Plasma-Oberflächenvorbehandlung von Polymeren für eine verbesserte Adhäsionsverbindung

Plasma-Oberflächenvorbehandlung von Polymeren für eine verbesserte Adhäsionsverbindung

Die wichtigsten Erkenntnisse

• Die meisten Kunststoffe widersetzen sich dem Verkleben konstruktionsbedingt. Sie sind hydrophob, unpolar und chemisch inert, mit einer zu niedrigen Oberflächenenergie, als dass Klebstoffe sie benetzen könnten.
• Streben Sie etwa 8–10 dyn/cm oberhalb der Flüssigkeit an. Das ist die praktische Schwelle, ab der ein Klebstoff, eine Tinte oder eine Beschichtung das Substrat benetzt.
• Messen Sie den Rückzugswinkel, nicht nur den statischen Kontaktwinkel. Der Rückzugswinkel bildet tatsächlich die nach der Vorbehandlung modifizierte Oberfläche ab.
• Jedes Verfahren wirkt unterschiedlich tief – die Beflammung am flachsten, Korona und Plasma tiefer, UV/Ozon reicht am weitesten in das Material hinein.
• Die Behandlung altert. Die Lagerfähigkeit reicht von Stunden bis zu Monaten, je nach Harz, Additiven und Lagerung; verkleben Sie daher so bald wie möglich nach der Behandlung.

Zusammenfassung

Probleme bei der Polymer-Adhäsionsverbindung sind in der gesamten Kunststoffindustrie weit verbreitet. Zwei- und dreidimensionale Produkte erfordern häufig das Fügen von Kunststoff mit Kunststoff, Kunststoff mit Metall und Kunststoff mit Verbundwerkstoff. Viele Kunststoffe neigen wegen ihrer chemischen Struktur kaum dazu, sich mit anderen Materialien zu verbinden, und erfordern daher eine Vorbehandlung.

Plasma-Oberflächenvorbehandlungen werden eingesetzt, um die Haftung zwischen schwer verklebbaren Kunststoffsubstraten und Klebstoffen, Beschichtungen, Tinten und Lacken zu fördern. Dieser Beitrag behandelt die Plasmawissenschaft und die Wechselwirkungsmechanismen zwischen einem Plasma und einer Polymeroberfläche und räumt zudem mit verbreiteten Mythen auf.

Häufig gestellte Fragen

Warum benötigen Kunststoffe vor dem Kleben eine Oberflächenvorbehandlung?

Weil sie hydrophob, unpolar und chemisch inert sind und ihre Oberflächenenergie zu niedrig ist, als dass ein Klebstoff, eine Tinte oder eine Beschichtung sie benetzen könnte. Die Vorbehandlung oxidiert die Oberfläche und bringt polare funktionelle Gruppen ein – Carbonyl, Carboxyl, Hydroperoxid und Hydroxyl –, die die Oberfläche hydrophil und verklebbar machen.

Wie viel Oberflächenenergie benötige ich für eine zuverlässige Verbindung?

In der Regel wird eine akzeptable Haftung erreicht, wenn die Oberflächenenergie des Substrats etwa 8 bis 10 dyn/cm größer ist als die Oberflächenspannung der aufgebrachten Flüssigkeit. Unterhalb dieser Marge perlt die Flüssigkeit ab, statt zu benetzen.

Sind Testtinten-Stifte (Dyne-Stifte) für die Produktionskontrolle genau genug?

Sie sind Richtwertgeber, keine Präzisionsmessungen. Sie unterscheiden kostengünstig und zuverlässig gut von schlecht verklebbaren Oberflächen, doch die Ablesungen variieren je nach Prüfer erheblich, abhängig davon, wie das Verhalten der Flüssigkeit in der Mitte interpretiert wird. Flaschenlösungen sind Stiften vorzuziehen, die durch wiederholte Benutzung verunreinigt werden.

Ist Atmosphärendruckplasma ein günstigerer Ersatz für die Koronabehandlung?

Nein – das ist ein verbreiteter Irrtum. Die Koronabehandlung ist auf größeren Flächen oft wirksamer und behandelt tiefer, und viele Atmosphärendruckplasma-Systeme sind tatsächlich teurer.

Wie lange bleibt eine vorbehandelte Oberfläche verklebbar?

