Plasmaprozesse In-Line

Transkript

1 Düsenwerkzeug zur Aktivierung von Folien Plasmaprozesse In-Line Oberflächentechnik. Das Openair-Plasma-Verfahren bietet seit einigen Jahren eine Vielzahl neuer Anwendungen, insbesondere bei der Reinigung, Aktivierung und Beschichtung von Formteilen und Folien. Nun wurde ein modulares System für die In-Line-Vorbehandlung von PP-Folien entwickelt, das bei flexiblen Breiten arbeitet und eine hohe Aktivierung ermöglicht. CHRISTIAN BUSKE ALEXANDER KNOSPE P lasma, der vierte Aggregatzustand, kennzeichnet eine Materie auf hohem instabilen Energieniveau. Die Energie wird über die Aggregatzustände fest, flüssig und gasförmig stets als Wärme eingetragen (Bild 1). Die Grundlagen Plasmaprozess Bild 1. Plasma als vierter Aggregatzustand Plasmatechnik hört beim gasförmigen Zustand der Materie nicht auf: Wird mittels elektrischer Entladung zusätzlich Energie in die Materie eingekoppelt, so erhalten die Elektronen eine höhere kinetische Energie und verlassen die Elektronenschale. Es entstehen freie Elektronen, Ionen und Molekülfragmente. Dieser Zustand ist jedoch unter Normaldruck aufgrund seiner Instabilität kaum zu verwenden. Erst das von dem Anlagenentwickler Plasmatreat, Steinhagen, konzipierte und patentierte Atmosphärendruck-Plasma-Verfahren Openair schuf neue Möglichkeiten. Durch die Entwicklung und den Einsatz von Plasmadüsen gelang es, den bis dahin industriell kaum genutzten Aggregatzustand erstmals in 82 Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 11/2005

2 OBERFLÄCHENTECHNIK Produktionsprozessen auch in-line einzusetzen. Elektrisch neutraler Plasmastrahl Bild 2. Das austretende Plasma steht je nach Düsengeometrie in einem Arbeitsbereich bis 25 mm Wirkbreite oder 40 mm Behandlungsabstand zur Verfügung Kunststoffe 11/2005 Die Düsen werden mit Luft oder auch mit einem anderen gewünschten Prozessgas sowie mit Hochspannung betrieben (Bild 2). Das austretende Plasma steht je nach Düsengeometrie in einem Arbeitsbereich bis 25 mm Wirkbreite oder 40 mm Behandlungsabstand zur Verfügung. Der austretende Plasmastrahl ist elektrisch neutral, wodurch sich die Anwendbarkeit stark erweitert und vereinfacht. Die Temperatur des austretenden Plasmas beträgt, abhängig von der eingekoppelten Leistung und der Bauform der Plasmaquelle, zwischen 300 und 1500 C. Dies ermöglicht sehr hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten mit optimalen Effekten. Die typischen Erwärmungen der Kunststoffoberflächen während der Behandlung betragen hier T<20 C. Plasma verändert die Oberflächen von Kunststoffen. Es wird daher eingesetzt zur Reinigung von Oberflächen, wie z. B. zum Entfernen von Trennmitteln und Additiven Aktivierung, d. h. zur Erzeugung funktioneller Gruppen, was die Haftung von Klebstoffen und Coatings ermöglicht Verbesserung der Eigenschaften des Verbunds durch eine plasmapolymere Beschichtung. Unpolare Materialien wie z. B. KS-Verklebungen sind ohne Vorbehandlung faktisch nicht zu verkleben. Nach einer Aktivierung mit Openair-Plasma steigt die Zugscherkraft um etwa das 50fache (Bild 3). Selbst nach achtwöchiger Lagerung vor der Verklebung sind diese Ergebnisse noch nachweisbar, die Behandlung ist somit langzeitstabil. Zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten Der Anwendung dieser effizienten Plasma-Technik sind keine Grenzen gesetzt. Sie wird zum Reinigen und Entschichten, zur Erreichung von Haftungsverbesserungen und