Kunststoff-Oberflächen durch UV-/Ozon-Vorbehandlung aktivieren

Im Produktionsprozess von Kunststoffteilen, z.B. für den Einsatz in der Automobilindustrie, im Bahn-, Schiffs- oder Flugzeugbau oder für Haushaltsutensilien, ist es häufig erforderlich, die Oberflächen zu lackieren, zu bedrucken oder zu verkleben. Um hier eine gute Benetzbarkeit oder Haftung zu erzielen, ist es vielfach unerlässlich, die Oberflächen entsprechend vorzubehandeln. In der Vergangenheit hat man Kunststoff-Oberflächen vorwiegend mechanisch oder chemisch vorbehandelt. Im Zuge einer stärkeren ökologischen Betrachtung von Fertigungsverfahren gewannen physikalische Methoden, wie Beflammung oder Korona- bzw. Plasmabehandlung, stark an Bedeutung. Eine interessante Alternative zu den herkömmlichen physikalischen Verfahren ist die Oberflächen-Aktivierung mit UV-Licht/Ozon. UV-Photonen, aus dem für unser Auge unsichtbaren Lichtspektrum im UV-C Wellenlängenbereich zwischen 200 bis 280 nm, sind auf Grund ihrer hohen Energie in der Lage, chemische Bindungen in dem molekularen Netzwerk des Kunststoffpolymers aufzubrechen. 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 und es entstehen neue Verbindungen an der Kunststoff-Oberfläche. So lässt sich als Folge von UV-Behandlung in normaler

Der Kontaktwinkel, auch Rand- oder Benetzungswinkel genannt, stellt einen physikalischen Wert zur Beschreibung des Benetzungsverhaltens einer Oberfläche dar. Gemessen wird er im Dreiphasenpunkt, d.h. an den Grenzflächen fest/flüssig/gasförmig eines auf die Oberfläche aufgesetzten Wassertropfens. Ist der Kontaktwinkel 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 Oberflächenbenetzung. Dazwischen spricht man von einer partiellen bis guten Benetzung.

Einige Beispiele für typische Kontaktwinkel (Flüssigkeit/Festkörper/Kontaktwinkel):

• Wasser/Wolle/160°
• Quecksilber/Stahl/154°
• Wasser/Nickel/27°
• Wasser/Glas/0°

Umgebungsatmosphäre die Bildung von Hydroxyl-, Carbonyl- und/oder Carboxylgruppen mittels ATR- und XPS-Messungen nachweisen. Dies wirkt sich sowohl auf den Kontaktwinkel als auch auf die Oberflächenenergie aus. Die Effizienz der Vorbehandlung kann über die Messung des Kontaktwinkels nachgewiesen werden. Mit der Erhöhung der Oberflächenpolarität (Reduzierung des Kontaktwinkels) erhöht sich außerdem die Oberflächenenergie, was sich in verbesserten Haftungseigenschaften auswirkt. Durch die gezielte Generation verschiedener funktioneller 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. Bei 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-Niederdruckstrahler mit den Emissionswellenlängen 185 und 254 nm. Niederdruck-Lampen des Speziallampen-Herstellers Heraeus Noblelight sind bis zu einer Leistung von 800 W  verfügbar, Excimer-Strahler bis 3 kW.

Aktivierung durch Ozon fördern

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 in situ 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 Haftung zu erreichen. Die UV-/Ozon-Vorbehandlung ist dabei äußerst materialschonend und einfach durchzuführen. Im neuen Anwendungszentrum, dem UV Application Competence Center von Heraeus Noblelight in Hanau stehen diverse UV-Bestrahlungskammern und ein Kontaktwinkelmessgerät zur Verfügung, um 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, für ihren Anwendungsfall analysieren zu lassen.

Die Bilderserie zeigt die Veränderung des Kontaktwinkels des Wassertropfens auf PVC nach 0, 10 und 30 Sekunden UV-Lichtbestrahlung. Durch die steigende Oberflächenenergie verkleinert sich der Kontaktwinkel, die Oberfläche lässt sich also besser benetzen.

Heraeus Noblelight GmbH, Hanau, Dr. Angelika Roth-Fölsch, Tel. +49 6181 35-5783, angelika.roth-foelsch@heraeus.com, www.heraeus-noblelight.de