Voraussetzung für die Haftung von Bindungspartnern beim Lackieren, Kleben, Bedrucken oder Bonden ist eine gute Benetzbarkeit der Oberfläche. Die Benetzung wird nicht nur durch öl- und fetthaltige Verschmutzungen verhindert, auch die saubere Oberfläche vieler Materialien lässt sich durch viele Flüssigkeiten, auch Klebstoffe und Farben nicht ausreichend benetzen. Die Flüssigkeit perlt ab. Sie wird auch nach dem Aushärten oder Trocknen nicht an der Oberfläche haften.
Ursache ist eine geringe Oberflächenenergie des Substrats. Stoffe mit niedriger Oberflächenenergie benetzen solche mit hoher Oberflächenenergie, aber nicht umgekehrt. Die Oberflächenenergie der aufgebrachten Flüssigkeit, bei Flüssigkeiten spricht man auch von Oberflächenspannung, muss also auf jeden Fall niedriger sein als die des Substrats.
Reaktive Gruppen
Sauerstoff
Aktivierung von Kunststoffen
Kunststoffe wie z. B. Polypropylen oder PTFE sind von sich aus unpolar aufgebaut. Das bedeutet, dass diese Kunststoffe vor dem Bedrucken, Lackieren und Verkleben vorbehandelt werden müssen. Ähnliches gilt für Glas und Keramik. Die Oberflächenenergie einer Oberfläche wird erhöht, indem sie aktiviert wird. Dabei werden Anlagerungsstellen für die aufgebrachte Flüssigkeit geschaffen.
Die Aktivierung erfolgt traditionell mit chemischen Primern, flüssigen Haftvermittlern. Sie sind oft stark ätzend und umweltschädlich. Sie müssen einerseits vor der Weiterverarbeitung ausreichend Ablüften und sind andererseits oft nicht lange aktiv. Unpolare Werkstoffe wie Polyolefine werden auch durch chemische Primer nicht ausreichend aktiviert.
Bei der Aktivierung im Luft- oder Sauerstoff-Plasma werden unpolare Wasserstoffbindungen der Kunststoff-Polymere durch Sauerstoffbindungen ersetzt. Diese können freie Valenzelektronen zur Anbindung der Flüssigkeitsmoleküle bereitstellen.
Durch Plasmaaktivierung unter Niederdruck oder Atmosphärendruck werden auch "unklebbare" Kunststoffe wie POM, PE und PP sehr gut verkleb- oder lackierbar. Die angestrebte Oberflächenenergie lässt sich sehr genau einstellen, sodass auch Überaktivieren, das zum Anätzen führt, vermieden werden kann.
Im Niederdruckplasma lassen sich außer Luft und Sauerstoff noch andere Gase anwenden, durch die an Stelle von Sauerstoff beispielsweise Stickstoff (N2), Amine (NHx) oder Carboxylgruppen (-COOH) als reaktive Gruppen angelagert werden.
Die Teile bleiben wenige Minuten bis einige Monate aktiv. Polypropylen kann noch mehrere Wochen nach der Behandlung weiterverarbeitet werden. Trotzdem empfiehlt es sich, diese Teile nicht offen zu lagern, da sie Staub, organische Kontamination und Luftfeuchtigkeit anziehen.
Die Aktivierung kann sehr eindrucksvoll demonstriert werden, indem man ein behandeltes und ein unbehandeltes Werkstück in Wasser (polare Lösung) taucht. Auf dem unbehandelten Teil bilden sich wie gewohnt Tropfen. Das behandelte Teil wird vollständig mit Wasser benetzt.
UV - Strahlung
Kohlenstoff - Polymer
Sauerstoff
Wasserstoff
Aktivierung von Metallen, Keramik und Gläsern
Metalle, Keramik und Gläser haben grundsätzlich höhere Oberflächenenergie als Kunststoffe. Dennoch gibt es auch bei diesen Werkstoffen Anwendungen, bei denen eine Plasmaaktivierung Vorteile schafft. Auch die Oberflächenspannung von Lötlegierungen ist hoch und sie perlen auf vielen Metalloberflächen ab. Deshalb kann die Plasmaaktivierung von Metallen auch die Benetzung beim Löten verbessern.
Die Aktivierung von Metallen ist allerdings sehrinstabil und daher nur vonkurzer Dauer. Wird Metall aktiviert, muss es innerhalb weniger Minuten oder Stundenweiterverarbeitet (verklebt, lackiert...) werden, da sich die Oberflächen schnell und dauerhaft mit Kontaminationen aus der Umgebungsluft verbinden.
Sinnvoll ist eine Metallaktivierung vor Prozessen wieLöten oder Bonden.
Plasmapulveraktivierung
UHMWPE (ultrahighmolecularweight) Pulveraktivierung
Für viele Anwendungen wird hydrophiles UHMW Polyethylenpulver als innovative Möglichkeit genutzt. Es kann als Beimischung in Gummi verwendet werden, was zur Folge hat, dass hier eine höhere Weiterreißfestigkeit gegeben ist. Zudem ist es auch möglich, durch hydrophiles PE-Pulver die Verbundfestigkeit zwischen Metall und Kunststoff zu erhöhen. Diese Hydrophilierung wird durch eine Plasmabehandlung im Niederdruckverfahren ermöglicht. Die Behandlungsparameter hängen stark von der Partikelgröße des Pulvers ab. Die Plasmabehandlungszeit kann zwischen 5 Minuten und mehreren Stunden liegen. Eine thermische Beschädigung des Pulvers ist ausgeschlossen, da die Prozesstemperatur bei dieser Behandlungsmethode beständig niedrig bleibt. Ebenso werden die Grundeigenschaften des Pulvers wie z. B. Schmelztemperatur, Kristallinitätsgrad und Molmasse nicht beeinflusst. Aufgrund zahlreicher variierbarer Prozessparameter kann eine Vielzahl von Schichteigenschaften erzielt werden.