in der Beschichtung eingesetzt. Durch den Einsatz von Openair-Plasma wurden Prozesse wie das Entfernen von Formtrennmitteln auf Formkörpern aus Polyurethan (PUR), wie z. B. bei Möbelprofilen, Airbag-Abdeckungen (Bild 4) oder Fahrradsätteln, gegenüber herkömmlichen Verfahren entscheidend rationalisiert. Das schichtweise Entfernen organischer Layer, das Entlacken oder partielle Entfernen von Metallisierungen vor der Verklebung, die Herstellung von Autoscheinwerfern wie auch die Behandlung von Reflektoren sind nur einige Beispiele für den erfolgreichen In-Line-Einsatz von Openair-Plasma bei Reinigungsund Beschichtungsprozessen. Ob bei der High-Tech-Klebverbindung, bei der einfachen Nassetikettierung oder beim Verkleben von Faltschachteln die präzise Vorbehandlung der Klebefläche durch die hoch entwickelten Plasmadüsen ermöglicht gleichermaßen den Einsatz moderner lösungsmittelfreier UV- Klebstoffe wie auch den von natürlichen, wasserbasierenden Systemen. Es können beispielsweise nach einer Vorbehandlung mit Openair-Plasma Sichtfenster aus Polycarbonat in die Gehäusehalbschalen von Mobiltelefonen mit lösungsmittelfreien UV-Klebstoffen eingeklebt werden (Bild 5). Ebenso gut können aber auch Casein- Klebstoffe zur Etikettierung von Kunststoffgebinden verwendet werden. Bei der Plasma-Beschichtung handelt es sich um einen Prozess, der bislang nur im Vakuum realisiert werden konnte. Wird die Openair-Technik mit einer neu entwickelten Einspeisung von Precursor- Material kombiniert, ist auch eine Beschichtung unter Atmosphärendruck möglich. Bei dem Precursor handelt es sich um ein verdampfendes Reaktionsmaterial, das nach der Behandlung als Schicht auf dem Kunststoff verbleibt. Die Vorteile dieser Technik können nun auch zur Beschichtung von Kunststoffen V 83

3 Vergleich von Klebeverbindungen Bild 3. Zug-Scher-Kräfte von Kunststoffverklebungen mit und ohne Vorbehandlung genutzt werden. So werden u. a. bereits gezielt Wasserdampfbarrieren auf CD- Rohlinge aufgebracht. Dies ist ein von Plasmatreat neu entwickeltes Verfahren, das weltweit zur Beschichtung großtechnisch genutzt wird. Neben den technischen Vorteilen ermöglicht das Verfahren erhebliche Einsparungen an Materialkosten, weil z. B. statt teurer Cycloolefine Polycarbonate eingesetzt werden können. Forschungsprojekt Kufoplas Durch gezielte Entwicklungen der letzten drei Jahre innerhalb des vom BMBF geförderten Forschungsprojekts Kufoplas, steht Openair-Plasma nun auch für Anwendungen mit großen Arbeitsbreiten zur Verfügung. Erstmals sind die genannten Prozesse auf die Behandlung von Folien übertragbar. Bild 5. Nach einer Vorbehandlung mit Openair- Plasma lassen sich Sichtfenster aus Polycarbonat in die Gehäusehalbschalen von Mobiltelefonen mit lösungsmittelfreien UV-Klebstoffen einkleben Kufoplas, die Kurzform für Kunststofffolien-Plasmabehandlung, bezeichnet ein Forschungs- und Entwicklungsprojekt innerhalb des BMBF-Rahmenkonzepts Forschung für die Produktion von morgen. Das Projekt steht für den Verbund dreier Partner: die Plasmatreat GmbH in Steinhagen für die Entwicklung der Anlagentechnik, die Treofan Germany GmbH & Co. KG in Neunkirchen für die Auswahl verschiedener Foliensubstrate und die Integration des Vorbehandlungsprozesses in das Verfahren zur Herstellung der Folie.Als dritter Partner arbeitet das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Bremen an der Erforschung der wissenschaftlichen Grundlagen als