Zwischen Stunden und Monaten. Die Lagerfähigkeit wird durch niedermolekulare oxidierte Materialien begrenzt, die an die Oberfläche wandern – Antioxidantien, Weichmacher, Gleit- und Antistatikmittel, Farbmittel und Stabilisatoren. Wärme beschleunigt den Prozess durch erhöhte Kettenbeweglichkeit.

Kann eine Oberfläche überbehandelt werden?

Ja, und das verursacht echte Probleme. Übermäßig plasmaoxidierte Oberflächen können nachgelagerte Montageschritte wie Heißsiegeln und Schweißen beeinträchtigen und im Feld zu Delaminierungsausfällen führen.

Einleitung

Die „Gasphasen“-Plasma-Oberflächenoxidation (-modifikation) ist die häufigste Modifikationsmethode und erwiesenermaßen hochwirksam, wirtschaftlich und umweltverträglich. Die Wahl des Verfahrens für eine bestimmte Anwendung kann anspruchsvoll sein, unter anderem wegen Missverständnissen und uneinheitlicher Terminologie. Gängige Verfahren sind elektrische Korona, Remote-Kaltgasplasma, Beflammung und UV/Ozon (sowie Kombinationen). Mit Klebeversagen sind erhebliche Kostenfolgen verbunden, darunter mangelhafte Produktleistung im Feld, Ausschuss/Nacharbeit, Ineffizienzen in der Produktion und erhöhter Qualitätsprüfaufwand. Durch das Verständnis der Grundlagen von Kontaktwinkeln, Oberflächenbenetzung und chemischer Aktivierung lässt sich praktisch jedes Klebeproblem erfolgreich lösen, selbst bei den am schwersten verklebbaren polymeren und elastomeren Werkstoffen.

Kontaktwinkel, Oberflächenenergie und Benetzung

Der Grund, warum viele Kunststoffe schwer zu verkleben sind, liegt darin, dass sie hydrophobe, unpolare, chemisch inerte Materialien mit schlechter Oberflächenbenetzbarkeit sind, d. h. mit niedriger Oberflächenenergie. Während diese hydrophoben (wasserabweisenden) Leistungseigenschaften für Konstrukteure, die solche Eigenschaften suchen, ideal sind, sind sie der Erzfeind für Hersteller, die solche Materialien verkleben müssen. Eine robuste Adhäsionsverbindung erfordert in der Regel „hydrophile“ Oberflächen. Damit optimale Haftung entsteht, muss ein Klebstoff (Beschichtung, Tinte oder Lack) die zu verklebende Oberfläche (den Fügepartner) vollständig „benetzen“.

„Benetzen“ bedeutet, dass die Flüssigkeit fließt und eine Oberfläche bedeckt, um die Kontaktfläche und die Anziehungskräfte zwischen dem Klebstoff und der zu verklebenden Oberfläche des Fügepartners zu maximieren. Damit eine Flüssigkeit eine Oberfläche wirksam benetzt, muss die Oberflächenenergie des Klebstoffs gleich oder niedriger sein als die Oberflächenenergie des zu verklebenden Fügepartners. Alternativ muss die Oberflächenenergie des Substrats erhöht werden.

Betrachten Sie einen einzelnen Flüssigkeitstropfen auf einer ebenen festen Oberfläche in Ruhe (im Gleichgewicht). Der Winkel, den die feste Oberfläche und die Tangente an die Tropfenoberfläche im Endpunkt bilden, wird als Kontaktwinkel bezeichnet; es ist der Winkel (Θ) durch die Flüssigkeit zwischen der Tangente am Kontaktpunkt und der Horizontalen der festen Oberfläche. Die Blasen-/Tropfenform beruht auf den Molekularkräften, durch die alle Flüssigkeiten durch Kontraktion der Oberfläche das enthaltene Volumen in eine Form mit geringstmöglicher Oberfläche bringen. Die intermolekularen Kräfte, die die Oberfläche zusammenziehen, werden als Oberflächenspannung bezeichnet. Die Oberflächenspannung, ein Maß für die Oberflächenenergie, wird in dyn/cm (SI: N/m) angegeben.

