Klebeprozesse verbessern mit atmosphärischem Plasma
Kleben

Nutzen Sie unser Plasmasystem zur Optimierung Ihrer Haftung

Wenn eine Oberfläche vor dem Verkleben mit Plasma funktionalisiert wird, zeigen die daraus resultierenden Verklebungen stärkere Hafteigenschaften. Plasma kann auf einer Vielzahl von Materialien eingesetzt werden: Metalle, Glas, Keramik und sogar natürliche Materialien wie Holz und Textilien reagieren sehr gut auf die Plasmafunktionalisierung. Für einige unserer Kunden ist es besonders wichtig, dass viele Polymere mit typisch “antihaftbeschichteten” Oberflächen nach der Plasmabehandlung erfolgreich verklebt werden können.

Diese Oberflächenfunktionalisierung durch Plasmabehandlung beruht auf einer Kombination von Effekten: Feinstreinigung der Oberfläche von organischen Verunreinigungen, Modifikation der Oberflächentopographie, Modifikation der kristallinen Struktur der Oberflächenschicht und Abscheidung funktioneller chemischer Gruppen. Metalle können von harten Oxiden gereinigt werden, wodurch die reine Metalloberfläche wiederhergestellt wird.

Unsere Atmosphärendruckplasmaanlagen arbeiten typischerweise mit Druckluft oder Industriegasen wie Wasserstoff, Stickstoff, Formiergas oder Sauerstoff. Für unsere Kunden bedeutet dies eine enorme Verbesserung hinsichtlich Wirtschaftlichkeit, Prozesssicherheit und Umweltverträglichkeit, da teure Absauganlagen oder Nasschemie einfach nicht mehr notwendig sind. Durch die äußerst schnelle Bearbeitungsgeschwindigkeit ist unser System für eine Vielzahl von industriellen Anwendungen geeignet.

Plasmavorbehandlung optimiert die Qualität Ihrer Verklebung

Die folgenden Effekte der Plasmavorbehandlung bieten ideale Voraussetzungen für starke, hochwertige Klebeverbindungen auch zwischen unterschiedlichen Materialien:

– Ultra-reine Oberfläche. Eine zu verklebende Oberfläche muss frei von Verunreinigungen sein. Auch optisch saubere Oberflächen können Verunreinigungen wie adsorbierte organische Stoffe, Wasser, Monomere, Trennmittel oder Öle enthalten. Ultrafeine Reinheit ist mit herkömmlichen Reinigungstechniken oft nur schwer zu erreichen, während die Plasmabehandlung den gewünschten ultrafeinen Reinheitsgrad erreicht, der für eine optimale Haftung und nachfolgende Verklebung entscheidend ist.

– Oxidfreie Metalloberfläche. Die beste Haftung auf Metalloberflächen wird erreicht, wenn sie frei von Oxiden sind. Wenn sie jedoch Luft ausgesetzt werden, beginnt der Oxidationsprozess meist sofort. So muss die Zeit zwischen dem Entfernen der Oxidschicht und dem Auftragen des Klebstoffs in der Regel auf wenige Millisekunden reduziert werden. Die Integration unserer Plasmaanlage in Ihren Prozess ermöglicht Ihnen genau das.

– Starke Oberfläche. Bei Kunststoffpolymeren, die durch Mold- und Extrusionsverfahren hergestellt werden, besteht die oberste, wenige Nanometer dicke Oberflächenschicht aus niedermolekularen Polymermolekülen, die nicht vernetzt sind. Diese Oberflächenschicht ist mechanisch gesehen schwach. Die Entfernung dieser schwachen Schicht und die Vernetzung der darunter liegenden Polymermoleküle in den übrigen Schichten verbessert die Haftfestigkeit erheblich.

– Benetzbare Oberfläche. Damit ein Klebstoff die Oberfläche effizient bedeckt, sollte die Oberflächenenergie des Klebstoffs geringer sein als die des Untergrundes – also der zu benetzenden Oberfläche. 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. Die Plasmabehandlung löst dieses Problem, indem sie die Oberflächenenergie des Substrats und damit einhergehend die Benetzbarkeit auch bei Polymeren deutlich erhöht.

