FRAUNHOFER-ANWENDUNGSZENTRUM FÜR PLASMA UND PHOTONIk. Oberflächenmodifizierung

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Fanny Steinmann
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1 FRAUNHOFER-ANWENDUNGSZENTRUM FÜR PLASMA UND PHOTONIk Oberflächenmodifizierung von Holz und Holzwerkstoffen

1 2 Atmosphärendruck-plasmen zur Modifizierung von Holz und Holzwerkstoffen Einheimische Holzarten sind in vielen Bereichen sehr attraktiv, allerdings weisen die meisten auch material-technologische

Insbesondere für den langzeitstabilen Einsatz im Außenbereich, wie z. B. als Terassenboden sind viele deutsche Hölzer im Gegensatz zu Tropenhölzern bisher nicht geeignet.

2 1 2 Atmosphärendruck-plasmen zur Modifizierung von Holz und Holzwerkstoffen Einheimische Holzarten sind in vielen Bereichen sehr attraktiv, allerdings weisen die meisten auch material-technologische Nachteile auf, wie geringe Dimensionsstabilität bei Feuchteund Temperaturwechseln, UV-Empfindlichkeit sowie eine geringe natürliche Dauerhaftigkeit. Insbesondere für den langzeitstabilen Einsatz im Außenbereich, wie z. B. als Terassenboden sind viele deutsche Hölzer im Gegensatz zu Tropenhölzern bisher nicht geeignet. Die Weiterentwicklung von Holz und Holzwerkstoffen als Bauund Konstruktionsmaterial sowie neue Produktionsverfahren sind permanente Ziele der Materialforschung. Als Naturwerkstoff ist Holz verschiedenen natürlichen Diffusions- und Alterungsprozessen ausgesetzt, die spätere Veredelungs- und Bearbeitungsschritte und damit Anwendungsmöglichkeiten beschränken. Hier setzen Atmosphärendruck-Plasmabehandlungen an und ermöglichen langzeitstabile, fehlerfreie, sichere sowie effiziente Beschichtungs- und Behandlungsprozesse. Oberflächenbehandlungen mit Atmosphärendruckplasmaverfahren ermöglichen neue Einsatzfelder und erhöhen gleichzeitig die Qualität der Hölzer. Effekte der Plasmabehandlung Erhöhung und Einstellung der Oberflächenenergie Erhöhung der Aufnahme von Modifikationsmitteln Modifikation der Oberfläche durch Plasma-Polymerisation Vorteile von Plasmabehandlungen bei Atmosphärendruck Steigerung der Haftfestigkeit von Lacken und Farbaufträgen Homogene Verteilung von flüssigen Beschichtungsmitteln auf Oberflächen Verbesserte Penetration von Modifikationsmitteln im Holzkörper Erhöhung der Witterungsbeständigkeit Erzeugung funktionaler Schichten auf Holzoberflächen Generelle Vorteile der Atmosphärendruck-Plasmatechnologie Emissionsarm Leicht skalierbar Hohe Ökoeffizienz Geringe Betriebskosten Unser Angebot Analytik, z. B. Kontaktwinkelmessungen, Adhäsionstests, künstliche Bewitterung Machbarkeitsstudien zur Optimierung der Eigenschaften von Holzoberflächen mittels Plasmabehandlung Hydrophilisierung und Hydrophobisierung mittels Plasma Prozessoptimierung von Füge- und Imprägnierungsprozessen nach individuellen Anforderungen Entwicklung, Konstruktion und Umsetzung von Plasma-Behandlungsgeräten, -Versuchsanlagen und -Systemkomponenten Experimentelle Beschichtungen von Holzoberflächen mittels Plasma-Schichtsynthese

3 Unsere Anwendungsfelder Holz Imprägnierung von Holzfurnieren Das Anschleifen der Holzoberflächen ist eine gebräuchliche Methode der Vorbehandlung für weitere Produktionsschritte.

