Lackierung mit Plasmatechnologie vorbereiten
Lackieren

Lackier- und Lackierverbesserung mit Plasma

Die Oberflächenfunktionalisierung mittels Plasmabehandlung verbessert die Haftung von Farben und Lacken auf den Oberflächen und verbessert die Qualität der Beschichtung und Lackierung. Oberflächen vieler Materialien wie Metallen, Glas, Keramik und sogar Naturmaterialien wie Holz und Textilien können durch eine Plasmabehandlung funktionalisiert werden. Wichtig ist, dass viele Polymere mit typisch antihaftbeschichteten Oberflächen nach der Plasmabehandlung erfolgreich lackiert werden können.

Die Plasmaverarbeitung erreicht den Oberflächenfunktionalisierungseffekt durch eine Kombination aus feinster Oberflächenreinigung von organischen Verunreinigungen, Modifikation der Oberflächentopographie und Abscheidung funktioneller chemischer Gruppen. Bei Metallen kann Plasma auch Hartmetalloxide reduzieren, die die blanke Metalloberfläche freilegen.

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

Anforderungen an eine starke, qualitativ hochwertige Verklebung

Starke, hochwertige Klebeverbindungen zwischen unterschiedlichen Materialien, wie z.B. Lacken und Kunststoff- oder Metallsubstraten, 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.
  • Oxidfreie Metalloberfläche. Die beste Haftung auf Metalloberflächen wird erreicht, wenn sie frei von Metalloxiden sind. In der Luft oxidieren die Metalle jedoch schnell. So muss die Zeit zwischen dem Entfernen der Oxidschicht und dem Auftragen des Klebers in der Regel auf Millisekunden minimiert werden.
  • Starke Oberfläche. Bei Kunststoffpolymeren, die durch Form- und Extrusionsverfahren gebildet 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 (nass), sollte die Oberflächenenergie des Klebstoffs niedriger 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 aufweisen, ein ernsthaftes Problem dar.

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. 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.

  • Mikroskopisch raue Oberfläche. Wenn die Oberfläche durch den Klebstoff gut benetzbar ist, kann dieser die Oberflächenporen und Unebenheiten durch die Kapillarwirkung effizient ausfüllen. Dies erhöht die mechanische Festigkeit der Verklebung.

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 und Farben 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 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 reduziert Metalloxide. Plasmaentladungen, die im Formiergas gezündet werden und typischerweise 5 % Wasserstoff und 95 % Stickstoff enthalten, produzieren große Mengen an reaktiven Wasserstoffspezies. Durch Kontakt mit oxidierten Metalloberflächen reagieren sie mit Metalloxiden und reduzieren diese zu Metallatomen und Wasserdampf.
  • Plasma stärkt die Oberfläche. Mit der erhöhten Behandlungsstärke entfernt Plasma schwache Oberflächenschichten im Nanometer-Bereich mit dem niedrigsten Molekulargewicht. Die durch das Plasma gebrochenen Bindungen der Polymere vernetzen sich und bilden eine stärkere Oberflächenschicht.
  • Plasma lagert chemisch funktionelle Gruppen ab und erhöht die Benetzbarkeit der Oberfläche. Durch Reaktion mit den Polymermolekülen lagern Plasmaspezies polare OH- und ON-Gruppen auf der gereinigten Oberfläche ab, was die Energie der Oberfläche und deren Benetzbarkeit deutlich erhöht. Als Ergebnis benetzen die anschließend aufgetragenen Klebstoffe die Oberfläche effizient und füllen die Mikrostrukturen durch die Kapillarwirkung auf. Darüber hinaus kann Plasma durch Zugabe spezifischer chemischer Substanzen spezielle funktionelle Gruppen abscheiden oder sogar die Oberfläche polymerisieren, um die stärkste chemische Haftung zu ermöglichen.
  • Plasma raut die Oberfläche mikroskopisch auf. Elektrische Entladungen mit direktem Kontakt zum Substrat, insbesondere die auf dem Metallsubstrat brennenden Lichtbögen, wenn dieses als Kathode verwendet wird, erodieren die Substratoberfläche im Mikrometermaßstab. Dadurch entstehen Mikrostrukturen, die von den Klebstoffen gefüllt werden und deren mechanische Bindung an das Substrat verbessern.

Vorteile der Plasmabearbeitung

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:

  • Ultrafeine Reinigung, keine Rückstände
  • Schonende, zerstörungsfreie Oberflächenbehandlung
  • Keine Nasschemie
  • Luft oder billige, ungiftige Arbeitsgase
  • Umweltfreundlichkeit
  • Keine teure Vakuumausrüstung
  • Schnellere 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. Die Plasmacell beinhaltet alle Komponenten, die für eine effektive und normgerechte Plasmabearbeitung erforderlich sind: Plasmabrush® PB3 montiert auf einem programmierbaren Hochgeschwindigkeits-X-Y-Z-Positioniersystem, Druckluftversorgung und Abluftfilterung. Gehäuse mit Elektronik und Behandlungskammer schaffen zusammen mit einem Display eine saubere, sichere und effiziente Arbeitsumgebung, die betriebsbereit geliefert wird.

  • Plasmatool ist ein Handgerät auf Basis des Plasmabrush® PB3, ergonomisch optimiert für eine sichere manuelle Zweihand-Bedienung. 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 Piezoelektrischen Direktentladungstechnologie (PDD) basiert. Es 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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