Atmosphärenplasma - eine effiziente Behandlungsmöglichkeit von Kunststoffoberflächen zur Verbesserung der Klebbarkeit

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1 Atmosphärenplasma - eine effiziente Behandlungsmöglichkeit von Kunststoffoberflächen zur Verbesserung der Klebbarkeit Arne Bender, Lars Brommer, Sabine Fricke Kleben als innovatives Fügeverfahren spielt mittlerweile in nahezu allen Bereichen der industriellen Fertigung eine wichtige Rolle. Die moderne Klebtechnik bietet vielfältige Möglichkeiten neue, den steigenden Anforderungen des Marktes gerecht werdende Produkte herzustellen oder bestehende hinsichtlich Qualität und Kosten zu optimieren. Nahezu alle Materialien können mittels Kleben unter weitestgehendem Erhalt der Werkstoffeigenschaften miteinander und untereinander verbunden werden, so dass die Klebtechnik große Potenziale z.b. für den Leichtbau bietet. Betrachtet man den Klebprozess, so sind der Klebstoff mit seinen Verarbeitungsbedingungen und die zu fügenden Teile und dabei deren Oberflächen besonders wichtig. Der Übergang Fügeteil und Klebstoff, also die so genannte Grenzfläche, ist dabei ganz entscheidend für die Haftfestigkeit und letztendlich die Festigkeit der Klebverbindung. Die Haftung erfolgt über sekundäre Kräfte/Bindungen. Diese können durch eine gezielte Plasmabehandlung der Fügeteiloberflächen verstärkt werden. Durch die Plasmabehandlung wird die Oberflächenenergie erhöht sowie die Oberflächenrauheit verbessert, in der Regel erhöht. Die Höhe der Oberflächenenergie ist gerade bei Kunststoffoberflächen von großer Bedeutung. Kunststoffoberflächen und hierbei besonders Polyethylen und Polypropylen besitzen eine kleine Oberflächenenergie was deutlich wird, wenn man einen Wassertropfen auf der Oberfläche betrachtet, der nicht verläuft, sich zusammenzieht und leicht abperlt. Wasser ist dabei polar und die Kunststoffoberflächen wenig polar bzw. unpolar. Polypropylen und Polyethylen lassen sich also schlecht mit Wasser aber auch mit Klebstoffen benetzen und somit auch schlecht verkleben, bedrucken oder lackieren. Um nun erfolgreich Kleben zu können gilt es also, die Oberflächenenergie der Kunststoffoberflächen zu erhöhen und dabei nach Möglichkeit auch die Polarität der Kunststoffoberfläche anzugleichen. Hierbei kommt das Atmosphärenplasmagerät der Firma Diener, zur Prüfung der Oberflächenspannung das Kontaktwinkelmessgerät der Firma Krüss und zur Zugscherfestigkeitsprüfung die Zugprüfmaschine der Firma Zwick zum Einsatz. Als Klebstoff wird ein Zweikomponenten Epoxid-Klebstoff der Firma UHU ( UHU Endfest 300 ) verwendet. Plasma- Plasmatechnik Materie kommt in verschiedenen Aggregatzuständen vor. Nahezu alle Materialien befinden sich bei niedrigen Temperaturen im festen Zustand (fest), bei dem ihre Atome und Moleküle ein festes Gefüge bilden. Bei steigender Temperatur nimmt deren Bewegung stetig zu, bis sie ihre festen Plätze verlassen und sich umeinander bewegen können (flüssig). Wird weiter Energie zugeführt, verlassen die Atome und Moleküle den gemeinsamen Verband und bewegen sich frei (gasförmig). Wird der Materie weiterhin Energie zugeführt, entstehen geladene Teilchen, d.h. negativ geladene Elektronen und positiv geladene Ionen. Dieses Teilchengemisch wird als Plasma bezeichnet (vierter Aggregatzustand). Man unterscheidet so genannte heiße Plasmen, z.b. Sonne mit hohen Temperaturen, und kalte Plasmen, z. B. Blitz mit hohen Spannungen. Bei der in der FH Lübeck verwendeten Plasmaanlage (Atmosphärenplasma) kommen kalte Plasmen, die unter atmosphärischem Druck und unter Verwendung von Luftgas erzeugt werden, zur Anwendung. In der Abbildung 1 sind das Geräteschema mit ausgewählten Kennwertangaben, der Plasmakopf mit Probentisch und der Plasmastrahl zu sehen. Die Druckluftzufuhr hat nur die Aufgabe das im Plasmakopf erzeuge Plasma heraus zu blasen.

