Plasmadüse bei der Aktivierung eines Kunststoff-Probekörpers. (Bildquelle: SKZ)

Atmosphärendruck-Plasma-Düse bei der Aktivierung eines Kunststoff-Probekörpers. (Bildquelle: SKZ)

Zur farblichen Gestaltung werden PVC-Fensterprofile häufig mit Folie kaschiert (ummantelt). Die Anforderungen an das Haften der Ummantelung sind bei geforderten Lebensdauern der Fenster von bis zu 40 Jahren und permanentem Außeneinsatz hoch. Um die Haftung zu verbessern haben sich beim Kaschieren von Fensterprofilen nasschemische Primer, zum Beispiel auf Basis von Dichlormethan oder Methylethylketon, etabliert. Damit verbunden sind jedoch Probleme im Bereich des Arbeitsschutzes, worunter zum Beispiel der Umgang mit der Abluft oder die Kennzeichnungspflicht der Primer fallen (unter anderem REACH). Weiterhin ist die Prozessführung meist komplex und permanent an neue Primersysteme anzupassen. Hierbei muss konkret das Zusammenwirken des jeweiligen Primertyps mit den Prozessgrößen der Kaschieranlagen beachtet werden. Darunter fallen beispielsweise die Auftragsmenge, die Kaschiergeschwindigkeit, Einwirkzeit und -länge, der Aufbau der Ablüftanlage. Auch wenn die Fensterbranche in den letzten Jahren bereits zahlreiche Versuche durchgeführt hat, um die beschriebenen Nachteile zu beheben, liegt bisher noch keine praktikable Alternative zum Auftrag nasschemischer Primer vor.

Alternativer Lösungsansatz Atmosphärendruck-Plasma

In einem für diese Anwendung neuen Ansatz wird aktuell die Atmosphärendruck-Plasmatechnik als mögliche Alternative zum Primereinsatz und -auftrag untersucht. Hierzu bearbeiten SKZ – das Kunststoff-Zentrum (ein Institut der Zuse-Gemeinschaft), Würzburg, und das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM), Bremen, ein Forschungsprojekt. Bei diesem komplementären Ansatz werden Plasmaaktivierung, -beschichtung und Oberflächenanalytik mit den industriellen Besonderheiten und Rahmenbedingungen aus der Kaschier- und Fenstertechnik verknüpft.

Ziel des laufenden Forschungsprojekts ist die Untersuchung, inwieweit Schichten, die mittels Atmosphärendruck-Plasma abgeschieden werden, eine langzeitstabile Adhäsion auf Hart-PVC gewährleisten können. Ein Schwerpunkt liegt auf dem Untersuchen der veränderten Adhäsionsmechanismen beim Abscheiden der Plasmaschichten und ein anderer auf dem Auftrag des Kaschierklebstoffs auf solche Schichten. Die plasmapolymeren Schichten („Plasma-Primer“) werden durch Atmosphärendruck-Plasmadüsen abgeschieden.

Parameter- und Precusorenfindung

Plasmapolymere Beschichtung mit Hexamethyldisiloxan als Precursor. (Bildquelle: SKZ)

Mit Atmosphärendruck-Plasma abgeschiedene plasmapolymere Beschichtung mit Hexamethyldisiloxan als Precursor. (Bildquelle: SKZ)

Für die Untersuchungen greifen die Forschungsstellen auf kommerziell erhältliche Fensterprofil- und Kaschierfolientypen sowie auf etablierte Schmelzklebstoffe aus Polyurethan (PU) zurück. Dies ermöglicht, dass Unternehmen die Ergebnisse zeitnah für eigene Weiterentwicklungen nutzen können. Die Untersuchungen begannen mit der Vorbehandlung der PVC-Materialien mit Atmosphärendruck-Plasmadüsen. Die Ziele sind einerseits die Reinigung der zu kaschierenden Profiloberflächen von Staub und Extrusionshilfsstoffen wie Gleitmittel und Wachse und andererseits die Oberflächenaktivierung, bei der polare Gruppen in die Polymerketten an der Oberfläche eingebracht werden. Nach der Aktivierung wurden unterschiedlichste plasmapolymerere Schichten abgeschieden, deren Dicken im Nanometerbereich lagen. Verwendet wurden geeignete, toxikologisch unkritische Precursoren auf siliziumorganischer Basis.

