IKV: Einsatz von Niederdruckplasmen - Barriereeigenschaften von Kunststoffen verbessern

LSM-Aufnahmen von beschichteten PET-Folien ohne vorherige Behandlung und mit vorheriger 600 s Behandlung im O2-Plasma - (Bilder: IKV).

Die Beschichtung von Kunststoffen mit dünnen, plasmapolymeren Siliziumoxid (SiOx)-Schichten kann die Gasbarriere von Folien oder Bauteilen deutlich erhöhen. Derartige glasartige Schichten werden durch die plasmagestützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) mit einer Dicke von einigen 10 Nanometern auf der Kunststoffoberfläche synthetisiert. In der Verpackungsindustrie werden so z.B. PET-Kunststoffgetränkeflaschen innenseitig beschichtet. Die Haltbarkeit der verpackten Lebensmittel wird dadurch deutlich erhöht.

Eine notwendige Voraussetzung für eine wirksame Funktionalisierung ist die gute Anbindung der Schichten an das Substrat. Die Anbindung ist insbesondere von dem zu beschichtenden Kunststoff abhängig. Eine Plasma-Vorbehandlung kann die Substratoberfläche vor der Beschichtung gezielt verändern und so die Adhäsion der Schichten zum Kunststoff steigern. Aktuell untersuchen die Forscher am Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) die zugrunde liegenden Mechanismen bei der Plasma-Vorbehandlung. Damit sollen, unabhängig vom eingesetzten Kunststoff wie z.B. PP oder PET maßgeschneiderte Oberflächeneigenschaften erzeugt werden.

Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass eine kurze Vorbehandlung (≤ 5 s) im Sauerstoffplasma die Sauerstoffbarriere von SiOx-Beschichtungen (30 nm Schichtdicke) auf PET um den Faktor 5 verbessern kann. Vorbehandlungszeiten, die darüber hinausgehen, führen zu einer Aufrauhung der Oberfläche, was wiederum zu einer Beeinträchtigung der Barriereeigenschaften führt. Über die Bestimmung der Plasmaparameter kann der kritische Parameter der Behandlungszeit für unterschiedliche Reaktorgeometrien ermittelt werden. So können an verschiedenen Anlagen ähnliche Prozessbedingungen geschaffen werden, die dann zu vergleichbaren Ergebnissen führen.

Wesentlich für die industrielle Umsetzung des Verfahrens ist die Übertragbarkeit der Forschungsergebnisse auf andere Reaktoren sowie unterschiedliche Substratgeometrien. Deshalb untersuchen die IKV-Experten gemeinsam mit ihren Forschungspartnern im Sonderforschungsbereich SFB/TRR87 zur Plasmatechnologie den Zusammenhang zwischen Prozess- und Plasmaparametern in unterschiedlichen Plasmareaktoren. Berücksichtigt wird hierbei auch die Störempfindlichkeit des Prozesses beispielsweise gegenüber Leckagen und eingebrachter Feuchte, die durch die Belüftung des Reaktors beim Substratwechsel entsteht. Im industriellen Maßstab wird dies entscheidend für die Prozesszuverlässigkeit sein.

Beim 27. Internationalen Kolloquium Kunststofftechnik wird die Plasmabeschichtung unter dem Programmpunkt IKV 360° im Plasmalabor des IKV vorgeführt.

Weitere Informationen: www.ikv-kolloquium.de, www.ikv-aachen.de

27. Internationales Kolloquium Kunststofftechnik, 19.-20.03.2014, Aachen

Institut für Kunststoffverarbeitung, Aachen

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