Basis aller hier relevanten prozesstechnischen Entwicklungen. Polypropylenfolien (PP) finden in den unterschiedlichsten Bereichen von Industrie und Haushalt Verwendung, wie zur Verpackung von Lebensmitteln und Zigaretten, als Etiketten oder als technische Folien in der Elektroindustrie. Um ein gutes Bedrucken und Verkleben solcher Folien zu gewährleisten, muss die Oberflächenenergie und damit der Anteil polarer Gruppen an der Folienoberfläche erhöht werden. Zu diesem Zweck wird seit Jahren neben der Beflammung die Koronatechnik eingesetzt. Damit können große Folienbreiten mit mittleren bis hohen Geschwindigkeiten vorbehandelt werden. Es besteht jedoch gerade bei Einsatz der Korona die Gefahr der doppelseitigen Bild 4. Durch den Einsatz von Openair-Plasma wurden Prozesse wie das Entfernen von Formtrennmitteln auf Formteilen aus Polyurethan, wie z. B. Airbag-Abdeckungen, entscheidend rationalisiert Vorbehandlung, wodurch es zur Verblockung der Folie auf der Rolle kommen kann. Weiterhin bietet diese Methode der Vorbehandlung nur eine mäßige bis schlechte Aktivierung. Die erzielten Effekte sind wenig stabil und nehmen bei Lagerung schnell ab. Openair-Plasma findet seit Jahren Anwendung in der Aktivierung der unterschiedlichsten Kunststoffe und zeichnet sich durch langzeitbeständige Oberflächeneffekte aus. Als potenzialfreies Atmosphärendruck-Plasma garantiert es die einseitige Vorbehandlung bei gleich bleibend hohen Oberflächeneffekten. Es werden Oberflächenenergien erzielt, die im Gegensatz zu mit Korona behandelten Oberflächen sogar ein Bedrucken von 84 Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 11/2005

4 OBERFLÄCHENTECHNIK Bild 6. Nachweis mittels XPS-Analyse, dass die Vorbehandlung mit Openair- Plasma den Einbau von Carbonyl-, Carboxyl-, Ether- und Hydroxyfunktionen sowie Stickstoff-Sauerstoffverbindungen in die Oberfläche bewirkt (Quelle: Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Materialforschung) Kunststoffen mit wasserbasierten Lacksystemen ermöglichen. Projektziele Ziel des in diesem Jahr zum Abschluss gekommenen Projekts war die Implementierung eines Atmosphärendruck-Plasma-Systems zur Aktivierung von PP-BO- Folien (auch BOPP genannt) in eine industrielle Fertigungsanlage für Polypropylenfolien als In-line-Prozess ausgehend von Labor- und Technikumsversuchen. Die Zielsetzungen waren: Kunststoffe 11/2005 Aktivierung des Atmosphären-Druck Plasma Prozesses Bild 7. Flexibles Düsensystem mit speziell entwickelter Verdampfung, bei dem sich der Abstand zwischen den Düsen beliebig einstellen lässt Erhalt der Siegelfähigkeit Geschwindigkeiten über 200 m/min Folienbreiten bis 10 m einseitige Vorbehandlung (bereits durch das Plasma garantiert) Oberflächenspannung nach Vorbehandlung über 50 mn/m lange Lagerfähigkeit der Folie (nach 6 Monaten mindestens 36 mn/m) Für die Integration in die Extrusions- und Verstreckanlage kamen drei Einbauorte in Frage. Bei einem Einbau direkt nach der Extrusion ist die Folienbreite gering und das Substrat erfährt eine hohe thermische Belastung durch die geringe Vorbehandlungsgeschwindigkeit. Zudem folgen noch zwei Folienverstreckungen. Auch bei einem Einbau nach der Längsverstreckung ist die Folienbreite noch gering, und es folgt eine weitere Folienverstreckung. Außerdem ist eine hohe Vorbehandlungsgeschwindigkeit nötig. Wird das Plasmasystem erst nach der Längsund Querverstreckung eingebaut, erfolgt keine weitere Verstreckung