Aufbereitungsverfahren durch steigende Verwertungsquoten. Bei der im Feststoff-Recycling bisher weit verbreiteten mechanischen Zerkleinerung wird zwar die Korngröße des Aufgabegutes verringert, die einzelnen Körner bestehen dann aber teilweise noch immer aus einem Konglomerat verschiedener Stoffe. Als alternatives Verfahren zu mechanischen Zerkleinerungstechnologien wird in dieser Arbeit die Fragmentierung mittels Hochspannungsentladungen (HSE) in Wasser untersucht. Bei der elektrodynamischen Fragmentierung (EDF, SelFrag Lab S2.1) werden mittels hoher Spannungen (90-200 kV) bei kurzer Pulsanstiegszeit (150-200 ns) Feststoffdurchschläge ermöglicht. Im Gegensatz dazu erreichen die Entladungen bei der elektrohydraulischen Fragmentierung (EHF, ImpulsTec EHF-100) geringere Spannungswerte (30-50 kV) bei längerer Pulsanstiegszeit (500-2 000 ns), was zu Durchschlägen im Arbeitsmedium führt. Die thermische Expansion im Entladungskanal (bis 10^4 K) führt in beiden Fällen zu Druckschwankungen (bis 10^10 Pa), welche die erwünschte Fragmentierung verursachen. Bei Feststoffdurchschlägen werden die Druckschwankungen innerhalb des Materials ausgelöst (Zugkräfte). Bei Entladungen im Arbeitsmedium propagieren die Druckschwankungen durch das Medium und treffen von außen auf die Probenoberfläche (Druckkräfte). Elektropulsverfahren werden für die Auftrennung von Mineralien zwar seit Jahren eingesetzt, ihre Anwendung im Recyclingbereich ist jedoch bisher wenig wissenschaftlich untersucht worden. Ein wesentlicher Vorteil beim Einsatz von HSE gegenüber mechanischer Zerkleinerung ist die verbesserte Selektivität beim Feststoff-Aufschluss. Dies birgt somit das Potential, den nachgeschalteten Trennprozess effizienter zu gestalten. Ziel dieser Arbeit ist ein grundlegendes Prozessverständnis der Fragmentierung von Verbundmaterialien mittels HSE. Die Erforschung von Zerkleinerungsmechanismen bildet dabei den ersten Schritt in der Entwicklung eines Verfahrens zur Kreislaufführung von Verbundmaterialien durch HSE. Als Forschungs- und Entwicklungslücke hinsichtlich ausgewählter sekundärer Stoffströme wurde die Anwendung zur Aufbereitung von Dünnschicht-Photovoltaik-Modulen identifiziert und durch die vorliegende Arbeit geschlossen. Die Beiträge zum theoretischen Prozessverständnis umfassten Grundlagenuntersuchungen zur Festlegung und Bestimmung von Kennwerten zum Aufbereitungserfolg, systematische Aufbereitungsuntersuchungen sowie Übertragbarkeitsuntersuchungen mit weiteren Werkstoffen. Dabei wurden drei Haupt-Kennwerte verwendet. Der Zerkleinerungsgrad (Z) beschreibt das Verhältnis der medianen Korngröße vor und nach einem Zerkleinerungsvorgang. Der Funkenwirkungsgrad (ηPF) beschreibt das Verhältnis von in der Anlage eingesetzter Pulsenergie zu im Prozessgefäß umgesetzter Funkenenergie. Der Liberationsgrad (L) quantifiziert den Aufbereitungserfolg durch einen Vergleich zwischen der Masse eines freigelegten Zielwerkstoffes und dessen gesamter Masse im Werkstoffverbund. Das Prozessverständnis wurde durch Versuche mit kugelförmigen Modell-Probenkörpern aus der Verfahrenstechnik (Bruchkugeln mit Durchmesser 16 mm) erweitert. Als Modellmaterialien wurden Kalk-Natron-Glas (Glas) und Aluminiumoxid (Keramik) verwendet. Zur Quantifizierung einzelner Zerkleinerungsmechanismen wurden neben Bruchkugeln aus Glas oder Keramik auch bruchfeste Kugeln aus Naturkautschuk verwendet. Auf Basis dieser Versuche wurde die Zerkleinerungswirkung des elektrodynamischen Effektes quantitativ mit einer Überlagerung aus elektrohydraulischem Effekt und autogenem Mahleffekt verglichen. Als Modellparameter wurde hierzu der jeweils erreichte Zerkleinerungsgrad (Z) der massenspezifisch umgesetzten Zerkleinerungsenergie (EZ) gegenübergestellt (dZ/dEZ). Zur getrennten Betrachtung des elektrodynamischen Zerkleinerungsmechanismus einerseits und einer Überlagerung aus Elektrohydraulik und autogener Mahlung andererseits wurde eine