Je höher die Oberflächenenergie des festen Substrats relativ zur Oberflächenspannung einer Flüssigkeit (Wasser, Druckfarben, Klebstoffe/Vergussmassen, Beschichtungen usw.) ist, desto besser ist seine „Benetzbarkeit“ und desto kleiner der Kontaktwinkel (Abbildung 1). In der Regel wird eine akzeptable Klebehaftung erreicht, wenn die Oberflächenenergie eines Substrats etwa 8 bis 10 dyn/cm größer ist als die Oberflächenspannung der Flüssigkeit.

Für viele Anwendungen kann es ausreichen, den statischen Gleichgewichtskontaktwinkel mit Testtinten gemäß einer dokumentierten Prüfvorschrift zu untersuchen. Anwendungssets bzw. „Dyne-Stifte/-Lösungen“ liefern nützliche Informationen, sind aber keine präzisen Messungen der Oberflächenspannung. Messungen der Oberflächenspannung können je nach Person (Technik) und der Interpretation des Verhaltens der „mittleren“ Flüssigkeit erheblich variieren.

Dyne-Stifte/-Lösungen sind bekanntlich Richtwertgeber für signifikante Unterschiede der Oberflächenspannung und können „gut“ und „schlecht“ verklebbare Oberflächen zu günstigem Preis identifizieren. Flaschenlösungen können wegen Verunreinigungsproblemen durch Mehrfachverwendung gegenüber Stiften vorzuziehen sein.

Dynamische Kontaktwinkel (DCA)

Die alleinige Prüfung des Flüssigkeitsverhaltens anhand des statischen Kontaktwinkels kann zu einer Fehlinterpretation der Ergebnisse an der Grenzfläche Flüssigkeit/Feststoff und der Lösung von Klebeproblemen führen. Denn industrielle Fertigungsabläufe sind realistischerweise dynamische, keine statischen Bedingungen. Daher ist es wichtig, den dynamischen Kontaktwinkel (DCA) zu verstehen (Abbildung 2).

Kontaktwinkel werden im Allgemeinen sowohl von Änderungen der Oberflächenchemie als auch der Oberflächentopografie beeinflusst. Der Fortschreitwinkel reagiert am empfindlichsten auf die niederenergetischen (unmodifizierten) Bestandteile der Substratoberfläche, während der Rückzugswinkel empfindlicher auf die hochenergetischen, oxidierten Gruppen reagiert, die durch Oberflächenvorbehandlungen eingebracht werden.

Somit ist der Rückzugswinkel tatsächlich die Messgröße, die den modifizierten Anteil der Oberfläche nach Vorbehandlungen am besten kennzeichnet, gemessen mit Testtinten. Daher ist es wichtig, sowohl den Fortschreit- als auch den Rückzugswinkel an allen oberflächenmodifizierten Materialien zu messen.

Haftet ein Tropfen an einer festen Oberfläche und wird die Oberfläche gekippt, schiebt sich der Tropfen nach vorn und gleitet abwärts. Die dabei gebildeten Winkel heißen Fortschreitwinkel (Θa) bzw. Rückzugswinkel (Θr). ASTM D724 beschreibt Verfahren zur Messung von DCAs mit hochentwickelten Geräten (optische Tensiometer und Goniometer), um Fortschreit- und Rückzugswinkel anhand von Tropfenformanalyse und Masse zu analysieren.

Chemische Oberflächenaktivierung

Hersteller neigen stark dazu, sich ausschließlich auf Kontaktwinkel oder andere Benetzbarkeitsmessungen als alleinigen Indikator für Klebeprobleme und für routinemäßige Oberflächenprüfungen zu konzentrieren. Die chemische Oberflächenfunktionalität ist ebenso wichtig, wobei hydrophobe Oberflächen zu verklebbaren hydrophilen Oberflächen aktiviert werden. Für die chemische Oberflächenaktivierung werden Gasphasen-Oberflächenoxidations-Vorbehandlungsverfahren mit „Glimmentladung“ eingesetzt. Diese Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass sie „Gasplasma“ erzeugen können – ein äußerst reaktives Gas aus freien Elektronen, positiven Ionen und weiteren Spezies. Plasmen lassen sich oft als vierter Aggregatzustand beschreiben. Bei Energiezufuhr schmelzen Feststoffe zu Flüssigkeiten, Flüssigkeiten verdampfen zu Gasen, und Gase ionisieren zu „Plasmen“.

