Beschichten mit Plasma

Hydrophob, Hydrophil, Kratzschutz, ...

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Mit Plasma lassen sich Werkstücke mit diversen Beschichtungen vergüten. Dazu werden gasförmige und flüssige Ausgangsstoffe zugeführt. Im Plasma vernetzen sich die Ausgangsstoffe, meistens kurzkettige Monomere, zu langkettigen Polymeren. Die Auswahl der Ausgangsstoffe bestimmt dann die Schichteigenschaften

hydrophob (wasserabweisend) | hydrophil (Wasseranziehend / benetzend) | Kratzschutz, Korrosionsschutz | Kohlenstoffschichten | Barriere / Diffusionssperre | PTFE-ähnliche | Gleitbeschichtungen / Anti-Haftbeschichtungen | Haftvermittler / Primer | Wasser / Wasserdampfbarriere | Metallisierung | Nano-Silber 

Vorteile des Plasma-Beschichtens

✓ Extrem dünne Schichten im nm Bereich möglich
✓ Serientaugliche, konstante Prozesse durch vollständige Automatisierung möglich
✓ Vielzahl an Varianten machbar
✓ kein Temperatureintrag
✓ keine Lösemittel
✓ sehr gute Spaltgängigkeit
✓ für Stück- und Schüttgut geeignet

Beschichten mittels Plasma­polymerisation

Zum Beschichten mit Niederdruckplasma werden Monomere (entweder gasförmig oder flüssig) eingeleitet, die dann unter dem Einfluss des Plasmas polymerisieren. Die mit Plasmapolymerisation erreichten Schichtdicken liegen im Bereich von einem Mikrometer. Die Haftung der Schichten auf der Oberfläche ist sehr gut.

Zum Beschichten mit dem Plasmajet-Verfahren (atmosphärisches Plasma) werden die Monomere gasförmig mittels Trägergas direkt in den Plasmastrahl zugeführt. Damit wird das Monomer mittels Plasma auf der Oberfläche fokussiert und polymerisiert. Die Schichtstärke beträgt einige hundert Nanometer.

Die Prozesstechnik ist wesentlich aufwendiger als beim Aktivieren und Entfetten.

Es können z. B. Barriereschichten in Kraftstofftankskratzfeste Schichten auf Scheinwerfern und CD’sPTFE-ähnliche Schichten, hydrophobe Schichten usw. hergestellt werden.

Es gibt drei Beschichtungsverfahren, die sich großtechnisch etabliert haben: 

Hydrophobe Schichten ► Monomer: z. B. Hexamethyldisiloxan (HMDSO)

PTFE-ähnliche Schichten ► Monomer: fluorhaltige Prozessgase - siehe auch Epilamisieren

Hydrophile Schichten ► Monomer: Vinylacetat, Hexamethyldisiloxan definiert mit Sauerstoff gemischt (wesentlich mehr HMDSO als O2)

Häufige Fragen

Welche Effekte erlaubt das Beschichten von Metallen mittels Plasmapolymerisation?

Das Beschichten von Metallen mittels Plasmapolymerisation erlaubt verschiedene Effekte, z. B.: eine bis zu mehreren Wochen anhaltende Aktivierung und neben dem Aufbringen von dekorativen auch funktionelle Schichten.

Für Metalle eignet sich im Allgemeinen besonders die Verwendung einer Sputteranlage

Für eine dauerhaft hydrophile Schicht mit HMDSO mischen Sie die Gase folgendermaßen: HMDSO : O2 = 1:4

Für eine hydrophobe Schicht mit HMDSO mischen Sie die Gase umgekehrt, also: HMDSO : O2 = 4:1

Lassen sich Kunststoffe mittels Plasmapolymerisation beschichten?

Kunststoffe lassen sich weitestgehend unkompliziert per Plasmapolymerisation beschichten.

So lassen sich z. B. CD’s und DVD’s kratzfest beschichten ohne, dass deren Qualität darunter leidet.

Es lassen sich PTFE-ähnliche Schichten aufbringen, um die Gleitfähigkeit der Behandlungsgüter zu erhöhen. Des Weiteren ist es möglich gezielt funktionelle Gruppen an der Kunststoffoberfläche anzubringen (z. B. Aminogruppen für Bioanalytikanwendungen).

Die Polymerisation kann auch in mehreren Stufen erfolgen:

Beispiel: 

  1. Aktivieren ► 5 Minuten O2
  2. Beschichten ► 5 Minuten HMDSO
  3. "Ätzen" ► 12 Sekunden O2
  4. Beschichten ► 5 Minuten HMDSO
  5. "Ätzen" ► 12 Sekunden O2
  6. Beschichten ► 5 Minuten HMDSO

Danach eventuell Aushärten der Schicht mit einigen Sekunden Sauerstoffplasma. Bei diesem Schritt wird die Schicht jedoch hydrophil!

Können Gläser und Keramiken mittels Plasmapolymerisation beschichtet werden?

Die einzige Schwierigkeit Gläser und Keramiken zu beschichten, besteht darin die Oberfläche dementsprechend vorzubereiten(siehe Kapitel Aktivieren und Ätzen). Sobald diese Schwierigkeit überwunden ist steht der Anwendungsvielfalt von Beschichtungen nichts mehr im Wege. Die jeweilige Haftfestigkeit der Beschichtung muss im Einzelfall geprüft werden. Bei “Unverträglichkeit“ zwischen Schicht und Substratmaterial müssen eventuell Zwischenschichten als Haftvermittlung aufgebracht werden. Ein Bespiel für eine erfolgreiche hydro- und oliophobe Beschichtung ist auf dem Bild zu sehen.

Lassen sich Textilien mittels Plasmapolymerisation beschichten?

Textilien lassen sich sehr gut im Plasma beschichten. Die Schwierigkeit besteht derzeit noch in der Erreichung einer langfristigen Beständigkeit der Schichten gegen Tenside. Hydrophobe Schichten erreicht man durch Verwendung fluorhaltiger Gase / Monomere.

Welche Schichten können mit atmosphärischem Plasma erzeugt werden und welche Monomere werden dafür eingesetzt? (Atmosphärendruckplasma)

Atmosphärisches Plasma ist hauptsächlich zur Erzeugung von hydrophilenhaftvermittelnden sowie korrosionsvorbeugendenSchichten geeignet.

Als Monomere werden silizium- und kohlenstoffhaltige Substanzen verwendet. Dazu gehören z. B. verschiedene Acrylate und gängige siliziumhaltige Monomere vom Typ HMDSO.

Welche Monomere dürfen nicht verwendet werden? (Atmosphärendruckplasma)

Auf Grund von stark toxischer Wirkung dürfen keine halogenhaltigen Gase und Monomere mit atmosphärischem Plasma verwendet werden (F2, CL2, Br2, I).

Welche Trägergase werden bei atmosphärischer Plasmabeschichtung eingesetzt? (Atmosphärendruckplasma)

Typischerweise werden folgende Gase eingesetzt:

  • Helium (He)
  • Argon (Ar)
  • Stickstoff (N2)

Welche Schichtstärken können erreicht werden und wie können diese gemessen werden? (Atmosphärendruckplasma)

Die Schichtstärke beträgt einige hundert Nanometer. Zur Messung von solchen dünnen Schichten kann als zuverlässiges Verfahren das sogenannte Profilometer (z. B. Dektak) eingesetzt werden.

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