Lösungen für Kleben und Fügen von Kunststoffen

Fachkundige Verfahrenstechnik für komplexe 2D- und 3D-Klebeaufgaben — fortschrittliche Technologien und Six-Sigma-Methoden, auf die Hersteller in der Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik, Automobilindustrie und Konsumgüterbranche weltweit vertrauen.

Klebverbindungsfehler beim Kleben und Fügen von Kunststoffen

Plasmatests vor Ort und Schulungen zur Oberflächenwissenschaft

Klebverbindungsfehler und Haftungsversagen treten an der Grenzfläche zweier gleichartiger oder unterschiedlicher Substratoberflächen auf. Klebprozesse beruhen sowohl auf Adhäsions- als auch auf Kohäsionskräften. Je nach Stärke dieser Kräfte lässt sich die Art des Versagens als Adhäsions-, Kohäsions- oder Substratversagen charakterisieren. Adhäsionsversagen bzw. Delamination wird in der Regel durch die Eigenschaften des Substrats verursacht, einschließlich seiner Oberflächenchemie und Oberflächenenergie, der Oberflächenvorbereitung und der Anwendungsverfahren. Kohäsionsversagen betrifft die innere Festigkeit des Klebstoffs. Substratversagen steht nicht im Zusammenhang mit dem Klebprozess, sondern mit der Festigkeit des Substrats selbst. Die Klebverbindung ist stärker als das eigentliche Substrat.

Haftungsprobleme lassen sich schnell lösen — mit Verfahrenstechnik-Experten, die sich mit Polymeren und Metallen, Chemie, Klebstoffen, Haftvermittlern (Primern), Beschichtungen, Silanen, Plasma-Vorbehandlungen, Oberflächenqualität, Formgebungsprozessen und Prüfverfahren auskennen.

The Sabreen Group erzielt herausragende Erfolge bei der Lösung komplexer zwei- und dreidimensionaler Klebprobleme mithilfe unserer fortschrittlichen Technologien und Six-Sigma-Prozessmethoden. Wir entwickeln innovative Lösungen für ein breites Anwendungsspektrum, darunter Kampfflugzeuge, Medizintechnik, Automobilindustrie, Elektronik, Konsumgüter und mehr. Eines unserer patentierten Verfahren wurde während der Operation Desert Storm zur Herstellung von „Smart Bomb"-Waffensystemen eingesetzt und gilt bis heute als Standard für herausragende Klebequalität in militärischen und NASA-Anwendungen. Eine weitere Technologie ermöglicht außergewöhnliche Haftungsleistung wasserbasierter Beschichtungen auf Polyolefin-Produkten für Außengehäuseanwendungen.

SABREENs Technologien werden zur Herstellung vieler der bekanntesten militärischen und kommerziellen Produkte von heute eingesetzt — von der Internationalen Raumstation über Pharmazeutika bis hin zu Unterwasser-Actionkameras. SABREENs Ingenieurleistungen haben unseren Kunden branchenführende Auszeichnungen eingebracht, darunter das „Pharmaceutical/Medical Packaging Product of the Year", das in das Smithsonian National Museum aufgenommen wurde. Unsere frühzeitige Projektbeteiligung beschleunigt die Projektzeitpläne.

SABREENs innovative Lösungen

Individuell entwickelte Klebe-, Aushärtungs- und Vorbehandlungstechnologien für ein breites Spektrum an Materialien und Anwendungen.

Individuelle Klebe- und Aushärtungstechnologien für die hermetische Versiegelung von Polyolefinen

Individuelle Vorbehandlung, Tintenstrahlchemie & UV-LED-Aushärtung

Plasma-Vorbehandlung & individuelle Tinte auf PPS-Zifferblatt für Tresorschlösser

Bahnbrechende Tintenstrahltechnologie für elastomere Wearables

Optomechanisches Kleben von Antibeschlag-/AR-/Hartbeschichtung auf Polycarbonat

Plasma-Vorbehandlung für Polyolefin-Verschlüsse

Flammkaschierung für Automobilsitze

Preisgekrönte, modische Aufbewahrungsetuis für Verhütungsmittel im Pharma-/Medizinbereich

Polymer-Dachziegel, dekoriert/beschichtet zur Nachbildung von Schiefer und Holzschindeln, 40 Jahre Garantie für Lichtechtheit, Feuer- und Windbeständigkeit

Vollfarbiger Digitaldruck mit FDA-konformer, chemikalienbeständiger Klarlack-Deckschicht für Spülmaschinenbeständigkeit

Individuelle Dekoration & Spezialeffekt-Deckbeschichtungen zur Nachbildung von Soft-Touch- und Holzmaserungsoptik

Vollständiges technisches Nachschlagewerk

14 ausführliche Themen zu Wissenschaft, Materialien, Verfahren und Qualitätskontrolle für erfolgreiches Kleben und Fügen. Klicken Sie auf ein Thema, um mehr zu erfahren.

