Vorbehandeln für Druck und Benetzbarkeit
Bedrucken

Druckverbesserung mit Plasma

Die Oberflächenfunktionalisierung mittels Plasmabehandlung verbessert die Haftung von Farben und Lacken auf den Oberflächen und verbessert die Druckqualität. Oberflächen vieler Materialien wie Metalle, Glas, Keramik und sogar Naturmaterialien wie Holz und Textilien sind anfällig für Plasmafunktionalisierung. Wichtig ist, dass viele Polymere mit typisch „antihaftbeschichteten“ Oberflächen nach der Plasmabehandlung erfolgreich lackiert und bedruckt werden können.

Die Plasmabearbeitung erreicht den Oberflächenfunktionalisierungseffekt durch eine Kombination aus ultrafeiner Oberflächenreinigung von organischen Verunreinigungen, Modifikation der Oberflächentopographie und Abscheidung funktioneller chemischer Gruppen.

Die Plasmafunktionalisierung von Oberflächen kann bei Atmosphärendruck mit Druckluft oder typischen Industriegasen wie Wasserstoff, Stickstoff, Formiergas und Sauerstoff durchgeführt werden. Sie vermeidet teure Vakuumanlagen oder Nasschemie, was sich positiv auf Kosten, Sicherheit und Umwelt auswirkt. Hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten ermöglichen darüber hinaus zahlreiche industrielle Anwendungen.

Contact angle

Anforderungen an eine starke, qualitativ hochwertige Verklebung

Starke, hochwertige Klebeverbindungen zwischen unterschiedlichen Materialien, wie z.B. Farbe und einem Kunststoffsubstrat, können durch die Erfüllung der folgenden Anforderungen hergestellt werden:

  • Ultra-reine Oberfläche. Die Oberfläche muss frei von Verunreinigungen sein. Auch optisch saubere Oberflächen können Verunreinigungen wie adsorbierte organische Stoffe, Wasser, Monomere, Trennmittel, Öle enthalten. Ultrafeine Reinheit ist mit herkömmlichen Reinigungstechniken, die oft Rückstände hinterlassen, nur schwer zu erreichen.
  • Starke Oberfläche. Bei Kunststoffpolymeren, die durch Form- und Extrusionsverfahren hergestellt werden, besteht die oberste, Nanometer breite Oberflächenschicht aus niedermolekularen und nicht vernetzten Polymermolekülen. Diese Oberflächenschicht ist mechanisch schwach. Die Entfernung dieser schwachen Schicht und die Vernetzung der Polymermoleküle in den übrigen Schichten verbessert die Haftfestigkeit.
  • Benetzbare Oberfläche. Damit der Klebstoff die Oberfläche effizient bedeckt (benetzt), sollte die Oberflächenenergie des Klebstoffs geringer sein als die der Oberfläche, auf die er geklebt werden soll. Mechanisch starke Klebstoffe und Lacke haben jedoch meist eine hohe Oberflächenenergie. Dies stellt für die meisten Kunststoffpolymere, die typischerweise eine sehr geringe Oberflächenenergie haben, ein großes Problem dar.
  • Chemisch funktionelle Oberfläche. Auf molekularer Ebene wird die Haftung zwischen zwei Materialien entweder durch elektrische Anziehung zwischen den Oberflächenmolekülen und den Molekülen des Klebstoffs oder durch deren chemische Bindung vermittelt. Der erste Typ, die so genannte disperse Adhäsion, ist stark, wenn polare Moleküle die Oberfläche bedecken. Während Oberflächen von Kunststoffpolymeren typischerweise unpolar sind, funktionalisiert die Bildung der Schicht aus polaren Molekülen die Oberfläche. Dies ist ausreichend für weitere Druckanwendungen. Letzterer Typ, die so genannte chemische Haftung, bildet die stärksten Verbindungen. Eine chemische Bindung zwischen unterschiedlichen Materialien ist jedoch nicht möglich. Eine Zwischenschicht aus Molekülen mit chemischer Affinität zur Oberfläche und zum Klebstoff funktionalisiert die Oberfläche und ermöglicht eine sehr starke chemische Bindung.

Kalte atmosphärische Plasmen

Plasma ist ein teilweise ionisiertes Gas. Elektrische Lichtbögen, dielektrische Barriere, Korona und piezoelektrische Direktentladungen ionisieren Gase bei Atmosphärendruck und erzeugen Plasmen. Die geladenen Teilchen – Elektronen und Ionen – beschleunigen auf sehr hohe Energien. Nur ein kleiner Teil der Gasmoleküle wird in die energetischen Elektronen und Ionen umgewandelt, der Rest des Gases bleibt neutral und kalt. Bei der piezoelektrischen Direktentladung erreicht die Temperatur nur 50 °C. Bei der Bogenentladung erreicht das Lichtbogenvolumen Temperaturen von 6.000 – 12.000 °C. Nach dem Verlassen des Entladungsvolumens kühlt das Gas jedoch schnell auf 250-450 °C ab. Während das Plasma kalt bleibt, kollidieren die sehr energiereichen Elektronen und Ionen mit den Gasmolekülen und produzieren große Mengen an kurzlebigen chemischen Spezies, wie atomaren H-, N- und O-Spezies, OH- und ON-Radikalen, Ozon, Salpetrige- und Salpetersäure sowie verschiedenen anderen Molekülen in metastabilen angeregten Zuständen. Sie machen dieses Plasma chemisch sehr aktiv.

