Pyrosil Beflammung
Die PYROSIL-Behandlung ist ein CCVD-Verfahren (Combustion Chemical Vapor Deposition), das zur Verbesserung der Haftung auf zu verklebenden Oberflächen eingesetzt wird. PYROSIL ist ein Glimmentladungs-Plasmaverfahren, das unter Umgebungsbedingungen durchgeführt wird. Die PYROSIL-Behandlung ist ein Oberflächenmodifikationsverfahren, bei dem mittels Combustion Chemical Vapor Deposition (CCVD) eine amorphe Siliziumdioxid-Schicht (SiO2) auf einer Substratoberfläche abgeschieden wird. Die SURA Instruments GmbH entwickelte in den 1980er-Jahren die Anlagen und Verfahren, die zur ersten erfolgreichen Kommerzialisierung dieser Technologie zur Verbesserung der Klebhaftung führten. Mittels Flammenpyrolyse lässt sich auf dem Substrat eine dünne Schicht (5–100 nm) aus hochreaktivem, hydrophobem Siliziumoxid erzeugen. Dadurch entsteht aufgrund der hohen Dichte an Si-OH-Gruppen auf der Oberfläche der abgeschiedenen SiO2-Partikel sowie der Rauheit im Nanobereich eine definierte hydrophile Oberfläche. Siliziumhaltige Schichten finden vielfältige Anwendungen bei Polymeren, Glas, Keramik und Metallen. Dabei wird das zu behandelnde Produkt durch eine laminare Gasflamme geführt, die – ähnlich wie bei der klassischen Beflammung – mit einem siliziumhaltigen Precursormaterial (PYROSIL) dotiert ist. Aufgrund der kurzen Wechselwirkung zwischen Flamme und Substrat kann das Verfahren auch bei temperaturempfindlichen Kunststoffen eingesetzt werden.
Combustion Chemical Vapor Deposition (CCVD) ist ein chemisches Verfahren, bei dem Dünnschichtbeschichtungen unter freier Atmosphäre auf Substrate abgeschieden werden. Beim CCVD-Verfahren wird dem Brenngas eine Precursorverbindung zugesetzt. Die Flamme wird dicht über die zu beschichtende Oberfläche geführt. Die hohe Energie in der Flamme wandelt die Precursoren in hochreaktive Zwischenprodukte um, die rasch mit dem Substrat reagieren und so eine fest haftende Schicht bilden. Mikrostruktur und Dicke der abgeschiedenen Schicht werden durch Prozessparameter wie Substrat- oder Flammengeschwindigkeit, Anzahl der Durchgänge, Substrattemperatur und Abstand zwischen Flamme und Substrat gesteuert. Siliziumdioxidschichten sind die am häufigsten abgeschiedenen Schichten. Frisch abgeschiedene Schichten sind hochreaktiv und können daher als haftvermittelnde Schichten für Polymerbeschichtungen und Verklebungen dienen.
PYROSIL im Vergleich zur Beflammung
PYROSIL und die klassische Beflammung (Flammenplasma) weisen prozessbedingte Ähnlichkeiten auf, unterscheiden sich jedoch in der Flammenchemie und im Mechanismus der Oberflächenfunktionalisierung. Beide Verfahren sind Gasphasen-Oxidationsprozesse, bei denen die Verbrennung eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffs unter kontrollierten Bedingungen das Flammenplasma erzeugt, das die Substratoberfläche modifiziert. Vorgemischte laminare Flammen erzeugen eine exotherme Reaktion. Die PYROSIL-Flamme ist rosafarben, während die Flamme der klassischen Beflammung bläulich erscheint (siehe Abbildung 1). Der Hauptunterschied besteht darin, dass PYROSIL SiO2 erzeugt, die klassische Beflammung hingegen nicht. Dadurch entsteht aufgrund der hohen Dichte an Si-OH-Gruppen auf der Oberfläche der abgeschiedenen SiO2-Partikel eine definierte hydrophile Oberfläche. Es kommen ähnliche Verbrennungsanlagen, Bandbrenner sowie ein vergleichbarer Prozessaufbau und eine vergleichbare Prozesssteuerung zum Einsatz. Die drei wichtigsten Prozesssteuerungsvariablen sind die Flammenchemie, der Abstand des Substrats von der Flamme und die Verweilzeit der Behandlung. Die Behandlung muss in der leuchtenden Hauptreaktionszone bzw. im oxidierenden Bereich der Flamme erfolgen.
Für PYROSIL lautet eine Gleichung für die Verbrennung der siliziumorganischen Verbindung Tetramethylsilan („TMS“) und die Bildung von SiO2 wie folgt:
Si(CH3)4 + 13 O2 + C3H8 — SiO2 + 10 H2O + 7 CO2
Für die Beflammung mit Erdgas beschreibt die folgende Gleichung die Verbrennungsreaktion:
CH4 + 2O2 + 8N2 — CO2 + 2H2O + 8N2
Beide Verbrennungsreaktionen erzeugen CO2 und H2O als Nebenprodukte.
Luftplasma (elektrische Entladung)
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