Kontaktwinkel

Der Kontaktwinkel ist der Winkel, der typischerweise durch die Flüssigkeit gemessen wird, an der Stelle, an der eine Flüssigkeits-Dampf-Grenzfläche auf eine feste Grenzfläche trifft. Der Kontaktwinkel quantifiziert über die Young-Gleichung die Benetzbarkeit einer festen Oberfläche durch eine Flüssigkeit.

Oberflächenenergie, Benetzung

Der Grund, warum sich viele Kunststoffe nur schwer verkleben lassen, liegt darin, dass es sich um hydrophobe, unpolare Materialien handelt, die chemisch inert sind und eine schlechte Oberflächenbenetzbarkeit besitzen — d. h. eine niedrige Oberflächenenergie. Während diese hydrophoben (wasserabweisenden) Eigenschaften für Konstrukteure ideal sind, die genau solche Eigenschaften anstreben, sind sie für Hersteller, die derartige Materialien verkleben müssen, ein echtes Ärgernis. Für eine belastbare Klebeverbindung sind in der Regel „hydrophile" Oberflächen erforderlich. Damit eine optimale Haftung entsteht, muss ein Klebstoff (Beschichtung, Tinte oder Farbe) die zu verklebende Oberfläche (das Fügeteil) vollständig „benetzen".

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

Betrachten Sie einen einzelnen Flüssigkeitstropfen auf einer ebenen, festen Oberfläche im Ruhezustand (Gleichgewicht). Der Winkel, der zwischen der festen Oberfläche und der Tangente an die obere Oberfläche am Endpunkt gebildet wird, wird als Kontaktwinkel bezeichnet; es ist der Winkel durch die Flüssigkeit zwischen der Tangente am Kontaktpunkt und der horizontalen Linie der festen Oberfläche. Die Blasen-/Tropfenform ist auf die molekularen Kräfte zurückzuführen, durch die alle Flüssigkeiten infolge der Oberflächenkontraktion dazu neigen, das eingeschlossene Volumen in die Form mit der geringsten Oberfläche zu bringen. Die intermolekularen Kräfte, die die Oberfläche zusammenziehen, werden als „Oberflächenspannung" bezeichnet. Die Oberflächenspannung, ein Maß für die Oberflächenenergie, wird in dynes/cm (SI N/m) angegeben.

Je höher die Oberflächenenergie des festen Substrats im Verhältnis zur Oberflächenspannung einer Flüssigkeit (Wasser, Druckfarben, Klebstoffe/Vergussmassen, Beschichtungen usw.) ist, desto besser ist dessen „Benetzbarkeit" und desto kleiner ist der Kontaktwinkel. In der Regel wird eine akzeptable Klebehaftung erreicht, wenn die Oberflächenenergie eines Substrats etwa 8 bis 10 dynes/cm höher ist als die Oberflächenspannung der Flüssigkeit.

„Oberflächenbenetzung" bei hydrophilen und hydrophoben Oberflächen im Vergleich

Chemische Oberflächenaktivierung

Hersteller neigen stark dazu, sich bei der routinemäßigen Oberflächenprüfung ausschließlich auf Kontaktwinkel oder andere Benetzbarkeitsmessungen als alleinigen Indikator für Klebeprobleme zu konzentrieren. Die chemische Oberflächenfunktionalität ist ebenso wichtig, da hydrophobe Oberflächen dabei in klebfähige hydrophile Oberflächen umgewandelt werden. Zur chemischen Oberflächenaktivierung werden gasphasenbasierte Oberflächenoxidations-Vorbehandlungsverfahren mittels „Glimmentladung" eingesetzt. Diese Verfahren zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, „Gasplasma" zu erzeugen — ein extrem reaktives Gas aus freien Elektronen, positiven Ionen und anderen Spezies. Plasmen werden häufig als vierter Aggregatzustand bezeichnet. Bei Energiezufuhr schmelzen Feststoffe zu Flüssigkeiten, Flüssigkeiten verdampfen zu Gasen, und Gase ionisieren zu „Plasmen".

