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Klebeeigenschaften von Haftklebstoffen auf Haushaltsgeräten

Klebeeigenschaften von Haftklebstoffen auf Haushaltsgeräten

Auf der Adhesion’19 hat unsere Kollegin Corinna Little einen Vortrag über die Klebeeigenschaften von Haftklebstoffen auf Haushaltsgeräten gehalten. Das gesamte Handout finden Sie imuntenstehenden Beitrag.

Zusammenfassung

Es wird die Verbesserung der Adhäsion verschiedener Haftklebstoffe (PSA) auf unterschiedlich beschichteten Stahlblechen durch die vorherige Behandlung mit Atmosphärendruck-Jetplasma (APPJ) untersucht. Zwei Arten von APPJ wurden dabei eingesetzt: die 700 W Plasma-Anlage, die auf der gepulsten atmosphärischen Lichtbogen (PAA) Technologie basiert und hauptsächlich in der Industrie eingesetzt wird und das 18 W Plasma-Handgerät, das auf der piezoelektrischen Direktentladung (PDD) Technologie basiert. Die erstgenannte dient zur Oberflächenaktivierung von beschichteten Stahlblechen. Die zweite – zur Behandlung der PSA-Schicht auf verschiedenen Klebebändern. Die Haftkraft wird durch einen 90°-Zugfestigkeitstest bestimmt.

Abbildung 1: Das robotergetriebene plasmabrush PB3-System mit fixiertem Stahlblech ist betriebsbereit. um die Haftung von Haftklebstoffen auf Haushaltswaren zu verbessern.
Abbildung 1: Das robotergetriebene plasmabrush PB3-System mit fixiertem Stahlblech ist betriebsbereit.

Wenn die PSA-Oberfläche mit Plasma behandelt wurde ist die Haftkraft mehr als doppelt so hoch, verglichen mit der Haftkraft eines unbehandelten PSA auf einem vorbehandelten Substrates. So konnte auch ein teilweise kohäsives Versagen erreicht werden. Trotz einer Erhöhung der Oberflächenenergie nach der Plasmabehandlung der beschichteten Stahlbleche, wurde die Haftkraft nur geringfügig erhöht und es kam bei unbehandeltem PSA zu Klebstoffversagen.

Einleitung

Großgeräte haben eine wichtige Rolle in unserem Leben und in unseren Häusern eingenommen. Von ihnen wird nicht nur erwartet, dass sie zuverlässig und effizient sind, sondern auch, dass sie stilvoll sind und für die jeweilige Marke werben. Logos und Verzierungen werden daher von vielen Herstellern auf diesen Produkten, oft mit Hilfe von Haftklebern (PSA), aufgebracht.1 Eine hohe Qualität der Verklebung zwischen den beschichteten Stahlblechen und den Haftbändern ist jedoch nicht immer ohne Vorbehandlung möglich. In einer hochautomatisierten Produktionslinie ist Atmosphärendruck-Plasma2 ein komfortables und kostengünstiges Mittel sowohl zur Feinreinigung und Aktivierung von Substraten als auch zur Vorbereitung auf Klebeprozesse ohne nennenswerte Einbußen im Durchsatz.

piezobrush PZ2 bei Aktivierung eines PSA-beschichteten Folienstreifen.
Abbildung 2: piezobrush PZ2 bei Aktivierung eines PSA-beschichteten Folienstreifen.

Es wird häufig zur Verbesserung der Haftungseigenschaften von PSA auf verschiedenen Oberflächen verwendet.3 Typischerweise ist das Material, auf dem das PSA haften sollte, plasmabehandelt.4 Eine starke Verbesserung der Haftung auf Stahl wurde jedoch beobachtet, als das PSA (PIB – Poly(isobutylen)) und PBA: Poly(butylacrylat) selbst mit Sauerstoffplasma vorbehandelt wurde.5 Die Verbesserung der Haftung durch Vorbehandlung unter Verwendung verschiedener Plasmen (APPJ,6 Corona7, DBD8) für PSA auf Basis von Natur- und Synthesekautschuk, Polyurethanen und Acrylat wird dargestellt.9 Ziel dieser Machbarkeitsstudie ist die Bewertung des Einflusses der Plasmabehandlung unter Verwendung verschiedener APPJ auf die Haftkraft verschiedener PSA-beschichteter Klebebänder auf beschichteten Stahlblechen.

Experimentelle Methoden und Materialien

Für diese Studie wurdenzwei Plasmageräte mitextremunterschiedlichen Eigenschaften verwendet: Zum einen das Pulsed Atmospheric Arc (PAA) System plasmabrush® PB3, bestehendaus dem Plasmagenerator PG3110 (abgebildet mit der Robotereinheit in Abb. 1) und dem Hochspannungsimpulsgenerator PS2000OEM und zum anderen das Piezoelectric Direct Discharge (PDD)11 Handgerät piezobrush® PZ2 (siehe Abb. 2). Die Hauptspezifikationen beider Werkzeuge werden in Tabelle 1 verglichen.

