Strukturierte Plasma-Behandlung

Strukturierte Plasma-Behandlung für den Tiefdruck

Schematische Darstellung des Rolle-zu-Rolle-Plasma-Printing-Prozesses
© Fraunhofer IST, Falko Oldenburg
Schematische Darstellung des Rolle-zu-Rolle-Plasma-Printing-Prozesses.

Das BMBF-Projekt »Grundlagen zur ortsselektiven Benetzung von Nanotinten« hat das Ziel, neuartige Mikroplasmaquellen zur ortsselektiven kontinuierlichen Vorbehandlung von Folienoberflächen zu erforschen. Mit diesen neuartigen Plasmaquellen soll auf Folien ein Benetzungskontrast geschaffen werden, der lokal das Ausbreiten von Druckfarben beeinflusst und gleichzeitig die Haftung von leitfähiger Nanotinte verbessert. Gemeinsam mit den Industriepartnern GRT GmbH & Co. KG und Schwarz Druck GmbH soll am Fraunhofer IST die Leistungsfähigkeit des Plasma-Printings in Kombination mit dem Tiefdruck von Nanotinten anhand verschiedener Funktionsmuster aus den Bereichen Elektronik und Sicherheitsdruck evaluiert werden.

Einfluss der Funktionalisierung auf das Benetzungsverhalten

Die ortsselektive strukturierte Plasmabehandlung von Polymeren bei Atmosphärendruck erfolgt am Fraunhofer IST über ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren (vgl. nebenstehende Abbildung). In Kombination mit einem Tiefdruckprozess sollen leitfähige Strukturen aus Nanotinten für Anwendungen im Bereich der Elektronik oder für den Sicherheitsdruck, d. h. beispielsweise für fälschungssicheres Drucken von Geldscheinen, aufgetragen werden. Durch die Plasmabehandlung wird die Oberfläche der Polymere lokal hydrophilisiert, anschließend wird die Nanotinte in diese Strukturen gedruckt. Durch die Unterschiede der Oberflächenenergie zwischen den plasmabehandelten und unbehandelten Bereichen kann beim Drucken der Nanotinten eine höhere Konturgenauigkeit erreicht werden.

Analyse der plasmabehandelten Folien

Im Anschluss an die Plasmabehandlung wurden am Fraunhofer IST verschiedene Untersuchungen durchgeführt, um die erfolgreiche Strukturierung der Folie zu bestätigen. Dabei wurden vor allem die chemischen Veränderungen der Oberfläche durch Erzeugung chemisch-reaktiver Gruppen sowie die Abbildungsgenauigkeit und Randschärfe der erzeugten Konturen analysiert.

Eine Methode, chemische Veränderungen an der Oberfläche nach einer Plasmabehandlung indirekt nachzuweisen, ist die Bestimmung der freien Oberflächenenergie mittels Kontaktwinkelmessungen. Die Untersuchungen zeigten, dass bereits bei einem Leistungseintrag von mindestens 100 Wmin / m2 die Oberflächenenergie der Folie um bis zu 40 Prozent gesteigert und darüber hinaus die Langzeitstabilität der Oberflächen­aktivierung auf fünf Tage verbessert werden konnte.

Ein weiterer wichtiger Punkt der Arbeiten am Fraunhofer IST ist die hochauflösende Übertragung der Struktur von der Druckwalze als Benetzungsbild auf die Folie. Dafür wurden ausgewählte Folientypen ortsselektiv mit einer Strukturbreite von 188 µm behandelt. Die nachfolgende Auswertung mittels Laser-Scanning-Mikroskop (LSM) ergab eine Abweichung zur gravierten Struktur von lediglich 0,9 µm, was in etwa 0,5 Prozent entspricht.

Darüber hinaus wurde eine zusätzliche Analyse der Folien mit Hilfe des Fluoreszenzmarkers FITC durchgeführt. Dabei wurden in den plasmaaktivierten Bereichen reaktive stickstoffhaltige Gruppen wie z. B. Amine, Imine oder Amide nachgewiesen. Über die Fluoreszenz des Farbstoffs konnte zudem die homogene Plasmabehandlung innerhalb der Strukturen sowie die Randschärfe zwischen den einzelnen behandelten Bereichen und dem Hintergrund bewiesen werden.  

Ausblick

Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass der Benetzungskontrast der Folien bereits sehr hoch ist. Zukünftig soll die Haftung der Nanotinte in Zusammenarbeit mit der Schwarz Druck GmbH für weitere Behandlungen untersucht werden. Ein Schwerpunkt der Arbeiten am Fraunhofer IST ist es darüber hinaus, die Prozessgeschwindigkeit der Plasmabehandlung weiter zu erhöhen.

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