Physikalisch betrachtet unterscheiden sich die Mechanismen, durch die diese Plasmen erzeugt werden, jedoch sind ihre Auswirkungen auf die Oberflächenbenetzbarkeit ähnlich. Die grundlegende chemische und physikalische Reaktion besteht darin, dass im Plasma erzeugte freie Elektronen, Ionen, Metastabile, Radikale und UV-Strahlung eine Oberfläche mit ausreichender Energie treffen, um die Molekülbindungen an der Oberfläche der meisten polymeren Substrate aufzubrechen. Dadurch entstehen an der Polymeroberfläche sehr reaktive freie Radikale, die sich anschließend bilden, vernetzen oder in Gegenwart von Sauerstoff rasch zu verschiedenen chemischen funktionellen Gruppen an der Substratoberfläche umsetzen können. Polare funktionelle Gruppen, die sich bilden und die Klebfähigkeit verbessern können, umfassen Carbonyl- (C=O), Carboxyl- (HOOC), Hydroperoxid- (HOO-) und Hydroxylgruppen (HO-). Selbst geringe Mengen reaktiver funktioneller Gruppen in Polymeren können die chemische Oberflächenfunktionalität und Benetzbarkeit erheblich verbessern. Zudem können chemische Haftvermittler/Lösungsmittel und mechanisches Anschleifen (einschließlich der Werkzeugtextur) allein oder in Kombination mit Vorbehandlungen eingesetzt werden.

Einflussfaktoren auf Haftung & Alterung der Lagerfähigkeit

Der Grad bzw. die Qualität der Vorbehandlung für eine belastbare Haftfestigkeit wird von der Sauberkeit der Kunststoffoberflächen beeinflusst. Die Oberfläche muss sauber sein, um eine optimale Vorbehandlung und anschließende Haftung zu erzielen. Zu den Verunreinigungsquellen auf Produktoberflächen, die die Behandlung beeinträchtigen, zählen Schmutz, Staub, Fett und Öl. Niedermolekulare Stoffe wie Silikone, Trennmittel und Anti-Rutsch-Mittel sind für die Verklebung besonders schädlich. Auch die Materialreinheit ist ein wichtiger Faktor. Darüber hinaus können bestimmte lösliche oder unlösliche Verbindungen, die in Pigment- und Farbstoffcolorants verwendet werden, die Haftung negativ beeinflussen.

Die Lagerfähigkeit (Alterung der Behandlung) behandelter Kunststoffe hängt von der Harzart, der Formulierung und den Umgebungsbedingungen des Lagerbereichs ab. Die Lagerfähigkeit behandelter Produkte wird durch das Vorhandensein niedermolekularer oxidierter Stoffe (LMWOM) wie Antioxidantien, Weichmacher, Gleit- und Antistatikmittel, Farbstoffe und Pigmente, Stabilisatoren usw. begrenzt. Die Einwirkung erhöhter Temperaturen auf behandelte Oberflächen erhöht die Beweglichkeit der Molekülketten. Je höher die Kettenbeweglichkeit ist, desto schneller altert die Vorbehandlung. Plasmabehandelte Oberflächen altern je nach Umgebungsbedingungen unterschiedlich schnell und in unterschiedlichem Ausmaß. Alterungsverhalten und Lagerfähigkeit sind für den Fertigungsprozess von zentraler Bedeutung. Aktivierte Oberflächen können eine Lagerfähigkeit von Stunden, Tagen, Monaten oder länger aufweisen. Es wird empfohlen, Produkte so bald wie möglich nach der Vorbehandlung zu verkleben, zu beschichten, zu lackieren oder zu dekorieren.

Auswahl einer Plasma-Oberflächenvorbehandlung

Beachten Sie, dass jede Oberflächenvorbehandlungsmethode anwendungsspezifisch ist und individuelle Vorteile sowie mögliche Einschränkungen mit sich bringen kann. Für belastbare Ergebnisse sollten Sie folgende Faktoren berücksichtigen:

• Polymere reagieren unterschiedlich auf Oxidationsprozesse. Die Art des polymeren Substrats und die Anforderungen an die Endanwendung sind entscheidend für die Wahl der Vorbehandlungsmethode.
• Ist das Substrat (das zu behandelnde Produkt) leitfähig? Unbestückte Kunststoffgehäuse elektronischer Steckverbinder — ohne Metallkontaktstifte — können beispielsweise elektrisch behandelt werden, während bestückte Steckverbinder zu elektrischen Lichtbogenproblemen führen können.
• Bauteilgeometrie — ebene Flächen lassen sich leichter behandeln als tiefe Vertiefungen, extreme Verjüngungen und andere Formunregelmäßigkeiten. Benetzungstests sind auf kleinen Flächen und stark strukturierten Oberflächen schwer durchzuführen.
• Automatisierte Materialhandhabung: Leitfähige Bänder und Ketten können bei klassischer elektrischer Koronabehandlung und Punktbehandlungsgeräten zu Lichtbogenbildung führen. Alternativ empfiehlt sich der Einsatz von Beflammung, Kaltgasplasma oder Atmosphärendruckplasma mit niedrigem Potenzial.
• Vermeiden Sie eine Überbehandlung. Übermäßig plasmaoxidierte Oberflächen können nachgelagerte Montageprozesse wie Heißsiegeln/Schweißen beeinträchtigen.
• Nicht jede Vorbehandlungsanlage ist gleichwertig. Prüfen Sie die Qualität bestehender Anlagen im laufenden Betrieb. Beobachten Sie bei elektrischen Behandlungsverfahren die Gleichmäßigkeit der Plasmaentladung; achten Sie bei der Beflammung auf die Unterschiede zwischen Band- und Lochdüsenbrennern sowie den Komponenten des Verbrennungssystems; prüfen Sie bei Kaltgasplasma die Qualität der Kammerkonstruktion, der Elektrodenhalterungen und insbesondere den Hersteller der Vakuumpumpe.