Anwendungen
- Additiv in Lacke (Gleitlacke)
- Desinfektion / Keimreduzierung Saatgut, Gewürze
- Gleitreibung minimieren durch Zusatz mit behandeltem PTFE Pulver
- Herstellung von Kunststoffboxen welche mit PUR ausgeschäumt werden, damit dieses haftet
- Faseraktivierung, -ätzung
- Kunststoffgranulat Aktivierung, Ätzung
UHMWPE
UHMWPE (Ultrahochmolekulargewichtiges Polyethylen) ist ein Polyethylen mit einem sehr hohen Molekulargewicht. Polyethylen kann als der Kunststoff betrachtet werden, der am einfachsten aufgebaut ist: eine Kette von Kohlenstoffatomen, an den Seiten lediglich Wasserstoff. Wenn diese Kette sehr lang ist, nennt man den Werkstoff UHMWPE.
FAQ Häufig gestellte Fragen
Welche Oberflächen lassen sich in Niederdruck Plasmaanlagen aktiviert?
Mit der Niederdruck Plasmaanlage von Diener electronic lassen sich folgende Oberflächen wie Kunststoffe, Metalle, Gläser, Keramiken und Textilien aktivieren.
Wie lange können aktivierte Teile vor der Weiterverarbeitung gelagert werden?
Die Lagerzeit der Bauteile ist abhängig von der Aktivierungszeit und dem Material und variiert zwischen wenigen Minuten und mehreren Monaten. Daher ist es oft auch nötig, Versuche vor Ort durchzuführen.
Metalle, Keramik, Glas und Elastomere: wenige Stunden
Kunststoffe (ausgenommen Elastomere): mehrere Tage, Wochen, Monate
Wie sollten behandelte Teile gelagert werden?
Nach der Plasmabehandlung empfiehlt es sich, die Teile nicht offen zu lagern, da sie Staub, organische Kontamination und Luftfeuchtigkeit anziehen.
Eingeschweißte Teile haben eine wesentlich höhere Haltbarkeitszeit als offen gelagerte.
Die bei uns in Lohnbehandlung behandelten Teile werden in enger Absprache mit dem Kunden verpackt z. B. in geprüfte silikonfreie PE-Beutel, ESD-Verpackungen oder kundenspezifisches Verpackungsmaterial, welches uns zur Verfügung gestellt wird.
Welche Hauptvorteile bringt uns die Aktivierung mit Atmosphärendruckplasma?
PlasmaBeam Technik ist für Inline Prozesse anwendbar z. B. Plasmaaktivierung von endlosen Gummiprofilen, Schläuche vor dem Bedrucken, Kleben, Beflocken oder Lackieren.
Diese Technik ist Roboter tauglich, d. h. die 2- oder 3-dimensionalen Oberflächen können mit dem Plasmastrahl mithilfe von Robotern abgescannt werden.
PlasmaBeam ermöglicht eine lokale Oberflächenaktivierung ohne Maskieren - die restlichen Oberfläche werden nicht berühren.
Wie kann eine Plasmaaktivierung gemessen werden?
Kontaktwinkel / Randwinkel
Der Kontaktwinkel ist der Winkel, der bei einer Beobachtung der Projektion des liegenden Tropfens auf dem Festkörper durch die Tangente an die Tropfen Kontur mit der Oberfläche des Festkörpers im Dreiphasenpunkt gebildet wird. Nach der physikalischen Definition ist eine Oberfläche mit einem Kontaktwinkel kleiner als 90° hydrophil (benetzbar), bei größer als 90° hydrophob (unbenetzbar). Mittels Plasmabehandlung lässt sich der Kontaktwinkel verändern (vergrößern oder verkleinern). Durch einen geeigneten Plasmaprozess oder Aufbringen einer geeigneten Beschichtung in einem Plasmaprozess lassen sich hydrophile in hydrophobe Oberflächen (durch hydrophile Schichten auch umgekehrt) umwandeln.
Testtinten von Diener electronic
Messmittel zur Abschätzung der Oberflächenenergie: Zieht sich die Testtinte nach dem Auftrag auf der Oberfläche zusammen, so ist die Oberflächenenergie des Feststoffs geringer als die der Tinte, bleibt die Benetzung erhalten, so ist die Oberflächenenergie des Feststoffs gleich oder größer als diejenige der Flüssigkeit. Durch die Verwendung von Serien von Testtinten mit abgestufter Oberflächenenergie lässt sich so die Gesamt-Oberflächenspannung eines Feststoffs ermitteln. Der polare und unpolare Anteil der Oberflächenenergie kann mit dieser Methode allerdings nicht bestimmt werden.
Gitterschnitt-Test
Um die Haftung von Lackierungen zu überprüfen, wird ein Gitterschnitttest (Normen: DIN EN ISO 2409 und ASTM D3369-02) durchgeführt. Nach dem Lackieren wird die Lackschicht des Kunststoffteils gitterförmig eingeschnitten. Anschließend wird ein genormtes Klebeband auf das Schnittgitter geklebt, angedrückt und ruckartig wieder abgezogen. Bleibt Lack am Klebeband hängen, ist die Haftung der Lackierung mangelhaft. Der Gitterschnitt zeigt somit die Haftfestigkeit von Lackschichten auf Kunststoffteilen.
