Hochleistungskunststoffe

Vorbehandlung von Hochleistungskunststoffen

Haftungsergebnisse für verschiedene Kunststoffe.
© Fraunhofer IST
Haftungsergebnisse für verschiedene Kunststoffe.

Neue Kunststoffe haben auch unter hohen thermischen und chemischen Beanspruchungen hervorragende Materialeigenschaften und werden deshalb zunehmend in den unterschiedlichsten Gebieten des Maschinen- und Anlagenbaus eingesetzt. Eine Herausforderung ist das hochfeste Kleben entsprechender Komponenten. Am Fraunhofer IST wurde die Atmosphärendruckplasma-Vorbehandlung für hochfeste Kunststoffe optimert.

Stand der Technik

Trotz enormer Fortschritte in der Klebstoffentwicklung und der Oberflächenvorbehandlung gelten viele Kunststoffe nach wie vor als sehr schlecht klebbar, da sie nur mit Hilfe einer begrenzten Anzahl an Klebstoffen feste Verbindungen eingehen. Häufig müssen diese Klebstoffe modifiziert werden, was zur Folge hat, dass die Anforderungen bezüglich der mechanischen, thermischen und/oder Verarbeitungseigenschaften nicht mehr erfüllt werden.

Durch geeignete Vorbehandlungsmethoden konnte das Spektrum der einsetzbaren Kunst- und Klebstoffe in den letzten Jahren deutlich erweitert werden. Während die chemischen Methoden wie z. B. Beizen oder Ätzen aufgrund der schlechten Umweltverträglichkeit und Arbeitsphysiologie nur noch selten verwendet werden, kommen in vielen Unternehmen physikalische bzw. chemische Vorbehandlungsverfahren zum Einsatz. Dabei werden mittels Beflammung, dem Einsatz von Niederdruckplasmen und insbesondere mit kostengünstigen Anwendungen von Atmosphärendruckplasmen wie z. B. einer Corona-Behandlung, dielektrischen Barrierenentladungen (DBE) oder einer Behandlung mit Hilfe eines Plasma-Jets Kunststoffoberflächen gereinigt, aufgeraut oder aktiviert. Dies führt zu einer besseren Benetzbarkeit der Oberfläche und in vielen Fällen auch zu einer Verbesserung der Haftung der Klebstoffe.

Oberflächenfunktionalisierung

Am Fraunhofer IST werden Atmosphärendruck-Plasma­verfahren sowie entsprechende Anlagen entwickelt, die die Möglichkeit bieten, unter definierter Atmosphäre Kunststoffober­flächen zu funktionalisieren. Mit den zur Verfügung stehenden Anlagen ist es möglich, den Oberflächen gezielt chemische Funktionalisierungen zu verleihen. Dies können z. B. stickstoffhaltige Gruppen sein, die durch die Plasmabehandlung in Stickstoff-Wasserstoffgemischen oder Ammoniak erzeugt werden. Aber auch die Herstellung von Funktionalisierungen auf Basis von Schichten mit Carboxylat- oder Epoxidgruppen ist durch die Verwendung geeigneter Prekursoren wie z. B. Maleinsäureanhydrid oder Glycidylmethacrylat möglich.

Projekt »KovaPlas«

Ziel des AiF-Projekts war es, bestehende Atmosphärendruck-Plasmaverfahren so zu optimieren, dass niederenergetische Kunststoffe durch eine Vorbehandlung eine deutlich bessere Haftung gegenüber Klebstoffen ausweisen. Insbesondere bei der Anwendung von Polyurethan- und Epoxidklebstoffen können so hochfeste kovalente und dauerhafte Bindungen im Bereich der Substratfestigkeit zwischen Klebstoff und Fügeteiloberfläche realisiert werden. Dafür wurde eine möglichst hohe Anzahl an chemisch reaktiven Gruppen haftfest auf der Oberfläche erzeugt und mit aminisch vernetzenden Klebstoffen geklebt. Das nebenstehende Diagramm zeigt Zugscherversuche an verschiedenen behandelten Kunststoffen.

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