Oberflächenreinheit

Beste Methode zur Prüfung der Oberflächenqualität — Der Surface Analyst™ 2001 ist ein digitales Handmessgerät zur Messung von Kontaktwinkeln direkt in der laufenden Produktion, ohne chemische dyne-Lösungen zu verwenden. Die Methode ist zerstörungsfrei; das Bauteil kann daher wie gewohnt weiterverarbeitet werden — im Gegensatz zur Prüfung mit dyne-Lösungen, bei der das Bauteil angekratzt wird. Der von BTG Labs entwickelte Surface Analyst™ wurde konzipiert, um präzise Oberflächenmesstechnik in die Hände von Werkstattmitarbeitern zu legen — für Anwendungen, bei denen der Oberflächenzustand entscheidend ist, wie Kleben, Lackieren, Beschichten, Bedrucken und Dekontamination.

Mit einer patentierten Technik namens „Ballistic Deposition" bringt das Gerät einen hochreinen Wassertropfen auf die Substratoberfläche auf. Anhand von Volumen und Fläche des Wassertropfens berechnet das Gerät anschließend den Kontaktwinkel des Wassers auf der jeweiligen Oberfläche. Das Gerät liefert dem Anwender sofort eine quantifizierbare Kennzahl oder eine Pass/Fail-Meldung. Die vom Gerät gelieferten Prüfdaten ermöglichen es Anwendern, festzustellen, ob das Substrat für Klebeprozesse ordnungsgemäß vorbereitet wurde — als Ersatz für zerstörende dyne-Lösungen. Das Handgerät funktioniert in jeder Ausrichtung und eignet sich für glatte oder strukturierte Oberflächen, wie z. B. genarbte TPOs. Diese Daten können zur kontinuierlichen Prozessverbesserung genutzt werden, um Qualitätsabweichungen zu erkennen, die auf drohende Probleme hindeuten, oder um die entscheidende Ursache von Produktfehlern zu ermitteln.

BTG Labs Surface Analyst. Fotos mit freundlicher Genehmigung von BTG LABS (513.469.1800).

Nachteile von dyne-Lösungen

Für viele Anwendungen genügt es, den statischen Gleichgewichtskontaktwinkel mithilfe von dyne-Lösungen gemäß einem dokumentierten Prüfverfahren zu untersuchen. Testkits bzw. „dyne-Stifte/-Lösungen" liefern nützliche Informationen, sind jedoch keine präzisen Messungen der Oberflächenspannung. Messungen der Oberflächenspannung können je nach Anwender (Technik) und Interpretation des „mittleren" Flüssigkeitsverhaltens erheblich variieren. Dyne-Stifte/-Lösungen gelten als Richtwertindikatoren für signifikante Unterschiede in der Oberflächenspannung und können „gute" und „schlechte" klebfähige Oberflächen kostengünstig identifizieren. In Flaschen abgefüllte dyne-Lösungen können gegenüber Stiften vorzuziehen sein, da Letztere bei mehrfacher Anwendung Kontaminationsprobleme verursachen können.

Versagensmechanismen von Klebverbindungen

Ein optimales Design der Klebverbindung ist bei jeder Klebeanwendung entscheidend. Klebverbindungen können Zug-, Druck-, Scher-, Schäl- oder Spaltkräften ausgesetzt sein, häufig in Kombination. Grundsätzlich gibt es drei unterschiedliche Arten von Versagensmechanismen bei Klebverbindungen:

• Adhäsionsversagen an der Grenzfläche zwischen dem Klebstoff und einem der Fügeteile
• Kohäsionsversagen durch Bruch der Klebstoffschicht, wobei auf beiden Oberflächen Klebstoffreste zurückbleiben
• Mischversagen weist Merkmale sowohl von Adhäsions- als auch von Kohäsionsversagen auf

Adhäsionsversagen tritt an der Grenzfläche zwischen dem Klebstoff und dem Fügeteil (Substrat) auf. Optisch bleibt an jeder Stelle Klebstoffrest nur auf einer der beiden Oberflächen zurück. Adhäsionsversagen, das im Feldeinsatz auftritt, hat seinen Ursprung fast immer im Fertigungsprozess: Materialien, Klebstoffe, Oberflächenvorbereitung, Kontamination, Verfahren/Verarbeitungsqualität, Umgebungsbedingungen, Qualitätsprüfungen sowie Kombinationen davon. Die verbleibende Ursache ist die Grenzflächendegradation in Abhängigkeit von der Einsatzdauer im Feld. Letzteres Problem lässt sich bereits in der Produktdesign-/Qualifizierungsphase vermeiden.

Kohäsionsversagen führt zum Bruch des Klebstoffs und ist durch das sichtbare Vorhandensein von Klebstoffmaterial auf den einander zugewandten Flächen beider Fügeteile (Substrate) gekennzeichnet. Verbindungen, die durch Kohäsion versagen, weisen eine hohe Festigkeit auf (optimale Eigenschaften der ausgehärteten Klebeverbindung). Die Klebstoffoberfläche kann „rau" erscheinen und heller sein als das ursprünglich aufgetragene Klebstoffmaterial. Das Versagen erfolgt meist durch Scherung, kann jedoch auch durch Schälspannungen oder eine Kombination aus Scherung und Schälung verursacht werden. Kohäsionsversagen im Feldeinsatz wird typischerweise durch ein mangelhaftes Design der Klebverbindung verursacht, z. B. unzureichende Überlappungslänge oder übermäßige Schälkräfte. Übermäßige Porosität (Feuchtigkeitseinwirkung) und das Vorhandensein von Lunkern unterhalb einer kritischen Größe können ebenfalls zu Kohäsionsversagen führen.

Mischversagen weist Merkmale sowohl von Adhäsionsversagen als auch von Kohäsionsversagen auf, da die Grenzfläche teilweise degradiert ist. Im Wesentlichen handelt es sich bei diesem Versagensmodus um eine Übergangsphase, in der die Festigkeit der Klebverbindung niedriger ist als die Kohäsionsversagensfestigkeit.

→ Mehr über Versagensarten von Klebverbindungen erfahren

Oberflächenrauheit

Die Oberflächenrauheit ist der Grad der Unebenheit der Oberfläche eines Festkörpers, der unterhalb der Größenordnung seiner Form oder Welligkeit, aber oberhalb der Unregelmäßigkeit von Kristallgitterstrukturen liegt. Der Rauheitsgrad beeinflusst die Benetzbarkeit eines Festkörpers. Da Rauheit mit einer vergrößerten Oberfläche einhergeht, beeinflusst sie die Benetzbarkeit eines Festkörpers, den Kontaktwinkel einer Flüssigkeit und die Haftung.

In Bezug auf die Oberflächenstruktur des zu verklebenden, als geformt vorliegenden Bauteils erhöht eine strukturierte Oberfläche zusätzlich zur Lösungsmittelreinigung und Plasma-Vorbehandlung die mechanische Verklammerungshaftung. Die Strukturierung kann bereits im Formwerkzeug oder manuell mit einem Scotch-Brite-Pad erzeugt werden. Selbst leicht strukturierte Oberflächen wie C-3 (320 Stone) sind von Vorteil. Der SPI-Finish-Leitfaden finden Sie unten.

Daten zur Oberflächenenergie von Polymeren

Daten zur Oberflächenenergie gängiger Polymere für Klebeanwendungen. Klicken Sie auf die Tabelle, um sie zur besseren Lesbarkeit zu vergrößern.

Klebstoffe & Aushärtung mit strukturellen Epoxidharzen

Für viele Polymeranwendungen sind zweikomponentige, hitzehärtbare strukturelle Epoxidklebstoffe ideal geeignet. Zweikomponenten-Epoxidharz wird durch Mischen eines Epoxidharzes mit einem Härter hergestellt, oder es werden „Duo-Pak"-Applikatoren beschafft. Für optimale Scher- und Zugfestigkeitseigenschaften wird eine gleichmäßige, dünne Klebfugendicke (0.002 – 0.007 Zoll) bevorzugt.

Die vollständige Aushärtezeit liegt typischerweise bei sieben (7) Tagen bei 75°F, variiert jedoch je nach Anwendung und Umgebungsbedingungen. Die Aushärtegeschwindigkeit kann durch Wärmezufuhr (120-210°F) beschleunigt werden, was zu zusätzlicher Polymerisation führt und dem Epoxidharz bessere Eigenschaften verleihen kann. Backzeit und -temperatur sind anwendungsspezifisch. Einkomponenten-Epoxidharze machen das Mischen überflüssig, härten jedoch nur bei Wärmezufuhr aus (normalerweise 250-300 °F). Im Vergleich dazu ist die Verarbeitungszeit von Zweikomponenten-Epoxidharzen begrenzt.

