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Forschung und Lehre

Oberflächenspannung und Vorbehandlung – Auswirkungen von Plasma

Studenten des Studienganges Kunststoff- und Elastomertechnik an der Hochschule für angewandte Wissenschaften Würzburg-Schweinfurt (FHWS) untersuchten im Rahmen des Praktikums „Messung der Oberflächenspannung und Vorbehandlung“ unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. J. Leiber die Effekte des Plasmahandgeräts piezobrush® PZ2 auf verschiedenen Kunststoffen. Hierbei wurden die Oberflächenenergien der Proben vor und nach der Behandlung sowohl mittels Testtinten als auch mittels Kontaktwinkelmessung bewertet.

Eine Praktikumsgruppe verglich das kleine 18 W Handgerät piezobrush® PZ2 mit einer Labor-Corona-Anlage (Dosis: 5000 Ws/m2): Auf Polypropylen (PP) konnten vergleichbar gute Ergebnisse erzielt werden, wobei die Corona-Anlage hierfür eine kürzere Behandlungszeit benötigte.[1] Eine andere Praktikumsgruppe hat ebenfalls auf PP, aber auch auf PP/EPDM und ABS Substraten eine signifikante Erhöhung der Oberflächenenergie erzielen können.[2] Die einfache Handhabung des piezobrush® PZ2 wurde gelobt und Anregungen zur Prozessführung gegeben. Hierbei haben die Studenten im eigenen Versuch erfahren, dass bei Plasmaprozessen Abstand und Geschwindigkeit der Behandlung wichtige Prozessparameter sind.

Analysemethoden

Im Rahmen des Praktikums haben die Studenten zwei Methoden zur Bestimmung der Oberflächenenergie eingesetzt: Die Analyse mittels Testtinten und Kontaktwinkelmessungen. Im Vergleich sind die Testtinten zwar einfacher zu handhaben, dafür jedoch ungenauer als die Kontaktwinkelmessung mit drei Testflüssigkeiten. Bei letzterem Verfahren werden von der jeweiligen Testflüssigkeit Tropfen auf der Oberfläche abgelegt und anschließend deren Kontaktwinkel vermessen. Die mit dieser Methode ermittelte Oberflächenenergie kann so in ihren polaren und dispersen Anteil aufgeschlüsselt werden, deren Summe den Gesamtwert der Oberflächenenergie ergibt.

Ergebnisse und Fazit

Insgesamt beobachteten die Studenten, dass sich die Oberflächenenergien der untersuchten Kunststoffe durch die Behandlung mit dem piezobrush PZ2 signifikant erhöhen ließen. Durch die Funktionalisierung der Oberfläche durch die Anlagerung von Sauerstoffgruppen zeigt sich die Erhöhung vor allem im polaren Anteil der Oberflächenenergie, wie in der Visualisierung der Ergebnisse [2] in Abbildung 1 zu sehen ist.

Oberflächenspannung und Vorbehandlung - Auswirkungen von Plasma: Mittels Kontaktwinkelmessung bestimmte Oberflächenenergie als Summe des dispersen und polaren Anteils auf verschiedenen Kunststoffen vor und nach Behandlung mit dem piezobrush PZ2.
Abb. 1: Mittels Kontaktwinkelmessung bestimmte Oberflächenenergie als Summe des dispersen und polaren Anteils auf verschiedenen Kunststoffen vor und nach Behandlung mit dem piezobrush PZ2.

Diese Ergebnisse wurden erreicht bei einer Prozessgeschwindigkeit von 20 mm/s und einem Abstand von 5 mm zwischen Substrat und Düsenausgang des piezobrush PZ2. Mit einer Labor-Corona-Anlage können bei 170 mm/s vergleichbare Ergebnisse auf PP erzielt werden.[1] Durch das Arbeiten mit dem piezobrush PZ2 Handgerät haben die Studenten eindrücklich den Einfluss von Behandlungsgeschwindigkeit und Arbeitsabstand auf ihre Erhöhung der Oberflächenenergie herausarbeiten können: Sie empfehlen für reproduzierbare Ergebnisse den Einbau des piezobrush PZ2 Handgeräts in eine Vorrichtung die definierte Abstände einhalten und konstante Geschwindigkeiten einhalten kann.[2] Insgesamt ziehen die Studenten ein positives Fazit: „Für den Einsatz in den Praktika ist es allerdings von Vorteil, ein so kompaktes Gerät zu haben. Hier kann auf einfache Weise gezeigt werden, wie eine Corona‐Behandlung funktioniert, auf was dabei geachtet werden muss und welchen Effekt diese hat. Zudem ist solch ein Handgerät auch sehr gut für mobile Zwecke, z.B. Vorlesungen oder für kleine Werkstätten im heimischen Gebrauch geeignet.“[2]

Quellen:

[1] R. Knaub, M. Deininger, M. Jampolski, S. Taumann, J. Ketterer, J. Keller (2019), Praktikumsbericht „Messung der Oberflächenspannung und Vorbehandlung“ im Modul „Analytik und Oberflächen der Kunststoffe“ des Studienganges Kunststoff- und Elastomertechnik an der Hochschule für angewandte Wissenschaften Würzburg-Schweinfurt

[2] A. Schäder, G. Fischer, C. Zier, F. Schneider, S. Götz, D. Gärtig (2019), Praktikumsbericht „Messung der Oberflächenspannung und Vorbehandlung“ im Modul „Analytik und Oberflächen der Kunststoffe“ des Studienganges Kunststoff- und Elastomertechnik an der Hochschule für angewandte Wissenschaften Würzburg-Schweinfurt

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