2 Plasmakopf und Probentisch Abbildung 1: Schema der Atmosphärenplasmaanlage Quelle: Firma Diener Quelle: Firma Diener Plasmastrahl Ein Plasma wird eingesetzt, um die Oberflächeneigenschaften gezielt zu verändern. Dabei ist es möglich, die Oberflächen von Bauteilen zu reinigen: Vor allem organische Kontaminationen werden entfernt (Oxidation/Verdampfung). ätzen: Ein anisotropes Trockenätzen oder ein Strukturieren (z.b. Erzeugen von Mikrogräben) ist möglich. beschichten Eine Abscheidung von Schichten z.b. durch Sputtern und/oder durch Einspeisung von Zusatzstoffen (in der FH Lübeck durch Zugabe von HMDSO (Hexamethyldisiloxan und Abscheidung von dünnen glasähnlichen Schichten) in das Plasma ist möglich. aktivieren: Unter (Plasma)aktivieren versteht man die Bildung von Radikalstellen an der Oberfläche von Werkstoffen. Eine bessere Klebverbindung oder Lackhaftung bei Kunststoffbauteilen gelingt durch Erzeugung von funktionellen Gruppen. Dabei werden nur die obersten Molekülschichten beeinflusst und hydrophile Gruppen (z.b. OH-Gruppen oder COOH- Gruppen) in Polymerketten eingebaut. Die Materialeigenschaften des gesamten Werkstückes bleiben dabei unverändert.

3 Abbildung 2: Probe in der Mitte plasmabehandelt (plasmaaktiviert) Auf der plasmabehandelten Fläche spreiten (verlaufen) die Wassertropfen, wogegen an den unbehandelten Rändern Tropfen zu erkennen sind Kontaktwinkelmessung zur Bestimmung der Oberflächenenergie Die Abbildung 3 zeigt das Kontaktwinkelmessgerät der Firma Krüss und zwei Wassertropfen auf einer hydrophileren und einer stark hydrophoben Probenoberfläche. Abbildung 3: Kontaktwinkelmessgerät Hierbei werden die mittels Spritzen auf die Probe aufgesetzten Tropfen (destilliertes Wasser und Diiodmethan) optisch vermessen, die Kontaktwinkel bestimmt und daraus mittels Modellrechnungen (integriertes Softwarepaket) die Oberflächenenergien ermittelt. Die jeweilige Oberflächenenergie setzt sich dabei aus einem polaren und einem unpolaren Anteil zusammen. Tropfen benetzt die Probenoberfläche. (hydrophilere Oberfläche) Tropfen benetzt die Probenoberfläche nicht. (stark hydrophobe Oberfläche) Untersuchungen, Ergebnisse und Diskussion Es galt verklebte Polyethylen- und Polypropylenproben bezüglich der Zugscherfestigkeit/Zugscherkraft zu untersuchen. Dazu wurden klassische Zugprüfstäbe

4 (170 mm lang und im Messbereich 10 mm breit und 4 mm hoch) im Messbereich durchgeschnitten und überlappend (Fläche 10 mm x 20 mm) mit einem 2 Komponentenklebstoff UHU Endfest 300 verklebt. Die Proben wurden dann in einer Zugprüfmaschine auseinander gezogen (Zugscherprüfung). Hierzu wurden unbehandelte (nur mit Alkohol gereinigt) und plasmaaktivierte Proben hergestellt, mittels Kontaktwinkelmessung bezüglich der Oberflächenspannung vermessen und dann verklebt. Die Plasmabehandlung (Generatorleistung 300 Watt) erfolgte einmalig indem der Strahl in einem Abstand (Düse Substrat) von 10 mm und mit einer Geschwindigkeit von 40 mm/s über die Proben geführt wurde. Polyethylen unbehandelt Die Kontaktwinkelmittelwerte betrugen für Wasser 92 Grad und für Diiodmethan 54 Grad, woraus sich eine Oberflächenenergie von 33,3 mj/m 2 (mit 31,8 mj/m 2 (disperser (Anteil) und 1,5 mj/m 2 (polarer Anteil)) ergab. Die Zugscherkraft (Mittelwert) lag bei 20 N. Bei einigen Proben löste sich die Klebung bereits vorher, so dass keine Messung möglich war. Polyethylen plasmabehandelt Die Kontaktwinkelmittelwerte betrugen für Wasser 78 Grad und für Diiodmethan 52 Grad, woraus sich eine Oberflächenenergie von 39,0 mj/m 2 (mit 33,0 mj/m 2 (disperser (Anteil) und 6,0 mj/m 2 (polarer Anteil)) ergab. Die Zugscherkraft (Mittelwert) lag bei 940 N. Eine mehrmalige Plasmabehandlung (2-3 maliges Aktivieren der Probe) führte zu einer Vergrößerung des polaren Anteils (bis auf 35 mj/m 2 ) und zu einem geringfügig steigenden dispersen Anteil (+ 2 mj/m 2 ). Obwohl die Oberflächenspannung somit steigt führte dies aber zu keiner weiteren Erhöhung der Zugscherfestigkeit/Zugscherkraft. Polypropylen unbehandelt Die Kontaktwinkelmittelwerte betrugen für Wasser 105 Grad und für Diiodmethan 58 Grad, woraus sich eine Oberflächenenergie von 30,0 mj/m 2 (mit 29,7 mj/m 2 (disperser (Anteil) und 0,3 mj/m 2 (polarer Anteil)) ergab. Die Zugscherkraft (Mittelwert) lag bei 80 N. Polypropylen plasmabehandelt Die Kontaktwinkelmittelwerte betrugen für Wasser 94 Grad und für Diiodmethan 54 Grad, woraus sich eine Oberflächenenergie von 33,0 mj/m 2 (mit 32,2 mj/m 2 (disperser Anteil) und 0,8 mj/m 2 (polarer Anteil)) ergab. Die Zugscherkraft (Mittelwert) lag bei 640 N. Eine mehrmalige Plasmabehandlung (2-3 maliges Aktivieren der Probe) führte zu keiner Vergrößerung des polaren und dispersen Anteils. Eine weitere Erhöhung der Zugscherfestigkeit konnte auch nicht festgestellt werden. In der Automobilindustrie werden häufig keine reinen Polypropylenbauteile eingesetzt sondern so genannte Polymerblends (PP EPDM (Polypropylen Ethylen-Propylen-Dien- Kautschuk), die auch eine hohe Zähigkeit garantieren. Im Rahmen eines Fortbildungsseminars vom Kunststoff-Kompetenzzentrum der FH Lübeck sollten Prüfkörper aus PP/EPDM einmal unbehandelt und einmal plasmabehandelt verklebt werden. Von diesen Proben wurden auch die Oberflächenenergien bestimmt und nach dem Verkleben die Zugscherkräfte ermittelt. PP EPDM unbehandelt Die Oberflächenenergie betrug 24,8 mj/m 2 (mit 21,6 mj/m 2 (disperser (Anteil) und 3,2 mj/m 2 (polarer Anteil). Der geringere Wert der Oberflächenenergie im Vergleich zum Polyethylen und Polypropylen bestätigt auch den haptischen, PTFE-ähnlichen Eindruck. Die Zugscherkraft konnte nicht ermittelt werden, da sich alle Verklebungen vorher lösten. PP EPDM plasmabehandelt

