Plasmaaktivierung und Plasmareinigung
Verfahren
Die Oberflächenbehandlung von Kunststoff- und Metalloberflächen mittels atmosphärischer Koronaentladung ist ein Verfahren zur Oberflächenaktivierung und Reinigung. Ein Verkleben, Bedrucken oder Beschichten wird häufig erst durch eine Behandlung ermöglicht. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren der Oberflächenaktivierung, wie Aktivierung mittels Flammen (10 mal höherer Energieverbrauch, thermische Belastung der Oberflächen), chemische Behandlung durch Primer (relativ umständlich durch "nasse" Verfahrensweise) oder Behandlung im Niederdruckplasma (Rezipient nötig) ergeben sich große Vorteile hinsichtlich Flexibilität und Effektivität. - Mit relativ kleinem anlagentechnischen Aufwand sind auch empfindlichste Oberflächen aktivierbar. Das Koronaprinzip beruht auf der Erzeugung vieler elektrischer Durchschläge zwischen 2 Elektroden. Durch eine sehr enge zeitliche Begrenzung können sich die Lichtbögen nicht stabilisieren. In Verbindung mit einer hohen Wiederholfrequenz entsteht ein quasikontinuierliches Plasma. Dieses Plasma ist das "Arbeitsmittel": es ist ein nichtthermisches hochangeregtes Medium zur Reinigung und Aktivierung von Oberflächen. Beim Flammaktivieren zum Vergleich werden die Ionen thermisch erzeugt, es liegt eine geringere Ionendichte vor bei gleichzeitigem niedrigeren Anregungsniveau. Zusätzlich kommt es zur thermischen Belastung der Oberfläche des Behandlungsgutes.
Die Wirkung beruht auf der Anhebung der Oberflächenenergie durch überwiegend oxidative Veränderung und Feinreinigung der Oberfläche, wobei es zu keiner Veränderung der Grundwerkstoffeigenschaften kommt, da der Prozess praktisch "kalt" abläuft. Die Haftfähigkeit wird v.a. durch die sehr intensive Reinigung und die Erzeugung reaktiver Zentren erhöht. Der Grad der Aktivierung und damit die Benetzbarkeit ist gezielt einstellbar.
Das Maß für die Aktivierung ist die Koronadosis, eine Art aufgebrachte Streckenenergie. Sie wird durch folgendes Verhältnis dargestellt:
D: Koronadosis
v: Vorschub, Geschwindigkeit der Behandlung
ES: Entladungsstrecke, Größe des Behandlungskopfes
Metallische und Kunststoffoberflächen lassen sich so in einem leicht steuerbaren Prozess, kostengünstig und schnell behandeln. Bei Kunststoffoberflächen werden adsorbierter Filme, ausgeschwitzte Verarbeitungshilfsmittel entfernt und es kommt zur Oxidation der Oberfläche. Bei Metalloberflächen werden v.a. nur adsorbierte Ölfilme und Wasserfilme (Luftfeuchtigkeit) entfernt.
Eine Koronabehandlung läßt sich auch sehr einfach durch den geringen Platzbedarf in bestehende Produktionslinien einfügen. Eine einfache Automatisierung ist möglich.
Die Koronabehandlung läßt sich prinzipiell als direktes und indirektes Verfahren betreiben. Bei der direkten Verfahrensweise läuft die zu behandelnde Oberfläche über eine Walze, die als Gegenelektrode dient. Über der Walze ist im Abstand des Entladungsspaltes die andere Elektrode angeordnet. Das Behandlungsgut läuft hier direkt durch die Entladung.
Bei der indirekten Verfahrensweise wird das Behandlungsgut am Entladungsspalt vorbeigefahren. Druckluft drückt hier die Entladung auf das Behandlungsgut. Hier sind im Vergleich zur direkten Entladung nur geringe Vorschübe von ca. 5 m/min realisierbar.
Folgende Darstellungen sollen die Unterschiede zwischen den beiden Verfahrensweisen verdeutlichen:
Der Grad der Aktivierung läßt sich durch die Benetzbarkeit darstellen, d.h. je mehr eine Oberfläche aktiviert ist, umso besser läßt sie sich benetzen: z.B. aufgebrachte Flüssigkeitstropfen spreiten bei einer guten Aktivierung mehr. Das macht man sich zur Bestimmung der Benetzbarkeit zu Nutze und verwendet Testtinten mit unterschiedlichen Oberflächenenergien um das Maß der Aktivierung bestimmen zu können. Unterschiedliche Kunststoffe benötigen unterschiedliche Aktivierungsarbeit, damit eine Beschichtung ausreichend hält. Folgende Darstellung gibt einen kleinen Überblick:
Als Beispiele für benötigte Oberflächenenergien können folgende Werte als Anhaltspunkt dienen:
| Benötigte Oberflächenenergie | |
|---|---|
| Drucken mit lösemittelhaltigen Farben | 38 mN/m [dyn/cm] |
| Kleben mit lösemittelhaltigen Klebern | 43 mN/m |
| Drucken mit wässriger Farbe | 45 mN/cm |
Anwendung
Kunststoffe, Textilien, Metalle, Keramik
Die atmosphärische Plasmabehandlung lässt sich beispielsweise für folgende Aufgaben anwenden:
- Vorbereitung von Klebeflächen für das Verkleben von Kunststoffteilen
- Vorbereiten von Kunststoffflächen für das Bedrucken
- Vorbereiten von Verstärkungselementen bei der Herstellung von verstärkten Kunststoffen (GFK, CFM, MFK)
Lohnbehandlung
Zur Anwendung bereit stehen Geräte zur atmosphärischen Plasmaerzeugung von der Fa. TIGRES GmbH Rellingen. Da die Entladungsflächen begrenzt sind, müssen grössere Flächen rastermäßig abgefahren werden. Dazu steht ein Versuchsstand mit Verschiebeeinheit zur Verfügung. Da der Effekt der Aktivierung und Reinigung der Oberflächen nur kurze Zeit anhält (bis ca. 24 h), wird nach erfolgreicher Erprobung der Kauf einer entsprechenden Einheit empfohlen.