In der Physik unterscheiden sich die Mechanismen, mit denen diese Plasmen erzeugt werden, doch ihre Wirkung auf die Oberflächenbenetzbarkeit ist ähnlich. Die grundlegende chemische und physikalische Reaktion besteht darin, dass im Plasma erzeugte freie Elektronen, Ionen, Metastabile, Radikale und UV-Strahlung eine Oberfläche mit Energien treffen können, die ausreichen, um die Molekülbindungen an der Oberfläche der meisten polymeren Substrate aufzubrechen. Dadurch entstehen sehr reaktive freie Radikale auf der Polymeroberfläche, die sich wiederum verbinden, vernetzen oder in Gegenwart von Sauerstoff rasch zu verschiedenen chemischen funktionellen Gruppen auf der Substratoberfläche reagieren können. Zu den polaren funktionellen Gruppen, die sich bilden und die Verklebbarkeit verbessern können, zählen Carbonyl- (C=O), Carboxyl- (HOOC), Hydroperoxid- (HOO-) und Hydroxylgruppen (HO-). Selbst geringe Mengen in Polymere eingebauter reaktiver funktioneller Gruppen können sehr vorteilhaft für die chemische Oberflächenfunktionalität und Benetzbarkeit sein. Zudem können chemische Haftvermittler (Primer)/Lösemittel und mechanisches Anschleifen (einschließlich der Textur des Formwerkzeugs) allein oder in Verbindung mit Vorbehandlungen genutzt werden.

Gängige Verfahren sind die elektrische Koronaentladung (auch als dielektrische Barriereentladung bekannt), elektrisches Atmosphärendruckplasma, Luftplasma (elektrische Entladung), Flammenplasma, Niederdruck-HF-Kaltgasplasma sowie UV-Bestrahlung/Ozon (und Kombinationen). Jede Methode ist anwendungsspezifisch und hat eigene Vorteile und mögliche Einschränkungen. Polymer (amorph oder teilkristallin), Plasmaverfahren, Klebmittel und Fertigungsprozess erfordern sorgfältige Untersuchung und Prüfung.

Eine wichtige Studie an Polypropylen ergab, dass die Beflammung am „flachsten“ zu wirken scheint – das heißt, der durch die Behandlung eingebaute Sauerstoff konzentriert sich am stärksten nahe der Außenfläche der Folie. Korona- und Plasmabehandlungen scheinen etwas tiefer in die Polymere einzudringen. Am anderen Extrem reichen die UV/Ozon-Behandlungen weiter in das Volumen der Polymere hinein.

Auch Entladungsbedingungen wie Feuchtigkeitseinflüsse sind wichtig.1 Es ist bekannt, dass bestimmte Vorbehandlungen und die Art ihrer Anwendung nachgelagerte Fertigungsprozesse nachteilig beeinflussen können, z. B. die Delaminierung von Zahnpastatuben beim Heißsiegeln.

Einflussfaktoren auf Haftung und Alterung (Lagerfähigkeit)

Grad bzw. Qualität der Vorbehandlung für eine robuste Haftfestigkeit hängen von der Sauberkeit der Kunststoffoberflächen ab. Die Oberfläche muss sauber sein, um eine optimale Vorbehandlung und anschließende Haftung zu erreichen. Zu den Verunreinigungsquellen auf Produktoberflächen, die die Behandlung hemmen, zählen Schmutz, Staub, Fett und Öl. Niedermolekulare Materialien wie Silikone, Trennmittel und Gleithemmer sind für das Kleben besonders schädlich. Auch die Materialreinheit ist ein wichtiger Faktor. Zudem können bestimmte lösliche oder unlösliche Verbindungen in Pigment- und Farbstoff-Farbmitteln die Haftung beeinträchtigen.

Die Lagerfähigkeit (Alterungsabbau der Behandlung) behandelter Kunststoffe hängt von Harztyp, Rezeptur und den Umgebungsbedingungen am Lagerort ab. Die Lagerfähigkeit behandelter Produkte wird durch das Vorhandensein niedermolekularer oxidierter Materialien (LMWOM) begrenzt, etwa Antioxidantien, Weichmacher, Gleit- und Antistatikmittel, Farbmittel und Pigmente, Stabilisatoren usw. Die Einwirkung erhöhter Temperaturen auf behandelte Oberflächen steigert die Beweglichkeit der Molekülketten. Je höher die Kettenbeweglichkeit, desto schneller altert die Vorbehandlung. Plasmabehandelte Oberflächen altern je nach Umgebungsfaktoren unterschiedlich schnell und in unterschiedlichem Ausmaß. Alterungsverhalten und Lagerfähigkeit sind für Fertigungsprozesse von wesentlicher Bedeutung. Aktivierte Oberflächen können eine Lagerfähigkeit von Stunden, Tagen, Monaten oder länger haben. Es wird empfohlen, Produkte so bald wie möglich nach der Vorbehandlung zu verkleben, zu beschichten, zu lackieren oder zu dekorieren.