Positionierhilfe aus ABS verwendet. Für Versuche mit Glaskugeln stieg der elektrodynamische Anteil am Zerkleinerungserfolg von 53 % mit Positionierhilfe auf 67 % ohne Positionierhilfe an. Bei der Fragmentierung von Keramikkugeln wurde eine rein elektrodynamische Fragmentierung ohne messbaren Beitrag des elektrohydraulischen Effektes und des autogenen Mahleffektes nachgewiesen. Dieses Ergebnis wurde auch durch die Tatsache gestützt, dass nach Entnahme der Positionierhilfe der Wert für dZ/dEZ bei Glas um den Faktor 5,7 anstieg, wohingegen der Anstieg bei Keramik mit einem Faktor von 1,4 deutlich geringer ausfiel. Im Gegensatz zu einer mechanischen Zekleinerung mittels Prallmühlen wurden im Verlauf einer Fragmentierung mittels HSE zunächst sinkende Werte für dEZ/dD50 gemessen. Im weiteren Zerkleinerungsverlauf stiegen die dEZ/dD50-Werte bei HSE dann ähnlich wie bei einer mechanischen Zekleinerung fortlaufend an. Als mögliche Gründe für diesen atypischen Zerkleinerungsverlauf wurden neben der in der Literatur beschriebenen Vorschwächung aufgrund hoher induzierter Dehnraten die bei der EDF wirkenden Zugkräfte identifiziert. Ein Übergang von sinkenden zu steigenden dEZ/dD50-Werten könnte somit ein Hinweis auf eine vermehrte elektrohydraulische Fragmentierung sein, da diese wie bei mechanischer Aufbereitung auf Druckkräften beruht. Eine Hypothese aus der Literatur besagt, dass sich Werkstoffverbunde mit größerer interner Permittivitätsdifferenz mittels EDF besser auftrennen lassen als homogener aufgebaute Verbunde. Zur Überprüfung dieser Hypothese wurden Anwendungsversuche mit Photovoltaik-Modulen (Typ CdTe und CIS), Glasfaserverbundwerkstoffen sowie Proben aus dem Elektrogerätebereich (Steckerverbindungen und Lautsprechermodule) mit unterschiedlicher interner Permittivitätsdifferenz durchgeführt. Die interne Permittivitätsdifferenz wurde über die Grenzflächenpolarisation (dε) nach Debye definiert. Aus der EDF dieser Proben ergab sich für eine Grenzflächenpolarisation über dε=100 ein Prozessfenster, in welchem eine Liberation von L > 80 % erreicht wurde. Dieses Modellvorgehen erlaubt somit die Einteilung noch unerforschter Werkstoffverbunde in zwei Gruppen zur Aufschlusszerkleinerung mittels entweder EDF oder EHF. Bei der Fragmentierung von Dünnschicht-Photovoltaik-Modulen (DPV) vom Typ CIS konnte festgestellt werden, dass die Liberation der enthaltenen Halbleitermetalle nicht vom Spannungsniveau, sondern lediglich von der total umgesetzten Pulsenergie abhängig war. Bei demselben Energieumsatz von 121-125 J/g erreichten sowohl die EHF als auch die EDF vergleichbare Liberationswerte über 80 %. Bei CIS-DPV wurde somit trotz eines hohen Wertes von dε=2900 entgegen der Hypothese aus der Literatur kein verbessertes Trennergebnis der EDF gegenüber der EHF beobachtet. Da für Pulse höherer Spannung ein anlagenspezifisch größerer Aufwand nötig ist, ist somit eine Fragmentierung von CIS-DPV bei tieferen Spannungen und somit die EHF der EDF vorzuziehen. Im Ergebnis zeigte diese Arbeit, dass ein Einsatz von HSE zur erhöhten Selektivität beim Feststoff-Aufschluss unter Berücksichtigung des Entladungstypus (EDF oder EHF) erfolgen muss. Mit Hilfe von Modellsubstanzen konnte der elektrodynamische Anteil einer Zerkleinerung stoffspezifisch auf 100 % (Keramik) resp. 53 bis 67 % (Glas) quantifiziert werden. Dies schließt ungeeignete Werkstoffe ohne elektrohydraulische Zerkleinerungswirkung wie etwa Keramik von einer EHF aus. Im Zusammenhang mit einer Fragmentierung durch HSE wurde in der Literatur nebem der Permittivität auch die akustische Impedanz als wichtige Einflussgröße genannt, welche sich somit als weiterer Modellierungsansatz anbietet. Im Rahmen dieser Promotion wurden neben Grundlagen- und Anwendungsuntersuchungen zusätzlich noch Ansätze zur Erweiterung des Prozessfensters der Fragmentierung mittels HSE aufgezeigt. Zur Spektroskopie während der EDF wurde eine Prozessgefäßmodifikation mit Sichtfenster umgesetzt und die Plasmatemperatur aus den aufgenommenen Emissionsspektren mit 6 800-7 700 K bestimmt. Mittels Kalibration der Spektrogramme durch Fragmentierung bekannter Reinststoffe könnte diese Modifikation in einem möglichen Folgevorhaben zur Elementidentifikation eingesetzt werden. Zur Fragmentierung in alternativen Prozessmedien wurde des Weiteren ein Autoklav entwickelt und ein erster Prototyp gefertigt, dessen Konstruktion derzeit zur Sicherstellung eines erfolgreichen Entladungsverlaufes überarbeitet wird.