Ein häufiger Fehler besteht darin, zusätzlichen Klebstoff aufzutragen, um die Verbindungsfestigkeit zu erhöhen. Übermäßiger Klebstoffauftrag ist schädlich und eine der Hauptursachen für Klebeversagen. Epoxidklebstoffe besitzen relativ hohe Wärmeausdehnungskoeffizienten. Klebfugen sollten dünn und gleichmäßig dick gehalten werden (typischerweise 3-5 mil für maximale Scherfestigkeit). Der Klebstoffhersteller kann Hinweise zur optimalen Klebfugendicke für Ihre Anwendung geben. Vordosierte „Duo-Pak"-Applikatoren vermeiden Mischprobleme und sorgen für ein präziseres Mischungsverhältnis. Zudem ermöglichen sie bessere stöchiometrische chemische Reaktionen, was zu besserer Festigkeit und besseren Ausgasungseigenschaften führt.

Verfahren zum Kleben von Nylon

Polyamid, allgemein als Nylon bekannt, ist ein teilkristallines Polymer. Die beiden gängigsten Sorten sind Nylon 6 und Nylon 6/6. Nylon wird in Tausenden von Anwendungen in der Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik und Industrie eingesetzt, bei denen hitzebeständige, lösungsmittelbeständige und elektrisch abgeschirmte Bauteile benötigt werden. Diese Eigenschaften sind zwar leistungstechnisch hervorragend, doch die geringe Oberflächenbenetzbarkeit und Feuchtigkeitsaufnahme stellen Hersteller beim Kleben vor Herausforderungen.

Oberflächeneigenschaften

Nylon-Polymere lassen sich von Natur aus schwer verkleben, da sie hydrophob, chemisch inert sind und eine schlechte Oberflächenbenetzbarkeit (d. h. eine niedrige Oberflächenenergie) aufweisen. Zudem ist Nylon hygroskopisch und nimmt aus der Atmosphäre Feuchtigkeit von über 3 % seiner Masse auf. Feuchtigkeit allein verursacht bereits Haftungsprobleme. Die Geschwindigkeit der Feuchtigkeitsaufnahme hängt von Zeit, relativer Luftfeuchtigkeit und Temperatur ab. Daher ist es wichtig, Klebeprozesse so bald wie möglich nach dem Formgebungsprozess durchzuführen oder die Bauteile luftdicht in nicht-Poly-Beuteln mit einem Trockenmittel zu verpacken. Ein korrektes Trocknungsverfahren für Nylonharze ist entscheidend für die Verarbeitung und die Bauteilleistung.

Einen Moment — auf den ersten Blick scheinen sich die obigen Aussagen zu widersprechen. Ist Nylon nun hydrophob oder hydrophil? Die Auflösung dieses scheinbaren Widerspruchs liegt in der Erkenntnis, dass das hydrophobe Verhalten von Nylon eine Oberflächeneigenschaft ist, während das hydrophile Verhalten eine Volumeneigenschaft darstellt.

Da Nylon ein organisches Polymer ist, besitzt es wie die meisten Polymere eine relativ niedrige Oberflächenenergie. Dies ist eine Folge der Oberflächenchemie und -physik von Polymeren und anderen organischen Stoffen. Die Amidgruppen in der Nylonkette ziehen jedoch Wasser an und sind für das hydrophile Verhalten dieses Materials in Bezug auf die VOLUMENABSORPTION von Wasser verantwortlich. Im Volumen kann sich Nylon also wie ein hydrophiles Material verhalten, während es an der Oberfläche hydrophobes Verhalten zeigt.

Reinigung und Vorbehandlungen

Die Oberflächenvorbereitung ist entscheidend für eine hohe Klebfestigkeit. Oberflächen müssen sauber und frei von Schmutz, Fett und Ölen sein. Niedermolekulare Stoffe (LMWM) wie Silikone, Trennmittel und Anti-Rutsch-Mittel beeinträchtigen die Verklebung. Zur geeigneten Reinigung von Nylonoberflächen und Entfernung von LMWM-Stoffen verwenden Sie Toluol, Xylol, Aceton oder MEK (gemäß den unternehmensinternen Lösungsmittelrichtlinien und geltendem Recht). Alkohol ist ein schwaches Lösungsmittel und entfernt nur oberflächlichen Schmutz, nicht jedoch Kohlenwasserstoffverunreinigungen. Es muss stets die richtige Technik angewendet werden, einschließlich fusselfreier Tücher und puderfreier Schutzhandschuhe. Übermäßiger Lösungsmitteleinsatz erzeugt schwache Grenzschichten aus nicht entfernten Chemikalien, die einen Schleierbelag hinterlassen und die Verklebung beeinträchtigen.

