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heraeus10712Titelstory

Häufig ist es im Produktionsprozess von Kunststoffen erforderlich, diese zu bedrucken, zu lackieren oder zu verkleben. Um hier eine gute Benetzbarkeit oder Haftung zu erzielen, müssen die Oberflächen oft entsprechend vorbehandelt werden. In der Vergangenheit hat man Kunststoff-Oberflächen vorwiegend mechanisch oder chemisch vorbehandelt. Später gewannen ökologischere, physikalische Methoden wie Beflammung oder Korona- bzw. Plasmabehandlung an Bedeutung. Eine interessante Alternative dazu ist die Oberflächen-Aktivierung mit UV-Licht/Ozon von Heraues Noblelight.



Wirkprinzip UV/Ozon-Aktivierung

heraeus20712UV-Photonen, aus dem für unser Auge unsichtbaren Lichtspektrum im UV-C Wellenlängenbereich zwischen 200 bis 280 nm, können auf Grund ihrer hohen Energie chemische Bindungen in dem molekularen Netzwerk des Kunststoffpolymers aufbrechen. Die geöffneten Bindungsstellen sind bestrebt, schnellstmöglich wieder einen chemisch stabilen Zustand zu erreichen. Als Reaktionspartner dienen hierzu beispielsweise der Sauerstoff aus der Atmosphäre, oder Ozon, das durch die UV-Strahlung aus dem Umgebungssauerstoff gebildet wurde. Die offenen Bindungen werden aus daraus gebildeten Atomen und Radikalen

Abgesättigt. Es entstehen neue Verbindungen an der Kunststoffoberfläche. So ließ sich als Folge von UV-Behandlung in normaler Umgebungsatmosphäre die Bildung von Hydroxyl-, Carbonyl- und/oder Carboxylgruppen mittels ATR- und XPS-Messungen nachweisen. Die Oberflächen erhalten dadurch einen höheren polaren Charakter, was sich sowohl auf den Kontaktwinkel als auch auf die Oberflächenenergie auswirkt.

Eine Frage des Kontaktwinkels

heraeus30712Über die Messung des Kontaktwinkels kann die Effizienz der Vorbehandlung nachgewiesen werden. Er stellt einen physikalischen Wert zur Beschreibung des Benetzungsverhaltens einer Oberfläche dar. Gemessen wird der Kontaktwinkel im Dreiphasenpunkt an den Grenzflächen fest/flüssig/gasförmig eines auf die Oberfläche aufgesetzten Wassertropfens. Ist der Kontaktwinkel - auch Rand- oder Benetzungswinkel genannt - größer als 90° hat sich der Wassertropfen zu einer Kugel zusammengezogen und es erfolgt keine bzw. eine schlechte Benetzung der Oberfläche. Bei einem Kontaktwinkel von 0° ist der aufgebrachte Tropfen komplett auseinander geflossen, es erfolgt eine vollständige Oberflächen-Benetzung. Dazwischen spricht man von einer partiellen bis guten Benetzung. Einige Beispiele für typische Kontaktwinkel (Flüssigkeit/Festkörper/Kontaktwinkel in [°]) sind Wasser/Wolle/160, Quecksilber/Stahl/154, Wasser/Nickel/27, Wasser/Glas/0.
heraeus40712Mit der Erhöhung der Oberflächenpolarität  und damit der Reduzierung des Kontaktwinkels erhöht sich außerdem die Oberflächenenergie, was sich in verbesserten Haftungseigenschaften der Oberflächen auswirkt. Durch die gezielte Generation verschiedener funktioneller chemischer Gruppen an der Oberfläche hat man darüber hinaus die Möglichkeit, die Formulierung der aufzubringenden Beschichtung gezielt anzupassen und so deren Haftung auf der Oberfläche zu optimieren.

Die passende UV-Quelle

heraeus50712Bei der UV-Vorbehandlung von Oberflächen kommen Speziallichtquellen zum Einsatz, die in der Lage sind hohe Strahlungsanteile im niederwelligen Spektralbereich unterhalb von 200 nm zu generieren. In Frage kommen UV-Excimer-Strahler der Wellenlänge 172 nm oder UV-Hg-Niederdruck-strahler mit den Emissionswellenlängen 185 und 254 nm. Niederdruck-Lampen von Heraeus Noblelight gibt es bis zu einer Leistung von 800 W, Excimer-Strahler bis 3 kW.

Trifft UV-Strahlung mit einer Wellenlänge von  unter 200 nm auf Sauerstoff der Luft, wird Ozon gebildet. In zahlreichen Messreihen konnte nachgewiesen werden, dass die Aktivierung der Kunststoff-Oberflächen durch den Einsatz dieses gebildeten Ozons gefördert wird. In Kombination ist die UV/Ozon-Vorbehandlung in der Lage, Kunststoffe je nach Art und Zusammensetzung in kurzer Zeit auf höhere Oberflächenenergien zu aktivieren und so eine verbesserte Benetzbarkeit und auch Haftung zu erreichen. Die UV/Ozon-Vorbehandlung lässt sich dabei äußerst materialschonend und einfach durchführen.

heraeus60712Die Versuche und  Messungen wurden im UV Application Competence Center des Herstellers durchgeführt. Das neue UV-Anwendungszentrum mit moderner Ausstattung – darunter diverse UV-Bestrahlungskammern und Kontaktwinkelmessgerät – ermöglicht es, die unterschiedliche Wirkung von UV-Strahlen zu testen und zu messen. Interessenten haben dort die Möglichkeit spezifische Problemstellungen von der UV/Ozon-Vorbehandlung bis zur UV-Härtung, -Verklebung und -Lackauftrag, analysieren zu lassen.

Titelbild: Leistungsstarke Excimer-Strahler sind ideale UV-Quellen zur Aktivierung von Oberflächen, wie hier bei einem Wafer.

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