Vorbehandeln mit Plasma bei Atmosphärendruck

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  • JOT 6|200558

    Entladungen und Plasma-Jets (Plasma-dsen). Whrend die Corona-Techno-logie seit langem in der Fertigung ein-gesetzt wird, sind Plasma-Jets erst seiteinigen Jahren bei einer zunehmendenZahl von Anwendungen zu finden.Eine bersicht ber die vorhandenenTechnologien wurde krzlich auf einerTagung der Europischen Forschungs-gemeinschaft Dnne Schichten(EFDS) in Dresden gegeben (siehedazu auch JOT 1/2005, S. 48).

    Bei der Auswahl einer optimalenVorbehandlung ist eine Reihe vonAspekten zu bercksichtigen. Dazugehren insbesondere Kompatibilitt(Integrierbarkeit) mit einem bestehen-den Produktionsprozess, Arbeits- undUmweltschutzaspekte sowie eine aus-reichende Langzeitbestndigkeit derAktivierung. Zur Auswahl der richtigenVorbehandlungsmethode stehen amFraunhofer IFAM eine Vielzahl anTechnologien zur Verfgung, um dieoptimale Lsung fr den jeweiligenAnwendungsfall zu finden. Daruntermehrere Atmosphrendruck-Plasma-systeme unterschiedlicher Hersteller.

    Das Spektrum der verfgbarenMethoden und die langjhrige Erfah-rung der Mitarbeiter am FraunhoferIFAM erlauben die optimale Vorbe-handlungsmethode fr einen Kundenzu finden und die Einfhrung bis zurFertigung zu begleiten. Beispielhaftwerden im Folgenden Ergebnisse zurAktivierung von Kunststoffen durcheinen Plasma-Jet vorgestellt.

    Plasma aus der Dse

    Zur Plasmavorbehandlung beiAtmosphrendruck wurde eine Anlagedes Unternehmens Plasmatreat GmbH(Steinhagen) eingesetzt. Das Plasmawird bei diesem System innerhalbeiner Dse durch speziell gestalteteElektroden erzeugt. Das System kannmit Druckluft betrieben werden und

    Zum Vorbehandeln von Kunststof-fen und Metallen steht eine Viel-zahl von Methoden zur Verfgung.Nach der Art der Aktivierungswirkungknnen sie in mechanische, physikali-sche und chemische Vorbehandlungs-verfahren unterteilt werden. Die zuden physikalischen Methoden geh-

    renden Plasmaverfahren werden nachihrem Einsatzdruckbereich weiter als Atmosphrendruck-Plasma (1 bar)beziehungsweise Niederdruck-Plasma(< 1 bar) klassifiziert. Zu den Plasmen,die bei Atmosphrendruck betriebenwerden, gehren Aktivierungen mit-tels Corona, dielektrisch behinderte

    Vorbehandeln mit Plasma bei Atmosphrendruck

    Bild 1: Unterschiedliche Vorbehandlungsmethoden, die am Fraunhofer IFAMbis auf wenige Ausnahmen verfgbar sind

    Zum Kleben und Lackieren von Kunststoffen ist in vielen Fllen eineVorbehandlung (Aktivierung) notwendig. Produktionstechnisch vonbesonderem Interesse sind dabei Verfahren, die leicht in Fertigungs-linien zu integrieren sind. Die Plasma-Aktivierung bei Atmosphren-druck erfllt diese Voraussetzung.

    Integrierbarkeit in die Fertigung Zeitbestndigkeit (Haltbarkeit) der Aktivierung Prozesssicherheit Wartungsfreundlichkeit Umwelt und Arbeitsschutz Bentigte Gte der Aktivierung Toleranz gegenber variierenden Werkstoffqualitten (z.B. Kontaminatio-

    nen durch Trennmittel) Kosten (investiv, laufend)

    A S P E K T E B E I D E R A U S W A H L E I N E R V O R B E H A N D L U N G S M E T H O D E

    R E I N I G E N & V O R B E H A N D E L N

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    kommt damit ohne die Verwendungvon (teuren) Edelgasen aus. Durch dieDsenffnung wird das Plasma an-schlieend auf das zu behandelndeMaterial in Form eines Plasmastrahls(Plasma-Jets) ausgestoen.