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Strömungsdynamik und Stofftransport in einem Strahl-Kolonnenflotationsapparat zur Abtrennung oberflächenaktiver Substanzen aus wässrigen Stoffströmen
(2020) Ziegler, Eike Eric; Hirth, Thomas (Prof. Dr. rer. nat.)
Die Arbeit befasst sich mit der Untersuchung eines Strahl-Kolonnenflotationsapparates, der zur Reinigung und Konditionierung von Prozesswasser eingesetzt wird. Um den Einfluss der Strömungsdynamik auf den Stofftransport von oberflächenaktiven Substanzen (OAS) an die Phasengrenzfläche besser zu verstehen, wurden einzelne Bereiche des Apparates bezüglich der funktionalen Zusammenhänge zwischen den einzelnen Betriebsparametern näher untersucht. In einem ersten Schritt wurde die Strömungsdynamik in einem exemplarischen FSA mit Finite-Pointset-Method (FPM), einem punktbasierten Strömungssimulations-CFD-Programm, simuliert, um die Ausbreitung des Treibstrahles in der Mischkammer und dort auftretende lokale Strömungszonen zu visualisieren. Basierend auf den Simulationsergebnisse wurden fünf Treibdüsengeometrien gefertigt und für die Untersuchung der Blasenströmung im Flotationsbehälter hinzugezogen. Diese Treibdüsen wurden in ein handelsübliches Strahlapparatgehäuse eingesetzt, um zusätzlich zur Treibdüsengeometrie den Einfluss des Treibdruckes und von koaleszenzverändernden Substanzen auf die erzeugte Blasenströmung zu untersuchen. Durch Variation der Konzentration von sieben unterschiedlichen Salzen mit charakteristischen Ionenkombinationen und Fokus auf Natriumchlorid, wurde das Koaleszenzverhalten der Blasenströmung in einem Konzentrationsbereich zwischen 0 und 30 g/l unter Messung von Blasengröße und Gasanteil erfasst. Durch Definition einer Blasenaufstiegsfunktion, die den funktionalen Zusammenhang zwischen mittlerer Blasenaufstiegsgeschwindigkeit und Sauterdurchmesser in der Blasenströmung beschreibt, kann für die einzelnen Betriebszustände die Flussdichte der Phasengrenzfläche Sb approximiert werden, die als Schlüsselparameter zur Bestimmung der Flotationsrate gilt.Aufgrund der Inhibierung von Koaleszenz in der Blasenströmung fällt für kosmotrophe Salze die Blasengröße mit steigender Salzkonzentration entlang einer Exponential-Funktion. Hierdurch steigt der Gasanteil in dem Flotationsbehälter entlang einer Sigmoid-Funktion an und die Flussdichte der Phasengrenzfläche nimmt zu. Mit Sodium-Dodecyl-Sulfat (SDS) als oberflächenaktiver Modellsubstanz wurde dessen Abreicherung anhand von Batch-Versuchen unter Variation der Gasleerrohrgeschwindigkeit, der SDS-Konzentration und der NaCl-Konzentration mit einem hierfür entwickelten Gasanteilsensor messtechnisch erfasst. Aus den Messdaten wurde die Konzentrationsabnahme in Abhängigkeit der Flotationszeit berechnet und in Bezug zur Flussdichte der Phasengrenzfläche gesetzt. Die Ergebnisse wurden zur Erstellung eines Berechnungsprogramms genutzt, welches den Stofftransport an die Phasengrenzfläche durch eine flächenbezogene Anlagerungsfunktion berechnet. Diese ist entweder in ein Differentialgleichungssystem eingebettet oder wird in einer Berechnungsschleife mit thermodynamisch begründeter Adsorptionsisotherme genutzt. Damit kann der Einfluss von Gasleerrohrgeschwindigkeit und Flussdichte der Phasengrenzfläche auf die Flotation gezeigt und der Bezug zu der Abreicherung von OAS und den hierbei auftretenden Stofftransport hergestellt werden.
