Hydrophobe Rückbildung

Hydrophobe Rückbildung

Das Wichtigste in Kürze

• Behandelte Oberflächen bleiben nicht behandelt. Ein behandeltes Polymer driftet ab dem Ende der Behandlung zu seiner unbehandelten Oberflächenenergie zurück.
• Vier Mechanismen treiben den Vorgang an: Umorientierung polarer Gruppen ins Volumen, Wanderung oxidierter Bruchstücke, Additivausblühung und Verunreinigung aus der Luft.
• Der Abfall ist erst schnell, dann langsam. Der größte Teil des Verlusts tritt in den ersten Stunden bis Tagen auf; das anschließende Plateau ist das, was Druckfarbe oder Klebstoff vorfindet.
• Das Zeitfenster ist eine Spezifikationsgröße. Polyolefine halten einen druckfähigen Wert Stunden bis Tage, PET, PC und ABS Wochen bis Monate, Silikonkautschuk Minuten bis Stunden.

Hydrophobe Rückbildung

Hydrophobe Rückbildung ist der fortschreitende Verlust an Oberflächenenergie auf einer plasma-, korona- oder beflammungsbehandelten Polymeroberfläche nach der Behandlung: Die durch Oxidation entstandenen polaren Gruppen werden vergraben, überdeckt oder verdünnt, und die Oberfläche kehrt zu ihrem ursprünglichen, niederenergetischen, wasserabweisenden Zustand zurück. Sie wird auch als Abklingen oder Alterung der Behandlung bezeichnet und ist der Grund, warum ein am Behandlungsgerät gemessener Dyne-Wert nicht der Wert ist, den Druckfarbe oder Klebstoff vorfinden.

Eine Behandlung kann ein Polyolefin von 29–31 auf 44–56 dyne/cm anheben. Die Rückbildung führt selten ganz zurück; sie pendelt sich auf einem Plateau zwischen beiden Werten ein, und dieses Plateau im Vergleich zum erforderlichen Wert bestimmt das nutzbare Zeitfenster.

Mechanismen

Vier Vorgänge laufen parallel ab; welcher überwiegt, hängt von Polymer, Additivpaket und Lagerung ab.

Kinetik und typische Zeitfenster

Über der logarithmischen Zeit aufgetragen, zeigt die Oberflächenenergie einen steilen Abfall mit anschließendem Plateau. Bei koronabehandeltem Polypropylen kann etwa die Hälfte des Gewinns gegenüber dem unbehandelten Wert bei Raumtemperatur innerhalb von 24–72 Stunden verschwinden, bevor die Kurve abflacht und womöglich wochenlang hält. Die Geschwindigkeit folgt der Kettenbeweglichkeit: Polypropylen (Tg unter 0 °C), Polyethylen und Silikone sind bei Raumtemperatur gummielastisch und orientieren sich frei um; PET (Tg etwa 70–80 °C), ABS (etwa 105 °C) und Polycarbonat (etwa 147 °C) sind glasartig, und die Umorientierung ist nahezu eingefroren.

Den Abfall messen

Charakterisieren Sie die Rückbildung, indem Sie die Benetzbarkeit an Produktionsmaterial unter Produktionslagerung nach 0, 1, 4, 24 und 72 Stunden sowie nach 7, 14 und 28 Tagen messen.

• Benetzungsspannungslösungen nach ASTM D2578 liefern einen in 2-dyne/cm-Stufen eingegrenzten Wert, schnell genug für den gesamten Messplan.
• Der Randwinkel am liegenden Tropfen (ASTM D5946 für koronabehandelte Folie oder ein Goniometer mit Wasser und Diiodmethan) liefert einen kontinuierlichen Wert und isoliert mit zwei Flüssigkeiten den polaren Anteil, also den Teil, der abklingt. Dyne-Stifte erkennen das Abklingen, können es aber nicht abbilden. Mehr dazu unter Kontaktwinkel.

Messen Sie drei Positionen je Probe, da die Behandlung von Rand zu Mitte variiert, und protokollieren Sie bei jedem Messpunkt Behandlungsparameter, Harzcharge, Lagertemperatur und Verpackung. Der Oberflächenenergie-Rechner prüft ein Paar aus Dyne-Wert oder Kontaktwinkel gegen den Abstand, den Druckfarbe oder Klebstoff benötigt.

