Kaltes Atmosphärendruckplasma aus dem piezobrush® PZ3
Einfluss der β-Strahlung / des kalten Atmosphärendruckplasma

Einfluss der β-Strahlung / des kalten Atmosphärendruckplasma

Oberflächenmodifikation zur Adhäsion von Polyolefinen

Veröffentlicht Januar 2021
Bednarik, M.; Mizera, A.; Manas, M.; Navratil, M.; Huba, J.; Achbergerova, E., Stoklasek, P.;
Materials, (2021) 14. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7795023/

Zusammenfassung

Eine der häufigsten Anwendungen von kaltem Atmosphärendruckplasma ist die Aktivierung von Polyolefinen, wie z. B. Polypropylen (PP), vor einem Klebeprozess. Bednarik et al. führten eine vergleichende Studie über die Wirksamkeit von kaltem atmosphärischem Plasma und β- -Bestrahlung auf den Benetzungskontaktwinkel, die freie Oberflächenenergie, ihre polare Komponente und die Klebeeigenschaften durch.

Aufbau der Behandlung mit Atmosphärendruckplasma.
Fig.: Aufbau der Plasmabehandlung.

Für die Untersuchung wurden zwei Systeme zur Aktivierung der PP-Oberfläche eingesetzt, für die kalte Plasmaaktivierung der piezobrush® PZ3 (relyon plasma, Deutschland) und für die β-Bestrahlung (beschleunigte Elektronen) ein Rhodotron-Hochspannungsbeschleuniger (Tongeren, Belgien), der die maximale Energie von 10 MeV aufwies. Es wurden verschiedene Leistungs- bzw. Dosiseinstellungen verwendet. Die Oberflächenenergie konnte für alle Dosis-/Leistungseinstellungen im Vergleich zur Referenz erhöht werden, wobei die höchsten Werte der Oberflächenenergie von 54,4 mN/m bei der Plasmabehandlung erreicht wurden. Insbesondere der polare Anteil konnte mit beiden Vorbehandlungen erhöht werden.

Fig.: Ermittelte Oberflächenenergien für verschiedene Energieeingänge

Der Ursprung dieser polaren Komponente wurde mit FTIR-Messungen ermittelt, wobei ein großer Unterschied zwischen den Spektren im Bereich von 1850 – 1600 cm-1 festgestellt werden konnte, was die Bildung von carbonylfunktionellen Gruppen in der PP-Polymerkette bestätigt. Zusätzlich wurde das Signal im Spektralbereich von 3600 – 3100 cm-1 durch die Behandlungen verstärkt, was auf die Bildung von hydroxylfunktionellen Gruppen hinweist.

nfrarotspektren von (a) PP, unbehandelt, (b) PP, nach Behandlung mit Atmsophärendruckplasma (8 W), und (c) PP, nach β¯-Strahlenbehandlung (99 kGy).
Fig.: Infrarotspektren von (a) PP, unbehandelt, (b) PP, nach Plasmabehandlung (8 W), und (c) PP, nach β¯-Strahlenbehandlung (99 kGy).

Belastbarkeit von Klebeverbindungen

Für die meisten Anwendungen ist der wichtigste Wert des Klebens die Belastbarkeit der Klebeverbindungen. Dieser Parameter wurde durch die Messung der Scherfestigkeit der Klebung mit einem Zugversuch ermittelt. Die mit den beiden oben genannten Methoden, d.h. Kaltplasma und β-Strahlung, behandelte Oberfläche zeigte eine signifikante Erhöhung der Festigkeit der Klebung für jeden Typ des getesteten Klebstoffs, d.h. Cyanacrylat-, Acrylat- und Epoxid-basiert. Die Festigkeit der Klebeverbindung zwischen den neuen Materialien wurde als Referenzpunkt genommen.

Belastbarkeit von Klebeverbindungen für Zweikomponenten-Acrylatklebstoff (abhängig von der Leistung des Atmosphärendruckplasma und Strahlendosis).
Fig.: Belastbarkeit von Klebeverbindungen für Zweikomponenten-Acrylatklebstoff (abhängig von Plasmaleistung und Strahlendosis).

Zusammenfassung

In dieser Arbeit wurden die Auswirkungen von β– Bestrahlung und kaltem Plasma auf PP untersucht. Beide Methoden hatten einen positiven Effekt auf die Benetzung und die Oberflächenenergie des getesteten Materials. Die adhäsiven Eigenschaften der Polymerproben wurden sowohl durch β- Strahlung als auch durch kalte Plasmabehandlung deutlich verbessert. Die Ergebnisse belegen, dass die β-Strahlung auf einem ähnlichen Effektivitätsniveau wie die Plasmabehandlung liegt, was die Verbesserung der Haftfestigkeit und der Adhäsionskraft von PP betrifft. Dies ist besonders erstaunlich, wenn man die unterschiedlichen Größen der Geräte berücksichtigt: Der piezobrush® PZ3 ist ein Handgerät, während das β-Strahlungssystem ein fast raumfüllendes hochspezialisiertes Gerät ist.

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