Plasma-Oberflächenvorbehandlungen

Die klassische elektrische Koronaentladung (dielektrische Barriereentladung) wird mit einem Generator und Elektrode(n) erzeugt, die an eine Hochspannungsquelle angeschlossen sind, mit einer auf Potenzial null liegenden Gegenelektrode und einem als Barriere dienenden Dielektrikum. Das heißt, eine Hochfrequenz-Hochspannungsentladung (Aufwärtstransformator) erzeugt eine Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten, die Erdung erfordert, mit 35+ kV und 20–25 kHz. Kundenspezifische Elektrodenkonfigurationen ermöglichen die Behandlung vieler unterschiedlicher Oberflächengeometrien – eben, konturiert, vertieft, isoliert usw.

Ein Anwendungsbeispiel ist ein Koronabehandlungssystem für elektrische Steckverbinder, bei dem eine Kombination aus Stift- und Kugelelektroden gleichzeitig 3D-Bohrungen mit kleinem Durchmesser und ebene Außenflächen behandelt, US-Patent US5051586 (1991)2. Im Plasmabereich entsteht durch die elektrische Entladung Ozon. Die Koronaentladung hat sich als recht wirksam beim Reinigen unsichtbarer Kohlenwasserstoffrückstände erwiesen, die z. B. nach einer Lösemittel- oder Detergenzienreinigung vorhanden sind.

Mythos: Atmosphärendruckplasma ist eine kostengünstige Ersatztechnologie für die Koronaentladung.

Fakt: Die Koronaentladung ist bei größeren Flächen und größerer Behandlungstiefe oft wirksamer. Tatsächlich sind viele Atmosphärendruckplasma-Systeme teurer.

Das elektrische „Luftplasma“ ist eine Koronaentladungs-Punktbehandlung (auch als Blasluftplasma/Druckluftkorona/Blasbogen bezeichnet). Dieser Behandlungskopf besteht aus zwei nahe beieinanderliegenden Hakenelektroden, die an einen Hochspannungstransformator angeschlossen sind und einen Lichtbogen von etwa 7 bis 12 kV sowie eine (im Vergleich zur elektrischen Koronaentladung) niedrigere Frequenz von 50 bis 60 Zyklen/s erzeugen. Mittels Druckluft erzeugt dann ein kontinuierlicher Lichtbogen eine Koronaentladung, „Plasma“. Es ist keine positive Erdung erforderlich. Dieses Vorbehandlungsverfahren hat praktisch keine Reinigungswirkung. Es entsteht Ozon.

Mythos: Die Koronaentladungs-Punktbehandlung ergibt eine längere Lagerfähigkeit als die Beflammung.

Fakt: Wissenschaftliche Studien zeigen, dass Flammenplasma auf Polyolefinen wegen seiner relativ geringeren Behandlungstiefe eine längere Lagerfähigkeit nach der Behandlung ergibt.

Atmosphärendruckplasma oder elektrisches Blasionenplasma (auch als fokussiertes Koronaplasma bezeichnet) nutzt eine einzelne schmale Düsenelektrode, die von einem elektrischen Generator und einem Aufwärtstransformator gespeist wird, sowie Druckluft, in der im Behandlungskopf ein intensives fokussiertes Plasma erzeugt wird, das nach außen strömt. Dieses Vorbehandlungsverfahren kann Schmutz, Rückstände und einige Kohlenwasserstoffe vom Substrat reinigen, nicht aber die meisten Silikone und Gleitmittel. Neuere Forschung deutet darauf hin, dass ein feines Ätzen der Oberfläche neue Topografien für eine erhöhte mechanische Verklammerung schaffen kann. Die Ozonbildung ist vernachlässigbar.

Mythos: Atmosphärendruckplasma ist elektrisch potenzialfrei.

