Surface activation of polymers using a new microwave atmospheric pressure plasma source

Kompakte neue Plasmaquelle

Das Ferdinand-Braun-Institut gGmbH, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) hat eine kompakte Plasmaquelle mit Mikrowellenanregung neu entwickelt. Inzwischen wurde untersucht, inwieweit sie sich zur Vorbehandlung von Kunststoffoberflächen eignet. Die Ergebnisse dieser Arbeiten, die zusammen mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern von INNOVENT e.V. erzielt wurden, sind nun in einer Studie veröffentlicht worden [1]. Bei dem neuen Gerät handelt es sich um eine hochintegrierte atmosphärische Niedertemperatur-Plasmaquelle, die einen Mikrowellen-Leistungsoszillator, einen Resonator, der das Plasma anregt, und die notwendige Steuerschaltung umfasst. Alle Komponenten sind in einem einzigen, miniaturisierten Gehäuse untergebracht. Als Arbeitsgas wird Luft verwendet.

Charakterisierung der Quelle und des Plasmas

Die Gasentladung der Plasmaquelle wurde mittels optischer Emissionsspektroskopie untersucht. Mit Blick auf die im Plasmajet angeregten Spezies wurden verschiedene Emissionen bestimmt. Nachgewiesen wurden Stickstoffmonoxid, vom ersten und zweiten positiven Stickstoffmolekül-System, vom ersten negativen System einfach ionisierter Stickstoffmoleküle und von atomarem Sauerstoff. Die OES-Messungen wurden durch Abgasuntersuchungen ergänzt, bei denen entsprechende Ozon-, Stickstoffmonoxid- und Stickstoffdioxid-Messsensoren verwendet wurden. Die Gastemperaturen direkt am Ausgang der Plasmaquelle lagen bei etwa 200 °C, in einem realistischen Arbeitsabstand von rund 8 mm wurde eine Temperatur bei unter 100 °C gemessen. Unter praxisrelevanten Einsatzbedingungen wird die Plasmaquelle dynamisch über die zu funktionalisierende Oberfläche hinweg geführt. Hier lagen die Temperaturen zwischen 50 und 70 °C, je nach Abstand zur Probe und Verfahrgeschwindigkeit.

Deutlich gesteigert Lackhaftung

Die kompakte Plasmaquelle wurde zur Vorbehandlung von unterschiedlichen Polymerwerkstoffen eingesetzt. Dazu zählten etwa Polypropylen PP, Polyamid PA6, Polyethylen LDPE und HDPE, Polycarbonat PC und Polymethylmethacrylat PMMA. Dabei erhöhte sich insbesondere der polare Anteil der Oberflächenenergie signifikant, auch die Haftfestigkeit von nachfolgend auf die aktivierten Oberflächen aufgebrachten Lackierungen stieg deutlich. Die Adhäsionsfestigkeiten der Lackierungen, die mittels Stirnabzugstests bestimmt worden waren, überstiegen die Ausgangswerte, die für die nicht plasmabehandelten Proben gemessen wurden, um das bis zu Zehnfache. Als weitere Analysemethoden wurden AFM- und XPS-Messungen an den vorbehandelten Bauteiloberflächen eingesetzt.

Verweis auf die Studie:

[1]       V. Faldu, O. Beier, A. Pfuch, K. Horn, J. Zender, D. Wolf, T. Filler, W. Heinrich, U. Winterwerber, N. Lobo Ploch; „Polymer surface functionalization using a new µ-wave driven atmospheric pressure plasma-jet device“ Zeitschrift Kunststofftechnik / Journal of Plastics Technology 19 (2023) 2, p. 52.

[2]       FBH-Forschungsnews; "Compact atmospheric pressure µ-wave plasma source for improved adhesion properties", 11.10.2022.