Oberflächen mit Plasma aktivieren
Mikrowellen-Atmosphärendruck-Plasmaquelle zeigt gute Eignung zur Vorbehandlung von thermoplastischen Werkstoffen.
Nichtthermische atmosphärische Plasmen eignen sich hervorragend zur Vorbehandlung von thermoplastischen Werkstoffen, um die Verklebbarkeit, Bedruckbarkeit oder Lackierbarkeit zu verbessern. Wesentliches Ziel ist dabei, die Oberflächenenergie zu erhöhen, um die aktivierte Bauteiloberfläche besser haftfähig zu machen. Das Ferdinand-Braun-Institut gGmbH, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) hat eine kompakte Plasmaquelle mit Mikrowellenanregung neu entwickelt. Inzwischen haben die Forscher auch untersucht, inwieweit sie sich zur Vorbehandlung von Kunststoffoberflächen eignet. Die Ergebnisse dieser Arbeiten, die zusammen mit Wissenschaftlern von Innovent e.V. erzielt wurden, sind nun veröffentlicht worden.
Bei dem neuen Gerät handelt es sich um eine hochintegrierte atmosphärische Niedertemperatur-Plasmaquelle, die einen Mikrowellen-Leistungsoszillator, einen Resonator, der das Plasma anregt, und die notwendige Steuerschaltung umfasst. Alle Komponenten sind in einem einzigen, miniaturisierten Gehäuse untergebracht. Als Arbeitsgas wird Luft verwendet.
Die Gasentladung der Plasmaquelle wurde mittels optischer Emissionsspektroskopie (OES) untersucht. Mit Blick auf die im Plasmajet angeregten Spezies wurden Emissionen von Stickstoffmonoxid, Stickstoffmolekülen, einfach ioniserten Stickstoffmolekülen und von atomarem Sauerstoff nachgewiesen. Die OES-Messungen wurden durch Abgasuntersuchungen ergänzt, bei denen entsprechende Ozon-, Stickstoffmonoxid- und Stickstoffdioxid-Messsensoren verwendet wurden. Die Gastemperaturen direkt am Ausgang der Plasmaquelle lagen bei etwa 200 Grad Celsius, in einem realistischen Arbeitsabstand von rund acht Millimetern wurde eine Temperatur bei unter 100 Grad Celsius gemessen. Unter praxisrelevanten Einsatzbedingungen wird die Plasmaquelle dynamisch über die zu funktionalisierende Oberfläche hinweg geführt. Hier lagen die Temperaturen zwischen 50 und 70 Grad Celsius, je nach Abstand zur Probe und Verfahrgeschwindigkeit.
Die kompakte Plasmaquelle wurde zur Vorbehandlung von unterschiedlichen Polymerwerkstoffen eingesetzt. Dazu zählten etwa Polypropylen PP, Polyamid PA6, Polyethylen LDPE und HDPE, Polycarbonat PC und Polymethylmethacrylat PMMA. Dabei erhöhte sich insbesondere der polare Anteil der Oberflächenenergie signifikant, auch die Haftfestigkeit von nachfolgend auf die aktivierten Oberflächen aufgebrachten Polyurethan-Lackierungen stieg deutlich. Die Adhäsionsfestigkeiten der Lackierungen, die mittels Stirnabzugstests bestimmt worden waren, überstiegen die Ausgangswerte, die für die nicht plasmabehandelten Proben gemessen wurden, um das bis zu Zehnfache. Als weitere Analysemethoden wurden an den vorbehandelten Bauteiloberflächen Rasterkraftmikroskopie- und Photoelektronenspektroskopie-Messungen eingesetzt.
Innovent / DE
Weitere Infos
- Originalveröffentlichung
V. Faldu et al.: Polymer surface functionalization using a new µ-wave driven atmospheric pressure plasma-jet device, Zeitschrift Kunststofftechnik – J. Plast. Technol. 19, 52 (2023); DOI: 10.3139/O999.01022023 - Mikrowellen-Plasmaquellen, Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik
