Aktivieren mit Niederdruck-Plasma

Individuelles Modifizieren oder Aktivieren von Oberflächen

Verbesserung der Haftung auf Polymeren

Die Oberflächen zahlreicher industrierelevanter Kunststoffe wie Polyolefine (PE, PP, EPDM oder PTFE) sind derart unpolar, dass sie von Lacken, Druckfarben und Klebstoffen nur unzureichend benetzt werden. Auch Beschichtungen von bioorganischen Materialien oder Metallen sind oft nur schlecht oder nur mit teuren, speziellen polymeren Materialien realisierbar.

Mit der Niederdruck-Plasmatechnologie kann jedoch auf einfache, effiziente Weise eine Aktivierung oder chemische Modifikation von polymeren Oberflächen erzielt werden. In zahlreichen Industrieanwendungen hat sich dieses Verfahren bereits in Bezug auf die bessere Verarbeitbarkeit (Verkleben, Bedrucken, Lackieren etc.) von Polymeren bewährt.

Plasmaaktivierung – für exzellente Verbundeigenschaften bei Klebeanwendungen

Um Adhäsion an den Oberflächen unpolarer Kunststoffe zu erreichen, müssen polare Gruppen an den Oberflächen erzeugt werden. Dies führt zu einer Erhöhung der Grenzflächenenergie und damit zu einer Affinitätssteigerung zu Klebstoffen, Lacken, Farben etc.

Wenn es darüber hinaus sogar zur Ausbildung kovalenter chemischer Bindungen zwischen Substrat und Klebstoff oder Lack kommt, ist besonders hohe Haftfestigkeit zu erwarten. In einem solchen Fall bricht z.B. der Verbund erst bei hoher mechanischer Belastung und nicht an der Grenzfläche, sondern innerhalb einer der Verbundkomponenten.

Mit Hilfe der Niederdruck-Plasmatechnologie können polare funktionelle Gruppen in die Oberfläche von Kunststoffen eingebaut werden. Je nach Auswahl der eingesetzten Gase können sauerstoffhaltige Gruppen wie -OH oder stickstoffhaltige wie -NH2 eingebaut werden. Dieser Effekt ist auf die Oberflächen beschränkt, der Polymergrundkörper bleibt unbeeinflusst.

Kunststoffkomponenten

In der Medizintechnik werden häufig Kunststoffkomponenten im Plasma behandelt, mit dem Ziel, eine Hydrophilierung der Oberflächen von Mikrotiterplatten, Spritzennaben etc. zu erreichen

Anwendungsbereiche

• Automobil- und Automobilzulieferindustrie
• Medizintechnik
• Elektronikindustrie
• Elektroindustrie
• Chipkartenherstellung
• Kunststoffverarbeitende Industrie
• Forschung / Entwicklung

Anwendungsbeispiel

Medizintechnik: Spritzennadeln

Die Verklebung einer Stahlnadel in den Naben für Spritzen muss eine hohe Zugfestigkeit aufweisen, da sonst die Gefahr besteht, dass sich die Nadel während der Anwendung löst. Um die gewünschte Haftfestigkeit zu erzielen, werden die Polyethylen-Naben im Plasma vorbehandelt (aktiviert). Da das Plasma gasförmig ist, kann insbesondere auch das Innere der Naben problemlos behandelt werden.

Hydrophobe Polymeroberfläche vor einer Behandlung

Hydrophobe Polymeroberfläche vor einer Behandlung im Niederdruck-Plasma

Nach der Plasmabehandlung

Nach der Plasmabehandlung verfügt dieselbe Oberfläche über hydrophile Eigenschaften

Haftung des Aufdrucks

Durch Aktivierung im Niederdruck-Plasma erhöht sich die Oberflächenspannung und es werden O-funktionelle Gruppen in die PE-Oberfläche eingebaut

Dadurch verbessert sich die Haftung des Aufdrucks

Langzeitverhalten von plasmaaktivierten Oberflächen

Bei der Aktivierung werden kovalente chemische Bindungen zwischen Sauerstoff und Kohlenstoffatomen erzeugt, die durch ihre Polarität Wechselwirkungen zwischen der Oberfläche und einer aufgebrachten Substanz ermöglichen. Diese chemischen Bindungen sind über die Zeit stabil und werden unter normalen Lagerbedingungen nicht abgebaut. Die Lagerstabilität wird jedoch durch diese Faktoren beeinflusst:

Physikalische Deaktivierung

Unmittelbar nach einer Aktivierung sind die funktionellen Gruppen, die für die Aktivität verantwortlich sind, alle auf die Grenzfläche des Materials ausgerichtet. Durch Drehungen entlang der Polymerketten um chemische Einfachbindungen wird im Laufe der Zeit eine statistische Verteilung dieser Ausrichtung hergestellt. Die Gruppen sind dann willkürlich orientiert und stehen für eine Wechselwirkung mit der Umgebung nur noch zum kleineren Teil zur Verfügung. Solche Vorgänge werden durch Wärme beschleunigt, da Wärme die Beweglichkeit der Polymerketten erhöht.

ESCA-Analyse einer Polypropylen-Oberfläche

Zusammensetzung einer Kunststoff-Oberfläche (PP) vor und nach einer Sauerstoff-Plasmabehandlung

Lagerungseffekte

Gerade bei einfachen Kunststoffen ohne Additive (wie Polypropylen) kann eine Aktivierung bei sachgemäßer Lagerung und Handhabung durchaus mehrere Monate überdauern. Unter sachgemäßer Lagerung ist eine solche zu verstehen, die eine Verunreinigung von außen verhindert und gleichzeitig maximal bei Raumtemperatur erfolgt. Während der Lagerung ist eine leichte Abnahme der Oberflächenspannung dabei trotzdem immer zu erwarten, aber nicht notwendigerweise ergebnisrelevant.

In allen anderen Fällen ist eine erneute Reinigung / Aktivierung zur Auffrischung der Oberfläche in der Regel unkritisch. Gesicherte Aussagen sind allerdings erst nach entsprechenden Versuchen möglich.

Verunreinigungen von außen

Eine nachträgliche Verunreinigung von außen kann durch unsachgemäße Lagerung oder Handhabung auftreten: Kontakt mit verunreinigten Gegenständen oder Händen, unsaubere Atmosphäre im Lagerraum, Übertrag von Bestandteilen des Verpackungsmaterials.

Verunreinigungen von innen

Viele Kunststoffe sind heute durch Zuschlagstoffe auf besondere Eigenschaften hin optimiert: Weichmacher, UV-Stabilisatoren, Farbstoffe, brandhemmende Substanzen uvm. Diese Zuschlagstoffe sind häufig nicht chemisch mit der Kunststoffmatrix verbunden und sind daher innerhalb des Materials beweglich. Nach einer Aktivierung sorgen solche vagabundierenden niedermolekularen Verbindungen für eine Maskierung der aktiven Oberfläche. Dies kann u.U. auch sehr schnell gehen.