Weiterhin wurden verschiedenste Plasmaprozesse charakterisiert. Durch Variation der Prozessparameter, wie Düsenabstand zur Substratoberfläche, Verfahrgeschwindigkeit, Art und Menge der in das Plasma eingekoppelten chemischen Substanzen, verwendetes Prozessgas, konnten mehrere Schichttypen für tiefergehende Analysen und Klebversuche erzeugt werden. Die Layer unterscheiden sich unter anderem in ihrem chemischen Aufbau (Kohlenstoff- und Siliziumgehalt), Dicke, Härte und Flexibilität. Darüber hinaus lassen sich alle Schichten homogen und bei industriell üblichen Prozessgeschwindigkeiten abscheiden.

Analytik zur Charakterisierung

Im Hinblick auf ein besseres Verständnis der Adhäsionsmechanismen sowie der Verbesserung der Haftfestigkeit wurden element- und oberflächensensitive Analyse durchgeführt. Eingesetzt wurden Methoden wie Kontaktwinkelmessung sowie Photoelektronen- (XPS) und Infrarotspektroskopie (FT-IR). Zur Prüfung der Haftung wurden zudem kaschierte Profilabschnitte mittels Rollenschälversuchen charakterisiert. Hierdurch wurde zum Beispiel festgestellt, dass die Plasmaenergie, welche bei der Aktivierung auf die Substratoberflächen einwirkt, so hoch ist, dass es teilweise zu einer thermischen Schädigung der Profiloberflächen kommt. Dies Adhäsionsbrüche konnten durch XPS-Messungen festgestellt werden. Die Plasmabeschichtung wurde beim Schälversuch nahezu komplett von der PVC-Oberfläche abgelöst und verblieb vollständig auf dem PU-Hotmelt. Aktuell werden Versuche mit einem Plasmasystem mit geänderter Energetik sowie mit geringerer Plasmaleistung durchgeführt, um eine thermische Materialschädigung zu vermeiden.

Arbeiten, die im Zuge des Forschungsvorhabens noch durchgeführt werden, sind Hydrolyse- und Thermolyseversuche zur Bewertung der Alterungsstabilität der Klebeverbunde, Versuche zur Kompatibilität mit nachfolgenden Prozessschritten (Zuschnitt, Schweißen, Verputzen) sowie Pilotversuche in einem industriellen Kaschierbetrieb. Final wird ein Prozessvergleich zwischen der Beschichtung mittels Atmosphärendruck-Plasma und dem aktuellen Stand der Technik, das heißt mit einem klassischen Primerauftrag, durchgeführt. Dieser wird nach Wirtschaftlichkeit und ökologischen Kriterien bewertet.

Potenziale nutzen

Es wurde gezeigt, dass eine lösemittelfreie Abscheidung haftvermittelnder Schichten mit Atmosphärendruck-Plasma gelingen kann. Die angestrebten Forschungsergebnisse leisten einen Beitrag zu einem neuen Verfahren für den Auftrag von haftvermittelnden Beschichtungen in der Kaschiertechnik. Ein plasmabasierter Auftrag bei Atmosphärendruck kann eine erhebliche Verbesserung der konventionellen Verfahrenstechnik darstellen. Der Ansatz ist insbesondere eine Alternative, um bedenkliche Chemikalien in der industriellen Produktion zu minimieren und eine Erhöhung des Automatisierungsgrades in der Fertigung zu erreichen.

Aufgrund der Potenziale der Plasmatechnik haben sich die Forschungsstellen bereits einer weiteren Anwendung angenommen: Im Dezember 2018 startete ein Forschungsvorhaben, in dem die Atmosphärendruck-Plasmatechnik zur Abscheidung von Migrationsbarrieren für adhäsionskritische Substanzen aus Kaschierfolien mit Weich-PVC-Komponente untersucht wird.

Förderhinweis und Dank

Das Vorhaben 19347 N/1 der Forschungsvereinigung Dechema Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie wurde über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programmes zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Forschungsstellen danken dem Projektträger und den im Projektausschuss vertretenen Firmen für ihre fachliche Mitwirkung sowie für ihre Materialspenden.

 

Kontakt

Christian Eck, Projektleiter am SKZ, Würzburg.

c.eck@skz.de

Dr. Uwe Lommatzsch, Projektleiter am Fraunhofer IFAM, Bremen.

uwe.lommatzsch@ifam.fraunhofer.de

 

Autoren

Christian Eck (SKZ), Dr. Uwe Lommatzsch (IFAM), Dr. Eduard Kraus (SKZ), Dr. Benjamin Baudrit (SKZ), Dr. Thomas Hochrein (SKZ), Prof. Dr. Martin Bastian (SKZ).