Haftungsverbesserung durch Plasmabehandlung

Die Haftung zwischen dem Substrat und einer darüberliegenden Schicht spielt beim Verkleben, Bedrucken und bei Beschichtungen wie z. B. der Lackierung und Metallisierung eine entscheidende Rolle. Dabei können für die Haftung mehrere Mechanismen und Faktoren zuständig sein, wie die Benetzbarkeit des Substrats, seine Morphologie, Polarität oder Bildung von chemischen Brücken zwischen dem Substrat und Beschichtung. Minimale Verunreinigungen an der Oberfläche sowie Bildung von sogenannten »weak boundary layer's« können die Haftungswerte drastisch senken.

Um eine gute Haftung zu erreichen, werden je nach »Kontaktpartnern« zahlreiche Verfahren eingesetzt, darunter Behandlungen mit lösungsmittelhaltigen und wässrigen Lösungen, Beflammen und Coronabehandlung. Diese haben aber auch zahlreiche Beschränkungen und Nachteile, wie Materialverbrauch und Umweltbelastung bei Nassbehandlungen, oder Reproduzierbarkeitsprobleme beim Beflammen. Die Vorbehandlung von Erzeugnissen vor der Verklebung oder Beschichtung kann mehrere Stunden in Anspruch nehmen.

Plasmen beeinflussen mehrere Oberflächeneigenschaften, die für eine gute Haftung ausschlaggebend sind:

• die Oberfläche kann gereinigt und
• aufgeraut werden,
• sie wird polar und dadurch benetzbar gemacht,
• durch Quervernetzung in polymeren Substraten wird die Oberfläche verfestigt, und
• die Oberfläche kann mit chemisch funktionellen Gruppen versehen werden, die (z. B. durch die Reaktionen mit den Funktionen des Klebers) zur Entstehung einer chemischen Wechselwirkung zwischen dem Substrat und der Beschichtung bzw. dem Kleber beitragen.

Dabei reicht schon eine Behandlung von wenigen Minuten oder Sekunden aus, um die Verklebbarkeit drastisch zu verbessern.

• Metallisierung von Kunststoffen

Metallisiert wird ein beträchtlicher Anteil aller Kunststofferzeugnisse. Die Anwendungsgebiete sind vor allem:

• elektrisch leitende Schichten in der Elektrotechnik:

• Leiterplatten
• Gehäusemetallisierung zur elektromagnetischen Abschirmung
• räumliche, elektronische Baugruppen (3-D Molded Interconnect Devices, 3-D MIDs)

• dekorative und Schutzschichten (insbesondere im Autobau)

Die Metallisierung wird durch verschiedene Prozesse erzielt, z. B. durch Aufkleben einer Metallfolie, durch direkte Metallisierung, durch PVD (physikalische Dampfabscheidung) oder durch die nasschemische Metallabscheidung.

• Verklebung, Lackierung, Bedrucken von Polymeren
• Kompositmaterialien (z. B. Reifen)

Plasmen verändern die Oberfläche in mehreren Hinsichten, wobei nicht alle dieser Veränderungen für die Haftung positiv sind: vielmehr kann eine Plasmabehandlung auch zur Entstehung von »weak boundary layers« beitragen. Daher ist die richtige Auswahl von Parametern (Gasart, Leistung, Behandlungsdauer usw.) besonders kritisch. Sehr wichtig ist dabei, die Oberflächenveränderungen durch die Behandlung charakterisieren zu können.

Am bekanntesten ist die Verwendung von Ar, O₂ und Luft-Plasmen zur Haftungsverbesserung auf polymeren Oberflächen. Bei der richtigen Auswahl von Parametern führt dieser Weg of zum Erfolg. Allerdings führen diese scheinbar einfachen Plasmen zu sehr komplizierten, chemischen Abläufen an der Oberfläche (insbesondere beim anschliessenden Luftkontakt). Häufig zerstören bzw. schwächen diese relativ agressiven Plasmen die empfindliche Substratoberfläche. Die durchs Plasma initiierte Reaktionen können während der Lagerung weiter laufen und die Reproduzierbarkeit verschlechtern.

Man kann aber auch speziell angepasste Plasmen verwenden, die zu einer definierten Oberfläche und einem viel geringeren Ausmass der Nebenreaktionen führen. Diese können zu einem der beiden Klassen angehören: funktionalisierende oder abscheidende Plasmen.

Für jeden speziellen Fall muss die Art der Plasmabehandlung im Hinblick auf das Behandlungsgut, den Platz der Behandlung im gesamten Prozessablauf und auf die Wirtschaftlichkeit ausgewählt und entwickelt werden.