5 Die Oberflächenenergie betrug 26,1 mj/m 2 (mit 23,1 mj/m 2 (disperser (Anteil) und 3,0 mj/m 2 (polarer Anteil). Die Zugscherkraft (Mittelwert) betrug 945 N. Obwohl nach der Plasmabehandlung nur der disperse Anteil geringfügig angestiegen war, erfolgte eine erfolgreiche Verklebung. Eine Atmosphärenplasmabehandlung ist eine recht einfache und preiswerte Methode zur Oberflächenbehandlung/-aktivierung von Kunststoffen. Es wird durch die Behandlung eine Erhöhung der Oberflächenenergie erreicht, die zu einer besseren Verklebung von Kunststoffbauteilen (hier Polyethylen mit Polyethylen und Polypropylen mit Polypropylen) führt, was sich in einer hohen Zugscherfestigkeit (hier Zugscherkräfte bestimmt) zeigt. Die Oberflächenenergie (aufgeteilt in dispersen und polaren Anteil) mittels Kontaktwinkelmessungen bestimmt, ist ein Indikator für eine erfolgreiche Plasmaaktivierung und Verklebung. Zudem ist es hilfreich, die Einteilung in polaren und dispersen Anteil zu betrachten, um die Prüfteile und Klebstoffe auf einander besser abstimmen zu können. Deutlich wird auch, dass bei Plasmabehandlungen der jeweilige Werkstoff genau betrachtet werden muss. Gerade beim Polypropylen gibt es Verhaltensauffälligkeiten im Vergleich zu anderen Polymeren wie z.b. Polyethylen. Hier sollen Untersuchungen auch im Rahmen von Masterarbeiten weitere Erkenntnisse liefern. Quellen: Geräteunterlagen der Firma Krüss Geräteunterlagen der Firma Diener A. Kondyurin, M. Bilek, Ion Beam Treatment of Polymers, Elsevier 2008, Oxford Gerd Habenicht, Kleben, Springer Verlag 1990, Berlin Heidelberg Michaeli/Wegener, Einführung in die Technologie der Faserverbundwerkstoffe, Hanser Verlag 1990, München Im Labor für Oberflächentechnik im Fachbereich Maschinenbau und Wirtschaft stehen Methoden der Oberflächenbehandlung und Oberflächenprüfung zu Verfügung und können auf verschiedene Oberflächensysteme angewendet werden. In enger Zusammenarbeit mit dem Kunststoff-Kompetenzzentrum der FH Lübeck sind Auftragentwicklungen für Unternehmen möglich. Weiterhin werden gezielt Schulungen/Fortbildungen angeboten. Bei einigen Problemstellungen geht es auch in den Bereich der anwendungsnahen und grundlegenden Forschung. Hier werden Bachelor- und Masterstudierenden der FH Lübeck aktiv eingebunden und im Verbund mit FH-KollegInnen (z.b. dem Werkstoffinstitut der FH Lübeck) oder auch mit externen Partnern aus Industrie und Forschungseinrichtungen können Lösungen erarbeitet werden. Sabine Fricke, Arne Bender FH Lübeck FB M & W Mönkhofer Weg Lübeck Tel.: arne.bender@fh-luebeck.de Lars Brommer Kunststoff-Kompetenzzentrum (KuK) Mönkhofer Weg Lübeck Tel: lars.brommer@fh-luebeck.de