Fakt: Atmosphärendruckplasma wird besser als „niedriges Potenzial“ charakterisiert, sofern nicht für eine konkrete Anwendung eindeutig nachgewiesen ist, dass es null ist. Zwischen den Geräteherstellern gibt es Leistungsunterschiede.

Die Behandlung mit Flammenplasma nutzt die hochreaktiven Spezies, die bei der Verbrennung von Luft und Kohlenwasserstoffgas vorhanden sind (um das Plasma zu erzeugen). Obwohl die Beflammung exotherm ist, erzeugt die Wärme nicht die chemische Funktionalität und die verbesserte Oberflächenbenetzung. Die Beflammung reinigt Schmutz, Rückstände und einige Kohlenwasserstoffe vom Substrat.

Die Beflammung entfernt keine Silikone, Trennmittel und Gleitmittel. Die Beflammung kann wegen ihrer relativ geringeren Behandlungstiefe von der Oberfläche, 5 bis 10 nm, eine höhere Benetzung, Oxidation und Lagerfähigkeit bewirken als elektrische Vorbehandlungen. Es entsteht kein Ozon. Vergleichen Sie bei der Beschaffung von Beflammungsbrennern Flächenbrenner (Ribbon) mit Brennern mit gebohrten Öffnungen sowie die Vorteile von Null-Gasdruckreglern.

Mythos: Beflammung ist unsicher. Falsche Kritik kommt von konkurrierenden Geräteherstellern.

Fakt: Seit Jahrzehnten wird die Beflammung in vielen Branchen als sichere und wirksame Technik eingesetzt.

Pyrosil® ist ein neu bewertetes Vorbehandlungsverfahren, das kürzlich von Applied Surface Technologies LLC und The Sabreen Group Inc. für Kunststoffe (und Metalle) optimiert wurde. Das Pyrosil-Verfahren ist eine proprietäre Flammentechnologie, die vor 30 Jahren von SURA Instruments GmbH entwickelt wurde und sich für die Vorbehandlung von Glas und Keramik als hochwirksam erwiesen hat.

Kürzlich hat Sabreen das Verfahren eigenständig für Kunststoffanwendungen weiterentwickelt, die Klebeverbindungen, UV-Tintenstrahl-Haftung sowie dekorative und funktionale Beschichtungen erfordern. Die Ergebnisse waren bei vielen Produkten ausgezeichnet und übertrafen in manchen Fällen die herkömmlichen Verfahren der elektrischen Entladung und Beflammung. Die Prozesskontrolle von Primer-Auftrag und Flammenverbrennung ist für eine optimale Adhäsionsverbindung entscheidend.

Das Pyrosil-Verfahren ist eine Technologie der chemischen Gasphasenabscheidung durch Verbrennung, die zu einer amorphen Silikatschicht auf dem behandelten Substrat führt. Die Oberfläche wird mit dem oxidierenden Teil einer Gasflamme behandelt, der den Präkursor, eine siliciumorganische Verbindung, enthält. Der Präkursor wird während des Prozesses pyrolysiert (thermische Zersetzung), und die entstehende Asche wird als amorphes Silikat auf der Oberfläche abgeschieden, was zu einer ultradünnen (20 bis 40 nm), stark haftenden Beschichtung führt.

Mit anderen Worten: Es entsteht eine chemisch hochreaktive, glasartige Schicht. Durch das Verdampfen einer proprietären Chemie, die mit Propan gemischt und dann verbrannt wird, wird SiOx (Siliciumdioxid) auf Substraten abgeschieden. SiOx erzeugt eine hohe Oberflächenspannung für verbesserte Hydrophilie (Benetzbarkeit). Pyrosil unterscheidet sich von der Standard-Beflammung. Leicht skalierbare Produktionssysteme können kundenspezifisch gebaut werden.

Mythos: Das Pyrosil-Verfahren ist dasselbe wie die herkömmliche Beflammung.

Fakt: Die Pyrosil-Technologie unterscheidet sich von der Beflammung. Es ist ein Abscheideverfahren mit einem Gemisch aus Gas und Silikonverbindungen.