Plasmagerät plasmabrush PB3 piezobrush PZ2
Funktionsprinzip PAA PDD
Verwendete Düse A450 Standard-Düse
Plasma / Stromverbrauch 150 W / 700W 8,3 W / 18 W
Temperatur der Plasmaflamme Mehrere hundert °C Nahe der Raumtemperatur
Betriebsgas CDA Umgebungsluft
Gasfluss 50 SLM 10 SLM
Arbeitsfrequenz 54 kHz 50 kHz
Düsenabstand 10 mm 2 mm
Typische Aktivierungsgeschwindigkeit 1 m/s 1 cm/s

Der plasmabrush PB3 kann in zwei Modi eingesetzt werden: im Diffusionsplasmamodus und im fokussierten Plasmamodus. Der zweite ist besonders effizient bei der Behandlung von geschliffenen Metalloberflächen.12 Der Schwerpunkt dieser Studie liegt jedoch auf beschichteten Blechen. In diesem Fall kann das fokussierte Plasma, das mit einem auf das Substrat übertragenen Lichtbogen arbeitet, eine Beschädigung der Beschichtung verursachen oder die Grenzfläche zwischen dem Blech und der Beschichtung (in diesem Fall Lack) schwächen. Infolgedessen wurde ein weniger effizienter diffuser Plasmamodus angewendet. Zum Bewegen des PG31 wurde ein 6-achsiger Roboter Kawasaki RS05L (wie in Abb. 1 dargestellt) verwendet. Der piezobrush PZ2 wurde manuell bewegt.

Test Vorbereitungen

Die 30 cm langen, 25 mm breiten Streifen der PSA-beschichteten Folien wurden auf die Stahlblechoberfläche gelegt und mit einer Andruckrolle fixiert. Die von der Rolle ausgeübte Kraft betrug 19,62 N.
Stahlbleche mit zwei verschiedenen Beschichtungen wurden untersucht: Multiface®- und CC-Lackierung. Es wurden drei verschiedene PSA-beschichtete Folien verwendet: Astorplast, Ritrama und Tesa. Für die Plasmabehandlung mit dem PB3 wurden die in Tabelle 1 zusammengefassten Prozessparameter verwendet.
Der 90°-Zugfestigkeitstest wurde 20 Minuten nach der Bandfixierung mit dem Dynamometer Sauter Modell FH500N durchgeführt.

Durchführung des Schälversuchs.
Abbildung 3: Durchführung des Schälversuchs.

Ergebnisse und Diskussion

Im Diagramm in Abb. 4 sind die Ergebnisse der Schälfestigkeitsprüfungen zusammengefasst. Jede Gruppe von Spalten stellt die Ergebnisse für eine PSA/Beschichtungskombination dar. Der erste Buchstabe des Akronyms unter dem Diagramm symbolisiert den PSA-Typ, die anderen Buchstaben geben die Art der Beschichtung an. In jeder Gruppe von Säulen stellt die erste Spalte die Schälfestigkeit für reine Oberfläche und unbehandeltes PSA dar. Die zweite Spalte stellt die Schälfestigkeit auf einer nur mit Isopropanol gereinigten Oberfläche dar, die bei einigen Materialkombinationen die Schälfestigkeit verdoppelt. Die dritte Spalte zeigt das Ergebnis der Oberflächenbehandlung mit dem PB3-Plasma-Generator und zeigt im Allgemeinen nur eine leichte Verbesserung der Tests auf unbehandelten Oberflächen. Die A-M-Kombination zeigt im Vergleich zu einer unbehandelten Probe eine Verbesserung um 68%, ist aber viel schwächer als die nur mit Isopropanol gereinigte Probe, während auf den CC-lackierten Oberflächen die Wirkung des PB3-Plasmas mit der Reinigung mit Isopropanol vergleichbar ist. Die vierte Spalte bezieht sich auf das Substrat, das mit Isopropanol gereinigt und mit PB3 behandelt wird. Die Schälfestigkeit ist in den meisten Fällen vergleichbar mit den Ergebnissen für Isopropanol. Schließlich stellt die fünfte Spalte die Ergebnisse der Isopropanol+PB3-Behandlung dar, bei der zusätzlich die PSA-Oberfläche mit dem piezobrush PZ2 behandelt wurde. Dieser Schritt führt zur signifikantesten Erhöhung der Schälfestigkeit für alle Kombinationen, was beispielsweise bei A-M (Astorplast on Multiface coating) mehr als eine Verdoppelung bedeutet.

Abbildung 4: Maximale Schälfestigkeit für drei verschiedene PSAs (R, T, A) auf zwei Beschichtungsarten (M, CC).
Abbildung 4: Maximale Schälfestigkeit für drei verschiedene PSAs (R, T, A) auf zwei Beschichtungsarten (M, CC).