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Synthese und Charakterisierung hochsulfonierter homo-Poly(arylenphenylphosphinoxid)e für den Einsatz in der Mitteltemperaturpolymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (MT-PEMFC)
(2017) Aniol, Karin; Hirth, Thomas (Prof. Dr. rer. nat.)
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese und Charakterisierung von sulfonierten homo-Poly(arylenphenylphosphinoxid)en und deren Anwendung als saure Vernetzer in Basenüberschussblendmembranen mit verschiedenen Polybenzimidazol-Typen (PBI) als basische Blendkomponenten. Das optimierte Membranmaterial wird sowohl ex-situ als auch in-situ hinsichtlich der oxidativen Stabilität für den Einsatz in der Mitteltemperaturbrennstoffzelle (MT-PEMFC) sowie dem HyS-Elektrolyseur (Hybrid Sulfur) untersucht.
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Wetting, de-icing and anti-icing behavior of microstructured and plasma-coated polyurethane films
(2019) Grimmer, Philipp E. S.; Hirth, Thomas (Prof. Dr. rer. nat.)
Ice build-up on surfaces, for example on wings of airplanes or on rotor blades of wind turbines, impairs the functionality of transportation vehicles or technical systems and reduces their safety. Therefore, functional anti-ice surfaces are being researched and developed, which shall enable an easy removal or reduce the amount of ice on the surfaces at risk. The starting hypothesis for this work is that superhydrophobic polyurethane (PU) films with microstructure base diameters of 35 µm or more reduce the wetting by water, show a low ice adhesion for easy removal of ice and reduce or delay icing. Superhydrophobic PU films for passive anti- and de-icing were created by hot embossing and plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). The hot embossing process as well as the plasma coating and etching processes were analyzed for the dependence of the surface characteristics on different process parameters. The functionalized PU films were characterized for their surface topography, surface chemistry, stability against erosion, wettability, ice adhesion and icing behavior. For comparison, the ice adhesion and icing behavior were examined on relevant technical materials (aluminum, titanium, copper, glass, epoxy resin of carbon fiber reinforced polymer and other fluoropolymers) and on some commercial anti-ice coatings. The PU films were chemically analyzed by IR spectroscopy. As the first process step for functionalization, microstructures of cylindrical, elliptical or linear shape were imprinted in PU films by a hot embossing technique with different ns-pulsed laser-drilled stamps and characterized by several microscopy methods. The microstructures had heights of 15 µm to 140 µm, diameters or widths of 35 µm to 300 µm and distances (pitch values) of 50 µm to 500 µm. The embossing process was analyzed and optimized in terms of the process parameters temperature, pressure, time, PU film release temperature and reproducibility of the microstructures. In a second functionalization step (PECVD) the microstructured surfaces were coated with thin, hydrophobic plasma polymers using different fluorocarbon precursors (CHF3, C3F6 and C4F8) or hexamethyldisiloxane (HMDSO). Different process parameters for plasma coating and etching (Ar or O2 plasmas) were used in order to create various nanoscale roughness values. Electron spectroscopy for chemical analysis (ESCA), spectroscopic ellipsometry and atomic force microscopy (AFM) were used for analysis of the chemical composition, the thickness and the nanoroughness of the plasma polymers. The functionalizations, especially the plasma coatings, were completely worn off by a UV/water weathering test (1000 h, X1a CAM 180 Test, SAE J-2527), but showed sufficient stability against sand erosion (DIN 52348), in a long-term outdoor test for 13.5 months and against fivefold repeated pull-off of ice. The silicone-like plasma coatings were more stable than the fluorocarbon plasma coatings. The wetting behavior of water was determined by static, advancing and receding contact angle measurements. Static contact angle measurements with diiodomethane (DIM) were made for determination of the surface free energies of the relevant surfaces. Advancing contact angles of over 150° and very low contact angle hysteresis values below 10° were reached on some of the cylindrically and elliptically structured PU samples with microstructure base diameters in the range of 35 µm to 50 µm. The measured water advancing contact angles did not reach the theoretical