und die Vorbehandlungsgeschwindigkeit ist hoch. Der erzielte Effekt wird keiner weiteren Belastung ausgesetzt. Ergebnisse Der Einbau direkt nach der Extrusion ist nach bisherigen Erkenntnissen nicht möglich, da der Aktivierungseffekt zwei weiteren Verstreckungen nicht standhält. Auch bei Einbau nach der Längsverstreckung lässt der Effekt nach, da eine weitere Verstreckung folgt. Im Rahmen des Projekts wurde versucht, dieses Problem durch Aufbringen einer geeigneten Haftvermittlerschicht zu lösen.wird das System nach der Längs-und Querverstreckung eingebaut, sind große Arbeitsbreiten erforderlich. Deshalb ist ein modularer und flexibler Systemaufbau notwendig. Eine XPS-Analyse macht deutlich, dass die Vorbehandlung mit Openair-Plasma zum Einbau von Carbonyl-, Carboxyl-, Ether- und Hydroxyfunktionen sowie Stickstoff-Sauerstoffverbindungen in die Oberfläche führt (Bild 6). Aufgrund der erforderlichen großen Vorbehandlungsbreiten beim Einbau V 85

5 nach der Längs-und Querverstreckung wurde auch der Einbau nach der Längsverstreckung durchgeführt. Ziel war es, die Oberflächenspannung mit Hilfe einer gezielten Beschichtung zu erzeugen und diese auch während des letzten Verstreckungsprozesses weitgehend zu erhalten. Dazu wurde dem Plasma über einen modifizierten Düsenkopf ein polymerisierbares Precursor-Gas zugeführt, das dann unter dem Einfluss der Plasmaenergie eine gering vernetzte Schicht auf der Oberfläche bildete. Basierend auf den ersten erfolgreichen Arbeiten wurde ein Werkzeug entwickelt, das die Übertragung der Ergebnisse in den Technikumsmaßstab ermöglicht (Bild 7). Fazit Es konnte ein modulares System zur Inline-Vorbehandlung von PP-Folien entwickelt werden, das eine hohe Aktivierung der Folien erlaubt und in flexiblen Breiten aufgebaut werden kann. Bei Prozessgeschwindigkeiten von 250 m/min wird die Siegelfähigkeit der Folie nicht beeinflusst. Daneben konnten weitere Experimente an einer Technikumsanlage die Integrationsfähigkeit des Beschichtungsprozesses in die Fertigung aufzeigen. Die Kooperation der Projektpartner geht über das abgeschlossene Forschungsprojekt hinaus mit dem Ziel der industriellen Umsetzung der Ergebnisse in bestehende Reckanlagen. DANK Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) innerhalb des Rahmenkonzeptes Forschung für die Produktion von morgen gefördert und vom Projektträger des BMBF für Produktion und Fertigungstechnologien, Forschungszentrum Karlsruhe, betreut. DIE AUTOREN DIPL.-ING. CHRISTIAN BUSKE, geb. 1963, ist als Geschäftsführender Gesellschafter der Plasmatreat GmbH, Steinhagen, für die Entwicklung, Patentierung und internationale Expansion der Openair-Plasmatechnik verantwortlich; DR. ALEXANDER KNOSPE, geb. 1969, ist bei Plasmatreat in leitender Position zuständig für die Bereiche Anwendungstechnik, Schichtentwicklung sowie für die Weiterentwicklung von Beschichtungstechnologie; SUMMARY PLAST EUROPE In-line Plasma Process SURFACE TECHNOLOGY. The Openair plasma process has, for some years now, been creating a variety of new applications, especially for the cleaning, activation and coating of moulded parts and film. Now, a modular system has been developed for the in-line pretreatment of PP film that works with flexible widths and allows a high level of activation. NOTE: You can read the complete article by entering the document number PE on our website at 86 Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 11/2005