Auswahl einer Plasma-Oberflächenvorbehandlung

Bedenken Sie, dass jedes Verfahren der Oberflächenvorbehandlung anwendungsspezifisch ist und eigene Vorteile und mögliche Einschränkungen haben kann. Berücksichtigen Sie für robuste Ergebnisse die folgenden Faktoren:

• Polymere reagieren unterschiedlich auf Oxidationsverfahren. Die Art des polymeren Substrats und seine Leistungsanforderungen im Endeinsatz sind entscheidend für die Wahl des Vorbehandlungsverfahrens.
• Ist das Substrat (das zu behandelnde Produkt) leitfähig? So lassen sich beispielsweise unmontierte Kunststoff-Steckverbindergehäuse – ohne Metallkontaktstifte – elektrisch behandeln, während bei montierten Steckverbindern elektrische Überschläge auftreten können.
• Bauteilgeometrie: Ebene Flächen lassen sich leichter behandeln als tiefe Vertiefungen, extreme Verjüngungen und andere Formunregelmäßigkeiten. Benetzungsprüfungen sind in kleinen Bereichen und auf stark texturierten Oberflächen schwierig durchzuführen.
• Automatisierung der Materialhandhabung: Leitfähige Bänder und Ketten können bei der klassischen elektrischen Koronaentladung und bei Punktbehandlungsgeräten elektrische Überschläge verursachen. Erwägen Sie alternativ Beflammung, Kaltgasplasma oder Atmosphärendruckplasma mit niedrigem Potenzial.
• Überbehandlung vermeiden. Übermäßig plasmaoxidierte Oberflächen können nachgelagerte Montageprozesse wie Heißsiegeln/Schweißen nachteilig beeinflussen.
• Nicht alle Vorbehandlungsanlagen sind gleich. Prüfen Sie die Qualität der gebauten Systeme im Betrieb. Beobachten Sie bei elektrischen Behandlungsverfahren die Gleichmäßigkeit der Plasmaentladung; bedenken Sie bei der Beflammung die Unterschiede zwischen Flächenbrennern (Ribbon) und Brennern mit gebohrten Öffnungen sowie die Komponenten des Verbrennungssystems; prüfen Sie beim Kaltgasplasma die Qualität der Kammerkonstruktion, der Elektrodenböden und insbesondere den Hersteller der Vakuumpumpe.

Polymer-Klebeprobleme sind weit verbreitet und nicht auf Klebstoffe beschränkt. Mit dem Versagen einer Adhäsionsverbindung sind erhebliche Kostenfolgen verbunden. Plasma-Oberflächenvorbehandlungen sind die häufigste Modifikationsmethode, kosteneffizient und sicher. Die Wahl des Verfahrens für eine bestimmte Anwendung kann anspruchsvoll sein, unter anderem wegen Missverständnissen und uneinheitlicher Terminologie.

Durch das Verständnis der Wissenschaft von Kontaktwinkeln, Oberflächenbenetzung und chemischer Aktivierung lässt sich praktisch jedes Klebeproblem erfolgreich lösen, selbst bei den anspruchsvollsten polymeren und elastomeren Werkstoffen.

The Sabreen Group bietet umfassende Schulungen vor Ort zu Adhäsionsverbindungsprozessen, Plasma-Vorbehandlung und fortschrittlichen Fertigungstechniken an. Vorbehandlungsanlagen werden im eigenen Haus anhand tatsächlicher Produktionsteile und mit Echtzeitprüfung vorgeführt. Garantierte Ergebnisse.

Scott R. Sabreen ist Gründer und Präsident der The Sabreen Group, Inc., eines Ingenieurunternehmens, das auf sekundäre Kunststoffverarbeitung spezialisiert ist – Laserbeschriftung, Oberflächenvorbehandlung, Kleben, Dekoration und Veredelung sowie Produktsicherheit. Sabreen entwickelt seit mehr als 30 Jahren wegweisende Technologien und löst Fertigungsprobleme. Sie erreichen ihn unter 972.820.6777 oder über www.sabreen.com bzw. www.plasticslasermarking.com.

Literaturverzeichnis

• Mark Strobel, Mary Jane Walzak, Josephine M. Hill, Amy Lin, Elizabeth Karbashewski & Christopher S. Lyons (2012) A comparison of gas-phase methods of modifying polymer surfaces, Journal of Adhesion Science and Technology, 9:3, 365-383, DOI: 10.1163/156856195X00554
• Scott R. Sabreen, The Sabreen Group, Inc., “Surface Wetting Pretreatment Methods,” Plastics Decorating magazine, 2002

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