Fluorierung von Polymeroberflächen

Wichtige Auswahlkriterien für Kunststoffe sind unter anderem mechanische und thermische Eigenschaften des Materials. Oft aber genügt die Oberfläche des gefundenen Materials nicht den Anforderungen der jeweiligen Anwendung. Die Oberflächeneigenschaften können jedoch oft unabhängig vom Grundmaterial verändert werden. Eine Möglichkeit hierfür ist die Gasphasen-Fluorierung. Bei der Fluorierung von Polymeroberflächen wird gezielt die Oberfläche des Materials morphologisch und chemisch verändert. Die Photoelektronenspektroskopie (XPS) bietet die Möglichkeit, die chemischen Veränderungen quantitativ und qualitativ zu untersuchen. Morphologische Modifikationen können über Rasterkraftmikroskopische Messungen bewertet werden.

Einleitung

Durch die Gasphasen-Fluorierung können die bestimmte Eigenschaften von Polymer-Materialien gezielt beeinflusst werden, so behandelte Kunststoff-Oberflächen erhalten völlig neue Eigenschaften. Die Fluorierung von Polymeroberflächen ist ein etabliertes Verfahren unter anderem in der Automobilindustrie wo es genutzt wird, um das Permeationsverhalten von Kraftstofftanks aus Poly­ethylen zu optimieren. Eingesetzt wird das Verfahren aber beispielsweise auch bei Baustoffen, Druckerzeugnissen, in der Elektrotechnik, Filtration, Medizintechnik oder bei Technische Textilien.

Die Fluorierung wird dabei eingesetzt um die Benetzbarkeit der Oberflächen zu erhöhen, Reibwerte und Klebrigkeit reduzieren, Klebstoff- und Lackhaftung zu verbessern oder auch Permeation, Diffusion und Migration (Barrierewirkung) zu reduzieren. Die Behandlungsparameter wie Fluor-Konzentration, Behandlungsdauer oder auch die Prozess-Temperatur müssen dabei auf das Produkt und das Behandlungsziel abgestimmt werden. Für die Bewertung der so erzeugten Produktoberflächen sind spezielle Analyseverfahren erforderlich, welche es erlauben quantitativ die Chemie der fluorierten Oberflächen zu erfassen.  

Die Photoelektronenspektroskopie (XPS/ESCA) ist ein analytisches Verfahren zum qualitativen und quantitativen Nachweis von Elementen, welches die Möglichkeit bietet, Oberflächen, die auf diese Weise behandelt wurden, auch bezüglich der chemischen Veränderungen zu untersuchen und so einen wertvollen Beitrag zur Qualitätssicherung oder Fehleranalyse zu leisten. Das Labor für XPS Analysen bei nanoAnalytics bietet ideale Voraussetzungen für die Untersuchung von modifizierten Kunststoffoberflächen.

 

Fluorierung von Polyethylen (PE)

Anhand von Übersichtsspektren kann die Elementzusammensetzungen im Bereich der Oberfläche mit XPS quantitativ bestimmt werden. Bei der Fluorierung von Polyethylen wird die Oberfläche chemisch verändert, was gut anhand der XPS-Messungen vor und nach der Behandlung zu erkennen ist. Der Fluorgehalt innerhalb der Oberfläche der flourierten Probe steigt deutlich an.

Dass auch der Sauerstoff- und Stickstoffgehalt zunimmt, ist durch die Art des für die Oberflächenbehandlung eingesetzten Plasmas bzw. die Prozessführung zu erklären.

Tabelle 1: Quantifikationstabelle der unbehandelten und der fluorierten Probe.
(At%) C F O N
Unbeh. 99.1 - 0.9 -
Fluoriert 45.7 46.9 6.1 1.2

 

Über die reine Analyse der Elementzusammensetzung hinausgehend, kann mit Hilfe der XPS auch die Veränderung der chemischen Bindungszustände des Kohlenstoffs genauer untersucht werden. Dadurch lässt sich feststellen wie genau die Polymeroberfläche chemisch verändert wird und wie das Fluor an die Polymer Oberfläche chemisch anbindet. Die genaue Lage eines Elementpeaks ist abhängig von den chemischen Bindungen dieses Elements. Eine erfolgte Fluorierung zeigt sich daher auch in einer energetischen Verschiebung (chemical shift) des Kohlenstoffsignals.


Die unbehandelte PE-Oberfläche zeigt im Wesentlichen ein einziges Signal, welches dem aliphatischen Kohlenstoff in PE zugeordnet werden kann. Nach der Fluorierungs-Behandlung können durch die XPS-Messung verschiedene, fluorhaltige Kohlenstoffspezies an der Oberfläche identifiziert werden:

Kohlenstoff Signal einer PE Oberfläche vor der Fluorierung
Kohlenstoff Signal einer PE Oberfläche nach einer Fluorierung

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