Faktoren, die das Zeitfenster verkürzen oder verlängern

Ein Behandlungsfenster festlegen und überprüfen

Die Rückbildung lässt sich nicht abschalten, daher wird der Prozess um sie herum ausgelegt: Inline-Behandlung (Koronabehandlung an Folie, Atmosphärendruckplasma oder Flammenplasma an Spritzgussteilen, Sekunden vor Druckfarbe oder Klebstoff), ein Zeitfenster zwischen Behandlung und Verklebung bei Chargenbehandlung mit einem aus der Abklingkurve abgeleiteten Höchstintervall oder die erneute Behandlung gealterter Ware, die die Umorientierung rückgängig macht, nicht aber die Additivausblühung.

Die Spezifikation sollte dann Folgendes festlegen:

• Erforderliche Oberflächenenergie am Verwendungsort, zum Beispiel mindestens 42 dyne/cm nach ASTM D2578 oder Wasserkontaktwinkel unter 60°, nicht am Behandlungsgerät.
• Maximales Intervall zwischen Behandlung und Verklebung: höchstens die Hälfte der Zeit, zu der die gemessene Kurve diese Anforderung unterschreitet.
• Lagerbedingungen: Temperaturbereich, Verpackung, kein Kontakt mit unbehandeltem Polyolefin, Wellpappe oder Silikon.
• Verifizierung: eine Messung je Schicht und vor der Verwendung von Ware, die älter als 24 Stunden ist.

Wie lange die Plasma-Oberflächenbehandlung wirkt wendet dies auf eine Linie für Spritzgussteile an; die Oberflächenvorbehandlung behandelt die Verfahrensauswahl.

Fehlersuche

Verwandte Begriffe und weiterführende Informationen

• Oberflächenenergie
• Kontaktwinkel
• Pyrosil-Flammenplasma
• Kaltgasplasma
• Beschleunigte Alterung
• Plasma-Oberflächenvorbehandlung von Polymeren für verbesserte Klebverbindungen

Anwendung in der Produktion

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Häufig gestellte Fragen

Wie schnell tritt die hydrophobe Rückbildung nach Plasma- oder Koronabehandlung ein?

Am schnellsten in den ersten Stunden. Bei koronabehandeltem Polypropylen kann etwa die Hälfte des Gewinns gegenüber den unbehandelten 29 dyne/cm innerhalb von 24–72 Stunden verloren gehen, danach flacht die Kurve zu einem Plateau ab, das womöglich wochenlang hält. Silikonkautschuk bildet sich in Minuten bis Stunden zurück; glasartiges PET, Polycarbonat und ABS brauchen Wochen bis Monate.

Kehrt die Oberfläche vollständig in den unbehandelten Zustand zurück?

Meist nicht. Die Umorientierung vergräbt polare Gruppen, ohne sie zu entfernen, und die Vernetzung durch die Behandlung hemmt die Oberfläche, sodass die meisten Polymere oberhalb des unbehandelten Werts ein Plateau erreichen. Ob dieses Plateau nutzbar ist, hängt von der Flüssigkeit ab: 38 dyne/cm auf Polypropylen genügen für manche Lösemittelfarben und scheitern an einer wasserbasierten Farbe mit 42 dyne/cm.

Kann gealterte Ware einfach erneut behandelt werden?

Wenn die Umorientierung der dominierende Mechanismus ist, ja: Die erneute Behandlung dreht die polaren Gruppen wieder nach außen, und die Oberfläche verhält sich wie frische Ware. Ist Additivausblühung die Ursache, aktiviert die erneute Behandlung die Ausblühung statt des Polymers, und der Wert bricht innerhalb von Stunden wieder ein. Wischen Sie vor der erneuten Behandlung eine Probe mit Lösemittel ab; hält nur diese Probe, ist die Ausblühung das Problem.

Wie wird ein Zeitfenster zwischen Behandlung und Verklebung in eine Spezifikation geschrieben?

Messen Sie die Abklingkurve an Produktionsmaterial unter Produktionslagerung, bestimmen Sie, wo sie den von Druckfarbe oder Klebstoff benötigten Wert unterschreitet, und setzen Sie das Höchstintervall auf die Hälfte dieser Zeit. Geben Sie den Wert am Verwendungsort, das Prüfverfahren (ASTM D2578 oder Wasserkontaktwinkel), Lagertemperatur und Verpackung sowie eine Verifizierung je Schicht an.

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