3 3 Unsere Anwendungsfelder Holz Imprägnierung von Holzfurnieren Das Anschleifen der Holzoberflächen ist eine gebräuchliche Methode der Vorbehandlung für weitere Produktionsschritte. Geschliffene Holzoberflächen weisen eine erhöhte Benetzbarkeit im Vergleich zu ungeschliffenen oder gealterten Holzoberflächen auf. Untersuchungen zeigten, dass Plasmabehandlungen einen größeren Einfluss auf die oberflächenenergetischen Charakteristika haben als das Schleifen der Oberflächen. Eine Plasmabehandlung ersetzt damit bisher übliche Anschleifprozesse zur»auffrischung«von Holzoberflächen für nachfolgende Beschichtungen. Lösungsaufnahme und WPG-Bestimmung von Melamin und DMDHEU getränkten Buchenfurnieren. Viele heimische Holzarten mit geringer natürlicher Dauerhaftigkeit besitzen gleichzeitig eine schlechte Tränkbarkeit mit flüssigen Modifikations- bzw. Imprägnationsreagenzien. Voraussetzung für Veredelungs- und Langzeitschutzschichten ist jedoch die gleichmäßige und tiefreichende Verteilung der eingesetzten Reagenzien im Holzkörper. Eine beschleunigte Tränkbarkeit der untersuchten Holzfurniere kann mittels Plasmabehandlung erreicht werden, so dass eine weitaus homogenere Verteilung der Modifikationsreagenzien auf der Oberfläche stattfindet und die Feststoffaufnahme von eingesetzten Modifikationsreagenzien im Holzkörper um bis zu 60 Prozent erhöht werden kann. Imprägnierung 40 von Holzfurnieren Lösungsaufnahme / Feststoffaufnahme [%] Melamin DMDHEU Melamin DMDHEU Lösungsaufnahme Feststoffaufnahme 1 Schematische Darstellung der Plasmaanlage zur Behandlung von Holzfurnieren. 2 Plasmaanlage zur Behandlung von Massivholz (bis 30 mm Dicke). 3 Sperrholzplatten aus thermisch behandelten Referenz 10s Plasma Buchenholzfurnieren nach künstlicher Bewitterung, unbehandelt (oben) und plasmabehandelt (unten).

4 5 Holzwerkstoffe Mobile Plasmaquellen Bei den Span- und Faserplatten ist ein deutlicher Anstieg der Oberflächenenergie nach der Plasmabehandlung zu verzeichnen. Daraus resultiert u. a.

PVAc-Klebstoff führt zu einer schnelleren Aushärtung und Festigkeitszunahme verklebter Bauteile.

4 4 5 Holzwerkstoffe Mobile Plasmaquellen Bei den Span- und Faserplatten ist ein deutlicher Anstieg der Oberflächenenergie nach der Plasmabehandlung zu verzeichnen. Daraus resultiert u. a. das beschleunigte Eindringen von Wasser in plasmabehandelte Span- und Faserplatten. Ein beschleunigter Wasserentzug von z. B. PVAc-Klebstoff führt zu einer schnelleren Aushärtung und Festigkeitszunahme verklebter Bauteile. Das zeitnahe Aushärten von wasserbasierten Klebstoffen kann zu einer Senkung der Prozesszeiten und zu einer Erhöhung der Produktion führen. Polarer Anteil der Oberflächenenergie von Buche, Eiche, Fichte und Kiefer. Durch bestimmte Anordnungen der dielektrisch behinderten Entladung kann das Behandlungsgut auch unabhängig von der Materialdicke plasmabehandelt werden. Mit derartigen Anordnungen wurden unter anderem Plasma-Handgeräte am Fraunhofer-Anwendungszentrum für Plasma und Photonik entwickelt, die eine kleinflächige Behandlung von stark profilierten Oberflächen ermöglichen. Die Stromversorgung erfolgt hier über einen Akku, so dass größtmögliche Flexibilität und Mobilität gewährleistet sind. Dadurch ist es auch für Handwerker und Bastler möglich kleinere Flächen für nachfolgende Klebungen und Beschichtungen vorzubereiten. 40 Oberflächenenergie polar [mnm- 1 ] gealtert Buche Eiche Fichte Kiefer geschliffen Plasma geschliffen + Plasma 4 Plasmabehandlung von Holzspänen auf einer Förderbandanlage. 5 Handgerät zur Plasmabehandlung von Holz.