Klebeanwendungen mit Nylon erfordern häufig eine Plasma-Vorbehandlung unmittelbar nach der Lösungsmittelreinigung. Zu den gasphasenbasierten Oberflächenoxidations-Vorbehandlungen für Nylon zählen: elektrische Koronabehandlung, elektrisches Atmosphärendruckplasma, elektrisches Luftplasma, Flammenplasma und Niederdruck-RF-Kaltgasplasma. Diese Verfahren zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, „Gasplasma" zu erzeugen — ein extrem reaktives Gas aus freien Elektronen, positiven Ionen und anderen Spezies. Dabei findet auch eine chemische Oberflächenfunktionalisierung statt. Physikalisch betrachtet unterscheiden sich die Mechanismen, durch die diese Plasmen erzeugt werden, ihre Auswirkungen auf die Oberflächenbenetzbarkeit sind jedoch ähnlich. Jede Methode ist anwendungsspezifisch und besitzt Vor- und/oder Nachteile. Elektrische Vorbehandlungen entfernen beispielsweise nicht alle polyaromatischen Kohlenwasserstoffe, sodass eine zusätzliche Lösungsmittelreinigung erforderlich sein kann. Die RF-Kaltgasplasma-Vorbehandlung entfernt Kohlenwasserstoffe, wodurch eine Vorreinigung nicht notwendig ist.

Als allgemeine Regel gilt: Eine akzeptable Klebehaftung wird erreicht, wenn die Oberflächenenergie des Substrats etwa 10 dynes/cm höher ist als die Oberflächenspannung der Flüssigkeit oder des Klebstoffs. Die Oberflächenenergie von unbehandeltem Nylon beträgt etwa 40 dynes/cm. Die gewünschte Oberflächenenergie nach der Behandlung muss daher im Bereich von 50-54 dynes liegen. In diesem Fall spricht man davon, dass die Flüssigkeit die Oberfläche „benetzt" oder an ihr haftet. Eine gängige Methode zur Messung der Oberflächenenergie („Benetzung") ist der Einsatz kalibrierter dyne-Lösungen gemäß der Prüfmethode ASTM D2578.

Haftungsprobleme durch Trennmittel & Weichmacher

Einige lackierbare Trennmittel sind erhältlich, viele andere Trennmittel beeinträchtigen jedoch die Lackhaftung. Zur Entfernung dieser Mittel, die die Trennung von Kunststoffteilen aus der Form erleichtern, können verschiedene Techniken erforderlich sein. Trennmittel auf Wachsbasis lassen sich manchmal durch Lösungsmittelreinigung entfernen, dieser Trennmitteltyp wird jedoch für zu lackierende Teile nicht empfohlen. Der Einsatz von Lösungsmitteln wird aufgrund von VOC-Emissionsvorschriften sowie potenziellen Brand- und Gesundheitsgefahren bei vielen Lösungsmitteln praktisch grundsätzlich nicht empfohlen. Wasserlösliche Trennmittel sind deutlich vorzuziehen. Ihre Entfernung von der Kunststoffoberfläche gelingt problemlos mit gewöhnlichen wässrigen Reinigungslösungen.

Trennmittel können auch in Kunststoffformulierungen eingemischt werden; diese werden als interne Trennmittel bezeichnet. Interne Trennmittel sollten nach Möglichkeit vermieden werden. Die Lackierbarkeit kann unmittelbar beeinträchtigt sein oder auch nicht, und QA-Haftungstests können zunächst eine ausgezeichnete Anfangshaftung zeigen. In manchen Fällen wandern interne Trennmittel jedoch langsam an die Bauteiloberfläche und verursachen erst Monate nach der Lackierung ein Versagen der Lackhaftung. Weichmacher können Formmassen zugesetzt werden, um die Schlagfestigkeit zu erhöhen, können jedoch häufig ebenso wie Trennmittel die Lackhaftung verringern. Einige Weichmacher wandern langsam an die Oberfläche und weichen die Grenzfläche zwischen Kunststoff und Lack auf, was zu Haftungsverlust führt. Auch in diesem Fall können anfängliche Lackhaftungstests völlig zufriedenstellend ausfallen, während sich der Lackfilm später von der Kunststoffoberfläche ablöst oder abhebt. Dies kann zu kostspieligen Feldausfällen und Haftungsansprüchen führen — lange nachdem das Bauteil in Betrieb genommen wurde.