Die Plasmabehandlung der Bleche allein reicht nicht aus, um ein kohäsives Versagen zu erreichen. Alle PSA-Streifen weisen auf beiden Substraten einen Adhäsionsbruch auf.
Durch die Behandlung des Haftklebers auf den Streifen wurde die Haftkraft für Tesa- und Astorplastmaterial auf beiden Blechbeschichtungen deutlich erhöht und ein kohäsives Versagen beobachtet. Die Rückstände des PSA sind auf dem in Abb. 5 dargestellten Substrat zu sehen.

Abbildung 5: Nachweis des kohäsiven Versagens auf CC-Blech nach PZ2-Behandlung von Astorplast. Die Klebeeigenschaften von Haftklebern auf Haushaltsgeräten werden nach der Plasmabehandlung verbessert.
Abbildung 5: Nachweis des kohäsiven Versagens auf CC-Blech nach PZ2-Behandlung von Astorplast.

Fazit

  • Diese Machbarkeitsstudie zeigt, dass ein mit Druckluft betriebenes PAA-Plasmasystem (Pulsed Atmospheric Arc) dazu beitragen kann, die CC-lackierte Stahloberfläche vorzubereiten, indem es die Schälfestigkeit bestimmter druckempfindlicher Klebebänder um bis zu 68% gegenüber dem unbehandelten Substrat maximiert. Die Ergebnisse sind vergleichbar mit einem Reinigungsschritt mit Isopropanol.
  • Aufgrund der hohen Leistungsdichte des PB3-Systems kann eine Behandlungsgeschwindigkeit von 1 m2/min nachgewiesen werden.
  • Durch die Behandlung der PSA-beschichteten Seite der Bänder vor dem Verkelben mit einem piezoelektrischen Direktentladungsplasma, das vom piezobrush PZ2 erzeugt wird, können die maximalen Schälkräfte im Vergleich zu den unbehandelten PSA-Bändern auf vorbehandelten beschichteten Stahlsubstraten verdoppelt werden. Im Vergleich zum unbehandelten PSA auf den unbehandelten Substraten wird die maximale Schälfestigkeit um das Siebenfache erhöht.
  • Zwei der drei verschiedenen Arten von plasmabehandelten PSA-Streifen zeigen ein partielles Kohäsionsversagen sowohl auf dem Multiface- als auch auf dem CC-lackierten Stahlsubstrat, während die unbehandelten Proben alle klebstoffbedingt versagten.

Referenzen

[1] Donatas Satas (1989). Handbook of pressure sensitive adhesive technology, Springer Science, ISBN 978-1-4757-0868-4.
[2] K.H. Becker, U.Kogelschatz, K.H. Schoenbach, and R.J. Barker (2005). Non-Equilibrium Air Plasmas at Atmospheric Pressure. Institute of Physics Publishing, London.
[3] Rory A. Wolf (2010). Plastic surface modification: Surface treatment and Adhesion, Hanser Publications, Cincinnati, pp. 23-32, ISBN-13: 978-1-56990-447-3.
[4] A. Baldan (2004). Adhesively-bonded joints and repairs in metallic alloys, polymers and composite materials: Adhesives, adhesion theories and surface pretreatment, Journal of Materials Science 39, pp. 1 – 49.
[5] M. Kawabe, S. Tasaka and N. Inagaki (2000). Effects of surface modification by oxygen plasma on peel adhesion of pressure-sensitive adhesive tapes, J. of Appl. Polymer Science 78, pp. 1392-1401.
[6] J. Winter, R. Brandenburg and K.-D. Weltmann, (2015). Atmospheric pressure plasma jets: an overview of devices and new directions, Plasma Sources Sci. and Technol. 24, pp. 064001-19.
[7] J.-S. Chang, A. Lawless, and T. Yamamoto (1991). Corona Discharge Processes, IEEE Transactions on Plasma Science 19 (6), pp. 1152 – 1166.
[8] U. Kogelschatz (2003). Dielectric-barrier Discharge: Their History, Discharge Physics, and Industrial Applications, Plasma Chemistry and Plasma Processing 23(1), pp. 1-45.
[9] A.Koops, M. Kupsky, K. Keite-Telgenbüscher, S. Zöllner and T. Schubert (2017). Method for increasing the adhesion between the first surface of a first web-type material and a first surface of a second web-type material, US Patent Application Publication, Nr. US2017/0283656 A1.
[10] Relyon Plasma GmbH: Operating instructions Plasma generator PG31. http://www.relyon-plasma.com/wp-content/uploads/2016/05/plasma-generator- PG31- manual-EN_F0298601.pdf, (2014), [Online; accessed 12-April-2019].
[11] Relyon Plasma GmbH. Operating instructions for piezobrush PZ2 handheld device. https://www.relyon-plasma.com/wp-content/uploads/2018/10/F0351301_BA_piezobrush_PZ2_ML.pdf, 2018.2.
[12] Korzec, D.; Burger, D.; Nettesheim, S.: Plasmaaktivierung von Rolle zu Rolle, Adhäsion, KLEBEN & DICHTEN, 59(3) (2015), pp. 26-31.

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