values of the Cassie-Baxter state. Starting from a mixed wetting state near Cassie-Baxter in case of the superhydrophobic PU surfaces, they approached the Wenzel state with an increasing pitch/diameter (P/d) factor. Fluorescence laser scanning microscopy images were taken of some microstructured, uncoated or plasma coated samples during the wetting by a water drop containing a fluorescent dye. These images show the Wenzel state or a mixed wetting state by visualization of the interface between the water droplet and the surface. A new icing test chamber and a test setup were developed for characterization of the ice adhesion and the icing behavior. The tensile ice adhesion was measured at -20 °C by pull-off of ice cylinders (highly purified water, (<0.056 µS/cm, diameter of 4 mm, similar to the diameter of large raindrops) and compared to the theoretical values and the wetting behavior. The technical material surfaces measured for comparison showed a high ice adhesion, which led to cohesive fractures especially on the metal surfaces, whereas some of the commercial anti-ice coatings showed lower ice adhesion values. The flat, plasma coated PU surfaces showed adhesive fractures with a reduced ice adhesion compared to the technical material surfaces and uncoated PU and revealed a good correlation of the ice adhesion with the wetting behavior of water (work of adhesion). On the other hand, the microstructured PU surfaces showed a greatly increased ice adhesion in comparison to the flat PU and technical material surfaces which was enhanced even further by the plasma coatings and did not correlate with the wetting behavior. The reason for this is the wetting transition from the Cassie-Baxter to the Wenzel state during the cooling or freezing process, leading to an increased ice-surface contact area and mechanical interlocking of the ice with the micro- and nanostructures. The freezing of water drops was examined in thermodynamic equilibrium (static experiment) and under quasi-steady conditions (dynamic experiment). In the static experiment, 15 µl water drops (corresponding to medium to large raindrops) at room temperature were dispensed onto a cold surface at a constant temperature of -20 °C. The freezing delay times, the crystallization times and the total freezing times were measured and compared to calculated expected values. On the flat samples, the freezing delay times could be extended by the plasma treatments. On the microstructured samples, the freezing (nucleation) could sometimes be delayed even further, but not always reproducible because of an unstable Cassie-Baxter state. In the dynamic experiment, 25 µl water drops (corresponding to large raindrops) were cooled down in quasi-steady conditions with the surface and the surrounding atmosphere by a constant, low cooling rate of 1 K/min while the water drop temperature was measured by an IR camera for determination of the surface-specific nucleation temperature and crystallization time. A lower nucleation temperature could be measured on the flat, plasma coated PU surfaces compared to uncoated PU and the hydrophilic glass and metal surfaces. The superhydrophobic PU surfaces did not show a further reduction of the nucleation temperature because of an unstable Cassie-Baxter state. The resulting measured nucleation temperatures were compared to the expected values calculated with an enhanced nucleation theory including a quasi-liquid interfacial layer of the ice nucleus and a Poisson process. Overall, it is shown that hot embossing and PECVD are useful processes for creating superhydrophobic PU surfaces with regard to a roll-to-roll process. The flat, plasma coated PU films show a reduced ice adhesion and lowered nucleation temperature compared to the relevant technical material surfaces. The microstructured, plasma coated PU films are far more water repellent than the flat, plasma coated PU surfaces or the other technical materials. However, the microstructures with base diameters of 35 µm or more and the nanoroughness of the plasma coatings cannot stabilize the Cassie-Baxter state of a freezing water drop enough for a low ice adhesion or a significant decrease of the nucleation temperature. These superhydrophobic PU films are therefore not more icephobic than the flat, plasma coated PU films. In the outlook, the reduction of the geometrical parameters of the microstructures (diameter D, distance P) and nanostructures (curvature radius R) of the surface functionalizations for lower ice adhesion values and nucleation temperatures is proposed.