unbehandelt plasmabehandelt 6 7 Holz-Kunststoff-Komposite WPC Experimentelle Plasmabeschichtung Holz-Kunststoff-Komposite zeigen beim Verkleben oder Beschichten im Allgemeinen oft ungenügende

Die Oberflächenenergie wird durch die Plasmabehandlung bei z. B. PP-basiertem WPC und bei PE-basiertem WPC signifikant erhöht.

5 unbehandelt plasmabehandelt 6 7 Holz-Kunststoff-Komposite WPC Experimentelle Plasmabeschichtung Holz-Kunststoff-Komposite zeigen beim Verkleben oder Beschichten im Allgemeinen oft ungenügende Hafteigenschaften. Die schwach ausgeprägten Adhäsionseigenschaften sind auf die Kunststoffkomponenten des Materials zurückzuführen, die die Oberflächeneigenschaften wesentlich bestimmen. Die Oberflächenenergie wird durch die Plasmabehandlung bei z. B. PP-basiertem WPC und bei PE-basiertem WPC signifikant erhöht. Die Steigerung der Oberflächenenergie hat eine Erhöhung der Haftfestigkeit zur Folge. Änderung der Oberflächenenergie von WPC nach Plasmabehandlung. Um die Beständigkeit von Holz zu erhöhen, wird üblicherweise mittels Lackierung eine protektive Schicht aufgebracht. Ziel des Fraunhofer-Anwendungszentrums ist es, alternative Schutzschichten mittels Atmosphärendruck-Plasmen zu entwickeln, wie z. B. eine Beschichtung aus Metallpartikeln mit protektiven Eigenschaften, die im Plasma aufgeschmolzen bzw. aktiviert und auf Holzoberflächen aufgebracht werden kann. Eine weitere Methode ist die plasmagestützte Polymerisation, bei der ein Monomer im Plasma zu langkettigen Molekülen polymerisiert und auf der Holzoberfläche abgeschieden wird. Dadurch können u.a. hydrophobe Schichten erzeugt werden, die das Eindringen von Wasser in das Holz verhindern. 60 Oberflächenenergie [mnm -1 ] WPC-PP WPC-PP WPC-PE WPC-PE dispers polar unbehandelt plasmabehandelt 6 Holz in der Plasma- Entladung. 7 Zugversuch WPC.

Fraunhofer-Anwendungszentrum für Plasma und Photonik Das Göttinger Anwendungszentrum des Fraunhofer-Instituts für Schicht- und Oberflächentechnik IST hat sich zum Ziel gesetzt, Innovationen der

6 Fraunhofer-Anwendungszentrum für Plasma und Photonik Das Göttinger Anwendungszentrum des Fraunhofer-Instituts für Schicht- und Oberflächentechnik IST hat sich zum Ziel gesetzt, Innovationen der modernen Plasmatechnologie in den Geschäftsfeldern Umwelt, Hygiene, Gesundheit, Produktion und Energie sowohl für die Industrie als auch für kleine und mittelständische Unternehmen nutzbar zu machen und maßgeschneiderte Konzepte für die Wirtschaft zu entwickeln. Ein besonderer Fokus des Anwendungszentrums liegt neben der Beschichtung und Behandlung organischer Oberflächen auf der neuartigen Laser-Plasma-Hybridtechnologie. KONTAKT Fraunhofer-Anwendungszentrum für Plasma und Photonik des Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST Von-Ossietzky-Str Göttingen Prof. apl. Prof. Dr. Wolfgang Viöl Leiter des Fraunhofer-Anwendungszentrum für Plasma und Photonik Telefon Dr. Bernd Schieche Innovationsmanager Telefon

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