Verfahren zur Messung von Haftung & Abriebbeständigkeit

Haftung und Abriebbeständigkeit ausgehärteter Beschichtungen und Tinten sind zwei entscheidende Leistungseigenschaften, deren Messung und Kontrolle für eine robuste Fertigung unerlässlich sind. Haftung und Abriebbeständigkeit sind eigenständige physikalische Eigenschaften, die bei der Fehleranalyse häufig falsch diagnostiziert werden. Mangelhafte Haftung und Abriebbeständigkeit gehören zu den Hauptursachen für Feldausfälle, Ausschuss und Nacharbeit, geringere Gewinne und unzufriedene Kunden. Es existieren Verfahren zur Messung dieser Eigenschaften.

Haftung im Vergleich zu Abrieb

Eine optimale Haftung und Abriebbeständigkeit ausgehärteter Beschichtungen und Tinten auf Kunststoffsubstraten muss bereits während der Fertigung erreicht werden, um hochwertige Produkte mit langer Nutzungsdauer herzustellen. Diese Eigenschaften können voneinander abhängen, schließen sich aber häufig gegenseitig aus. Das heißt, ausgehärtete Beschichtungen und Tinten können gute Haftung bei schlechter Abriebbeständigkeit oder schlechte Haftung bei guter Abriebbeständigkeit aufweisen. Eine korrekte Prüfung und ein fundiertes Verständnis von Haftung und Abrieb gewährleisten die Einhaltung von Spezifikationen und sind bei der Lösung von Beschichtungs- und Druckproblemen von unschätzbarem Wert. Die Identifikation des Versagensmechanismus — Haftung (Kohäsion), Abrieb oder beides — bestimmt die verfahrenstechnische Lösung. Es existieren sowohl klassische Prüfmethoden als auch neue Messtechnik zur Messung und Analyse dieser Eigenschaften.

Haftungsprüfverfahren

ASTM D 3359, die Standardprüfmethode zur Messung der Haftung mittels Klebebandtest, ist historisch gesehen wohl die bekannteste und am weitesten verbreitete Methode zur Prüfung der Haftung von Beschichtungen und Tinten — aufgrund ihrer Einfachheit und geringen Kosten. Das grundlegende Verfahren für die Durchführung des Klebebandtests umfasst Folgendes:

• Einigung über die Auswahl des Klebebands
• Beschichtungen und Tinten müssen vor der Prüfung vollständig ausgehärtet sein.
• X-Schnitte im Film gemäß Methode A anbringen oder ein Gittermuster mit sechs oder elf Schnitten in jeder Richtung gemäß Methode B des Tests anlegen.
• Zwei Lagen Klebeband vom Rollenspender abwickeln und entsorgen.
• Das Klebeband mit dem Finger glatt andrücken und anschließend fest mit einem Radiergummi am Ende eines Bleistifts oder Ähnlichem reiben. Die Farbe unter dem Klebeband ist ein guter Indikator für vollständigen Kontakt.
• Innerhalb von 60-120 Sekunden nach dem Aufbringen das Klebeband entfernen, indem das freie Ende zügig (nicht ruckartig) in einem möglichst nahe an 180 Grad liegenden Winkel zurückgezogen wird.
• Den Schnittbereich auf Ablösung der Beschichtung vom Substrat prüfen und die Haftung anhand vorgegebener Beschreibungen und Klassifizierungsabbildungen (0B, 1B, 2B, 3B, 4B, 5B) bewerten.

Individuell entwickelte Lösungen im Einsatz

SABREENs Technologien treiben viele der bekanntesten Produkte von heute an — von der Internationalen Raumstation über Pharmazeutika bis hin zu Unterwasser-Actionkameras und militärischen Verteidigungssystemen.

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The Sabreen Group ist international als die Experten für sekundäre Kunststoffverarbeitung anerkannt. Wir entwickeln und implementieren belastbare Verfahrenslösungen für alle Anwendungsarten — einschließlich extremer Umweltzuverlässigkeit. Von missionskritischen, nullfehlerfreien Schleudersitz-Kabinenhaubensystemen für Kampfjets bis hin zu Drohnen, Elektronik und Unterwasserstrukturen. SABREEN bietet mit über 40 Jahren praktischer Erfahrung und als Autor von mehr als 150 Fachpublikationen individuell entwickelte Verfahrenslösungen für das Kleben und Fügen. Bei Einsätzen vor Ort bringen wir Plasma-Vorbehandlungs- und Oberflächenanalysegeräte mit, um Haftungslösungen direkt an Ihrer Produktionslinie zu demonstrieren.

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