    Zur Aktivierung werden die Sub-strate dabei typischerweise mitGeschwindigkeiten von 10 bis 400m/min durch den Plasma-Jet bewegt.Alternativ kann auch der Plasma-Jetmittels Roboter ber ein feststehendesSubstrat bewegt werden. Durch diespezielle Dsenkonstruktion bleibtder eigentliche Behandlungsraum ander Substratoberflche nahezu elek-trisch potenzialfrei. Es ist dadurch pro-blemlos mglich, neben Kunststoffenauch Metalle oder metallhaltige Poly-mer-Recyclate zu aktivieren.

    Die Aktivierung der Oberflchegeschieht durch die chemische undphysikalische Wechselwirkung des

    Aktivierung fr 30 Sekunden in Iso-Propanol im Ultraschallbad gereinigt.Anschlieend wurden die Proben mitHilfe des Plasma-Jets aktiviert. Durchdie Aktivierung kommt es zu einer drastischen Zunahme der Oberfl-chenspannung, welche die Benetzbar-keit der Oberflche durch den Kleb-stoff beziehungsweise Lack erleich-tert. Typische Oberflchen-Energiennach der Aktivierung liegen bei 50 bis65 mN/m.

    Die Verbesserung der Klebfestig-keit wurde durch Verklebung der Pro-benkrper im aktivierten sowie imunbehandelten Zustand untersucht.Als Klebstoff kam ein 2-Komponen-ten-Polyurethan-Klebstoff zum Ein-satz. Die Klebfestigkeit wurde inAnlehnung an DIN EN 1465 (Zug-scherversuch) ermittelt. Im Vergleichzu den unbehandelten Proben ist nachder Aktivierung in allen Fllen einestarke Zunahme der Klebfestigkeit zubeobachten. Dies ist verbunden miteiner nderung des Bruchverhaltens.

    Bei den unbehandelten Proben istdie Ursache des Klebversagens durchdie schlechte Haftung des Klebstoffesauf der Substratoberflche gegeben(Adhsionsbruch). Im Falle der akti-vierten Proben wird dagegen Kohsi-ons- oder Fgeteilbruch beobachtet.Durch die Aktivierung erreicht manalso Klebfestigkeiten im Bereich derstrukturellen Festigkeit des Fgeteils

    Plasmas mit dem Substrat. Die Akti-vierung von groflchigen Substratenerfolgt durch Kombination mehrererDsen und Verbreiterung der D-senffnung oder durch die Verwen-dung von rotierenden Dsen. Das Vor-behandlungsverfahren kann fr nahe-zu beliebig geformte Werkstcke ver-wendet werden. Es ist problemlos inInline-Prozesse zu integrieren, kanndurch Roboter gefhrt werden undstellt nur geringe Anforderungen andie Arbeitssicherheit.

    Klebfestigkeit und Lackhaftung

    Die Vorbehandlungseffekte durchdas Atmosphrendruck-Plasma wurdenan den unpolaren Kunststoffen PP,PVDF und PE-HD sowie an den pola-ren Kunststoffen PET und PA6 unter-sucht. Die Materialien wurden vor der

    Bild 2: Anlagen im industriellen Mastab am Fraunhofer IFAM fr die Aktivierung durch Plasma-Jets bei Atmosphrendruck(links) und durch Niederdruck-Plasmen (rechts)

    Bild 3: Zugscher-festigkeiten vorund nach derPlasma-Aktivie-rung. Bei allenaktivierten Pro-ben kommt esentweder zumFgeteilbruchoder Kohsions-bruch.

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    (bestimmt durch XPS) auf bis zu 30 at% durch die Plasmavorbehand-lung. Dieser hohe Wert ist ein wesent-licher Grund fr die gute Aktivierungs-wirkung des Plasma-Jets.