Verbesserung der Haftung von Lacken durch Plasmabehandlung

Bei Kontakt mit der behandelten Oberfläche löst das chemisch aktive, kalte atmosphärische Plasma eine Vielzahl von physikalischen und chemischen Prozessen aus. Hauptreaktionsmittel sind hochreaktive, kurzlebige, neutrale chemische Spezies, die vom Plasma in großen Mengen produziert werden. Wenn die elektrische Entladung die behandelte Oberfläche berührt, wird diese ebenfalls mit VUV-Licht bestrahlt und von den energiereichen Elektronen und Ionen beschossen. Obwohl die Mengen der geladenen Teilchen gering sind, verstärkt ihre hohe Reaktivität die Wirkung des Plasmas stark. Die folgenden Verfahren tragen zur Förderung der Haftung durch die Plasmabehandlung bei:

– Plasma reinigt die Oberfläche. Plasma bricht organische Bindungen schwerer organischer Moleküle auf und erzeugt leichtere und flüchtigere Moleküle, die von der Oberfläche verdunsten. Darüber hinaus oxidieren reaktive chemische Spezies organische Verunreinigungen unter Bildung von Kohlenstoffoxiden und Wasserdampf. Da das Plasma Verunreinigungen bricht und sie in Dampf umwandelt, bleiben keine Rückstände auf der Oberfläche zurück, so dass diese im ultrafeinen, sauberen Zustand verbleiben.

– Plasma verstärkt die Oberfläche. Mit der erhöhten Behandlungsstärke entfernt Plasma schwache Oberflächenschichten im Nanometer-Bereich mit dem niedrigsten Molekulargewicht. Die durch das Plasma aufgebrochenen Bindungen der Polymere vernetzen sich und bilden eine stärkere Oberflächenschicht.

– Plasma lagert chemisch funktionelle Gruppen ab und erhöht die Benetzbarkeit der Oberfläche. Durch die Reaktion mit den Polymermolekülen lagern Plasmaspezies polare OH- und ON-Gruppen auf der gereinigten Oberfläche ab, wodurch die Energie der Oberfläche und ihre Benetzbarkeit deutlich erhöht werden. Als Ergebnis benetzt die nachträglich aufgebrachte Farbe die Oberfläche effizient und füllt durch die Kapillarwirkung die Mikrostrukturen auf.

Vorteile der Plasmabehandlung

Plasma reinigt, stärkt und funktionalisiert die Oberfläche. Alle diese Effekte, die für eine bessere Verklebung erforderlich sind, werden gleichzeitig in einem Schritt erreicht. Am wichtigsten ist, dass die Plasmabearbeitung bei Atmosphärendruck arbeitet. Seine Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen chemischen und Vakuum-Plasma-Reinigungsverfahren sind unter anderem:

– Feinstreinigung, keine Rückstände

– Schonende, zerstörungsfreie Oberflächenbehandlung

– Keine Nasschemie

– Druckluft oder billige ungiftige Arbeitsgase

– Umweltfreundlichkeit

– Keine teuren Vakuumanlagen

– Hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten

– Einfache Integration in bestehende Produktionslinien

Plasmabehandlungsprodukte von Relyon Plasma GmbH

Um ein breites Spektrum von industriellen, medizinischen und Laboranwendungen abzudecken, hat die Relyon Plasma GmbH eine Reihe von Plasmabearbeitungsprodukten entwickelt, die das Kleben verbessern, wie z.B. Drucken, Beschichten, Lackieren und Kleben:

  • Plasmabrush® PB3 ist ein universeller, hochzuverlässiger Plasmagenerator auf Basis unserer proprietären Pulsed Atmospheric Arc (PAA®) Technologie. Mit einer Leistung von 1 kW, sehr kompakten Abmessungen und außergewöhnlicher Langzeitstabilität eignet sich dieser Generator hervorragend für die Integration in schnelle industrielle Produktionslinien.

Plasmacell P300 ist eine komplette „schlüsselfertige“ Plasmabehandlungslösung. Es beinhaltet alle Komponenten, die für eine effektive und normgerechte Plasmabearbeitung erforderlich sind: Plasmabrush® PB3 auf einem programmierbaren Hochgeschwindigkeits-Positioniersystem, Druckluftversorgung und Abgasfiltration. Gehäuse mit Elektronik und Behandlungskammer schaffen zusammen mit einem elektronischen Display eine saubere, sichere und effiziente Arbeitsumgebung, die betriebsbereit ist.

  • Plasmatool ist ein Handgerät auf Basis des Plasmabrush® PB3, ergonomisch optimiert für eine sichere manuelle Zweihandbedienung. Zusammen mit einem tragbaren Modul mit Hochspannungsversorgung, Luftkompressor und Steuerelektronik ermöglicht es die hocheffiziente Plasmabearbeitung großer Strukturen, schwer zugänglicher Bereiche oder dort, wo eine Automatisierung nicht möglich oder sinnvoll ist.

  • Piezobrush® PZ2 ist ein tragbarer Plasmagenerator mit niedriger Leistung, der auf unserer proprietären Piezoelectric Direct Discharge (PDD®) Technologie Sie ermöglicht die manuelle Plasmabearbeitung im Labor. Es kann Korona- und dielektrische Barrierenentladungen erzeugen und diese zur präzisen Feinstplasmareinigung und chemischen Funktionalisierung von kleinen Bauteilen einsetzen.

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