– Amorphe Oberfläche mit Diffusion von Polymeren. Kunststoffpolymere haben eine teilkristalline Struktur mit Bereichen aus kristallinen oder amorphen Materialien. Die Diffusionsverbindung, die durch Klebstoffe erreicht wird, ist mit dem amorphen Material stärker, wenn die Polymere frei in den Klebstoff eindiffundieren können. Die Plasmabehandlung fördert die Spaltung der auf der Oberfläche vorhandenen Polymermoleküle, was ihre Diffusion erleichtert und ihre Bindung mit dem Klebstoff verstärkt.

– Chemisch funktionelle Oberfläche. Auf molekularer Ebene wird die Haftung zwischen zwei Oberflächen entweder durch elektrische Anziehung zwischen den Oberflächenmolekülen und den Molekülen des Klebstoffs oder durch deren chemische Bindung verursacht. Der erste Typ, die so genannte disperse Adhäsion, ist stark, wenn polare Moleküle die Oberfläche bedecken. Während Oberflächen von Kunststoffpolymeren typischerweise unpolar sind, wird die Oberfläche durch die Bildung einer Schicht aus polaren Molekülen funktionalisiert. 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. Die Plasmabehandlung ermöglicht sowohl eine disperse Haftung als auch eine chemische Bindung.

– Mikroskopisch raue Oberfläche. Wenn eine Oberfläche mikroskopisch rau ist, ist sie benetzbar, d. h. die Kapillarwirkung führt dazu, dass sich die Oberflächenporen und Unebenheiten sofort nach dem Auftragen mit Klebstoff füllen. Dies erhöht die mechanische Festigkeit der Verklebung. Es ist bekannt, dass die Plasmabehandlung die Benetzungseigenschaften fast aller Materialien verbessert.

 

Kalte atmosphärische Plasmen

Plasma ist ein teilweise ionisiertes Gas. Elektrische Lichtbögen, die dielektrische Barriere sowie 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 energiereiche Elektronen und Ionen umgewandelt, der Rest des Gases bleibt neutral und kalt. Bei der piezoelektrischen Direktentladung erreicht die Temperatur nur circa 50°C. Bei Bogenentladungen erreicht das Lichtbogenvolumen Temperaturen von 6.000 – 12.000°C. Nach Verlassen des Austragsvolumens kühlt das Gas jedoch schnell auf 250 – 45°C ab. Bei entsprechender Einstellung der Verarbeitungsgeschwindigkeiten schädigen diese Temperaturen die behandelten Oberflächen nicht. Während das Plasma kalt bleibt, kollidieren die sehr energiereichen Elektronen und Ionen mit den Gasmolekülen und produzieren große Mengen an kurzlebigen chemischen Spezies, wie atomare H-, N- und O-Spezies, OH- und ON-Radikale, Ozon, Salpetrige und Salpetersäure sowie verschiedene andere Moleküle in metastabilen angeregten Zuständen. Sie machen diese Art Plasma chemisch sehr aktiv.

 

Verbesserung der Haftung 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 Menge der geladenen Teilchen gering ist, 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 in einem ultrafeinen, sauberen Zustand bleibt.

– Plasma reduziert Metalloxide. Plasmaentladungen, die im Formiergas, welches typischerweise 5 % Wasserstoff und 95 % Stickstoff enthält, gezündet werden, erzeugen große Mengen an reaktiven Wasserstoffspezies. Durch Kontakt mit oxidierten Metalloberflächen reagieren sie mit Metalloxiden und reduzieren diese zu Metallatomen und Wasserdampf.

– Plasma verstärkt die Oberfläche. Mit einer hohen 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 induziert einen Phasenübergang und eine Spaltung der Polymermoleküle. Mit einer weiter erhöhten Behandlungsstärke induziert das Plasma einen Phasenübergang von der kristallinen zur amorphen Struktur der Oberflächenschicht. Letzteres diffundiert leicht in den Klebstoff und erhöht die Festigkeit der Diffusionshaftung. Außerdem bricht das Plasma die Polymermoleküle, indem es ihre scherenförmigen offenen Enden auf der behandelten Oberfläche freilegt. Dadurch wird die Diffusionsklebkraft weiter erhöht.

– 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 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 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. Die 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. 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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