    Ein Teil der Untersuchungen (AiF-Nr.12651 N/1) wurde aus Haushaltsmittelndes Bundesministeriums fr Wirtschaft undTechnologie ber die Arbeitsgemeinschaftindustrieller ForschungsvereinigungenOtto von Guericke e.V. durch dieDECHEMA Gesellschaft fr ChemischeTechnik und Biotechnologie e.V gefrdert.

    Aktivierungseffektes bei PA6. DerAktivierungseffekt klingt in den ersten30 Tagen nur sehr langsam ab undselbst nach sechs Monaten liegt nocheine ausreichende Oberflchen-Ener-gie mit einhergehender guter Kleb-festigkeit vor. Dieser geringe Verlustder Aktivierung ist ein wesentlicherVorteil des Plasma-Jets gegenber demCorona-Verfahren.

    Die Ursache der Aktivierung durchden Plasma-Jet liegt in der Modifizie-rung der Oberflche des Substrates.Die reaktiven Bestandteile des Plas-mas fhren dabei im Wesentlichenzum Einbau von Sauerstoff in dieOberflche. Es entstehen funktionelleGruppen, die eine kovalente Bindungzu den Moleklen des Klebstoffesbeziehungsweise des Lackes ermgli-chen. Ihre Anzahl bestimmt daherwesentlich die Gte der Aktivierung.Bild 5 zeigt die Zunahme der ober-flchennahen Sauerstoffkonzentration

    beziehungsweise des Klebstoffes. DieAdhsion zwischen Klebstoff undFgeteil ist damit nicht mehr derfestigkeitslimitierende Faktor bei derVerklebung.

    Die Verbesserung der Lackhaftungwurde durch Lackieren der Kunststoff-proben mit einer wssrigen 2-K-Acrylat-PU-Dispersion und einemlsemittelbasierten 2-K-isocyanathalti-gen Lacksystem untersucht. Die Aus-wertung erfolgte durch eine Gitter-schnittprfung in Anlehnung an DINEN ISO 2409. Ausgehend von keinerLackhaftung (GT5) bei den nicht akti-vierten Proben erreicht man in allenFllen durch die Vorbehandlung eineVerbesserung auf sehr gute Lackhaf-tung (GT0-Ergebnis). Diese Ergebnis-se zeigen, dass Plasma-Jets eine quali-tativ sehr hochwertige Aktivierungs-wirkung, sowohl fr Kleb- wie frLackieranwendungen, erzielen knnen.

    Langzeitbestndigkeit der Aktivierung

    Aufgrund von Oberflchenvernde-rungen auf molekularer Basis verlierenvorbehandelte Oberflchen mit derZeit ihren Aktivierungeffekt. Einwichtiges Kriterium bei der Auswahleiner Vorbehandlungsmethode istdaher die maximal mgliche Dauerzwischen Aktivierung und Verklebungbeziehungsweise Lackierung. Bild 4zeigt am Beispiel von Messungen derOberflchen-Energie (Kontaktwinkel)und Klebfestigkeit das Abklingen des

    Der Autor: Dr. Uwe Lommatzsch, Fraun-hofer Institut fr Fertigungstechnik undAngewandte Materialforschung (IFAM),

    Bremen, Tel. 0421/2246-456,lom@ifam.fraunhofer.de,www.ifam.fraunhofer.de

    Bild 5: Oberflchennahe Sauerstoff-Konzentration derKunststoffe vor und nach der Plasma-Aktivierung

    Bild 4: Zeitbestndigkeit der Aktivierung von PA6

    Ergebnisse der Gitterschnittprfungen der lackierten Proben mit und ohne Plasma-Aktivierung

    Lsemittelhaltiger Lack Wasserbasierter Lack

    Kunststoff ohne Plasma-Jet ohne Plasma-JetVorbehandlung Vorbehandlung

    PP GT 5 GT 0 GT 5 GT 0

    PC GT 5 GT 0 GT 5 GT 0

    PE GT 5 GT 0 GT 5 GT 0

    PVDF GT 5 GT 0 GT 5 GT 0

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