Aktivierung von Polymeroberflächen—Haftungsprobleme

In der industriellen Produktion ist schlechte Haftung auf Kunststoffoberflächen immer wieder Ursache für Fehler von Produkten. Die eigentliche Ursache für die Probleme ist nicht immer ohne weiteres eindeutig identifizierbar und bedarf daher geeigneter analytischer Techniken zur Problemlösung.

Häufig werden Kunststoffoberflächen behandelt (z.B. Koronabehandlungen, Beflammen oder auch Plasmabehandlung), um die Haftung von Beschichtungen, Druckfarben oder Klebstoffen zu verbessern oder überhaupt erst zu ermöglichen. Beispiele hierfür reichen von der Metallisierung von DVDs oder CD-ROMs über das Bedrucken von Kunststofftüten, Folienverbundsystemen bis hin zu lackierten Autostoßfängern.

Abgesehen von einer unzulänglichen Vorbehandlung können auch Kontaminationsschichten auf der Bauteiloberfläche zu Haftungsproblemen führen. Neben der Kontamination der Oberfläche durch eine externe Quelle kommen hierfür auch interne Quellen durch die den Kunststoffen beigegebenen Additive in Frage.

Analytik zur Qualitätssicherung

Die Ursachenforschung mit einfacheren Testver­fahren wie Testtinten oder Kontaktwinkelmessungen ist nicht immer aussagekräftig genug für die Analyse solcher Probleme, so dass andere Verfahren benötigt werden.

Hier können z.B. die Röntgenphotoelektronenspek­trometrie (XPS) und die Sekundärionenmassenspektrometrie (TOF-SIMS) wichtige Informationen über den chemischen Zustand der Oberflächen liefern. Die Ergebnisse beinhalten neben quantitativen Informationen, etwa über den Einbau polarer Gruppen in zuvor unpolare Oberflächen, auch Informationen über eventuell vorhandene Verunreinigungen. In den meisten Fällen ist dabei eine eindeutige Identifizierung der Substanzen, die Ursache des Problems sind, möglich.

Beflammen von Polypropylen

Als Beispiel ist hier das Beflammen von Polypro­pylen gewählt. Die folgende Abbildung zeigt ein XPS-Spektrum einer unbehandelten Oberfläche. Wie zu erwarten besteht die Oberfläche zu praktisch 100% aus Kohlenstoff. Nach einer erfolgreichen Beflammung ändert sich dies in den obersten Schichten der Probe jedoch deutlich.

Abb.1: XPS Spektrum einer unbehandelten PP Oberfläche

Die Oberfläche enthält nun rund 16% Sauerstoff, sowie 3% Stickstoff: Die Beflammung erzeugt auf der Oberfläche polare chemische Gruppen, die die Haftungseigenschaften verbessern.

Abb.2: XPS Spektrum der vorbehandelten PP Oberfläche

Analyse der Bindungszustände

Um zu klären, in welcher Form Sauerstoff und Stickstoff in die Oberfläche eingebaut wurden, können hochauflösende XPS Analysen durchgeführt werden. Eine unbehandelte PP-Oberfläche zeigt im Wesentlichen nur die C-C-Bindungen des Polymers:

Abb.3: Kohlenstoffsignal vor der Behandlung

Die folgende Abbildung zeigt das Spektrum der gleichen Probe nach der Beflammung. In der Abbildung sind deutlich die durch die Behandlung an der Oberläche erzeugten polaren Gruppen erkennbar. Die Flächen unter den einzelnen Übergängen sind dabei ein direktes Maß für den Anteil des Kohlenstoffes, der in dem jeweiligen Bindungszustand vorliegt.

Durch das Beflammen werden polare chemische Gruppen, wie z.B. Alkohol- oder Carbonylgruppen, an der Oberfläche des Werkstücks erzeugt. Diese verbessern die Benetzung und Anhaftung der später aufzubringenden Schichten oder einer Klebung deutlich.

Abb.4: Kohlenstoffsignal nach der Behandlung

Kontamination einer Oberfläche

Oberflächenanalytische Techniken erlauben es, den Erfolg einer Oberflächenbehandlung direkt zu messen, bzw. bei einem auftretenden Haftungsversagen mögliche Ursachen hierfür aufzuzeigen. Zum Beispiel können vorhandene Kontaminationen nachgewiesen und identifiziert werden.

Auf einer beflammten PP-Oberfläche konnte deutlich Silizium nachgewiesen werden. In Kombination mit einer hochauflösenden Analyse des Siliziumsignals ergab dies den Hinweis auf Silikonfett als Ursache der Haftungsprobleme.

Abb.5: Kontaminierte, vorbehandelte PP Oberfläche.

Mit Hilfe der Sekundärionenmassenspektroskopie (TOF-SIMS) können in ähnlicher Weise die meisten Gleitmittel, interne Trennmittel, Fette/Öle etc. auf der Oberfläche identifiziert werden. Auch diese Substanzen sorgen immer wieder für Haftungs­probleme.

Hier das Beispiel einer EBS-Kontamination (Ethylen-Bis-stearamid) auf einer Polyamidoberfläche. Vor der Reinigung (obere Abbildung) kann nur EBS nachgewiesen werden. Nach Reinigung der Oberfläche (unten) wird das Polyamidsubstrat sowie das Additiv Irgafos 168 sichtbar.

Abb.6: TOF-SIMS Analyse einer mit Gleitmittel kontaminierten (oben) im Vergleich zu einer sauberen (unten) Polyamid 6.6 Oberfläche.

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