2. Niederdruckplasmatechnik

2.1. Anwendungen

2.1.1. Reinigen

2.1.1.1. Reinigen von Metallen

Manche Behandlungsgüter sind mit Fetten, Ölen, Wachsen und anderen organischen und anorganischen Verunreinigungen (auch Oxidschichten) bedeckt.

Für bestimmte Anwendungen kann es erforderlich sein, absolut saubere und oxidfreie Oberflächen zu erzielen z.B.

• vor dem Sputtern
• vor dem Lackieren
• vor dem Kleben
• vor dem Bedrucken
• vor dem PVD-und CVD-Beschichten
• bei speziellen medizinischen Anwendungen
• bei analytischen Sensoren
• vor dem Bonden
• vor dem Löten von Leiterplatten
• bei Schaltern usw..

Das Plasma wirkt hier auf zwei verschiedene Arten:

A. Es entfernt organische Schichten:

• Diese werden z.B. von Sauerstoff oder Luft chemisch angegriffen (Abb. 20-22).
• Durch den Unterdruck und die oberflächliche Aufheizung verdampfen die Verunreinigungen zum Teil.
• Durch die energiereichen Teilchen im Plasma werden die Verunreinigungen in kleinere, stabile Moleküle umgewandelt und lassen sich dadurch absaugen.
• Auch die UV-Strahlung kann die Verunreinigungen zerstören und deren Ablösung von der Oberfläche bewirken.

Die Verunreinigungen dürfen nur wenige Mikrometer dick sein, da das Plasma nur in der Lage ist, wenige nm/s abzutragen.

Fette enthalten z.B. Lithiumverbindungen. Von ihnen können nur die organischen Bestandteile entfernt werden. Das gleiche gilt für Fingerabdrücke.

B. Reduktion von Oxiden:

Es ist auch möglich, die Prozesse zweistufig zu fahren. Zum Beispiel werden die Behandlungsgüter erst 5 Min. mit Sauerstoff oxidiert (Abb. 20 - 22); anschließend werden sie 5 Minuten mit Argon-Wasserstoff (z.B. Gemisch aus 90 % Argon und 10 % Wasserstoff) reduziert (Abb. 23 - 25).

Abb. 26, 27, 28 : Anwendungsbeispiele für die Reinigung von Metallen

2.1.1.2. Reinigen von Kunststoffen

Die Reinigung von Kunststoffen ist immer auch einhergehend mit der Aktivierung des Kunststoffes. Soll ein Kunststoff wirklich nur gereinigt und nicht aktiviert werden, so müssen die Prozessparameter einfach so lange herabgesetzt werden, bis der gewünschte Effekt erreicht ist. Wobei zu überlegen ist, ob die bloße Reinigung eines Werkstückes für die nachfolgenden Prozesse ausreicht (siehe auch Kapitel 2.1.2.2 "Aktivieren von Kunststoffen").

Als Prozessgas wird üblicherweise technischer Sauerstoff verwendet, oft reicht aber schon Raumluft aus. Die Plasmabehandlung kann wiederholt werden und es entstehen keine giftigen Abgase.

Das Prinzip entspricht der Reinigung von Metallen (siehe Abb. 20 - 22)

2.1.1.3. Reinigen von Gläsern und Keramiken

Das Reinigen von Gläsern und Keramiken erfolgt auf die gleiche Weise wie das Reinigen von Metallen (siehe Kapitel 2.1.1.1 "Reinigen von Metallen"). Als Prozessgas für die Reinigung von Gläsern empfiehlt sich z.B. Argon oder Sauerstoff.

Allgemein kann gesagt werden, dass eine Reinigung meist mit Sauerstoffplasma durchgeführt wird. Die anderen Parameter (Druck, Leistung, Gasfluss, Dauer der Behandlung) hängen von der Empfindlichkeit der zu behandelnden Werkstücke ab.

2.1.2. Aktivieren

2.1.2.1. Aktivieren von Metallen

Das Aktivieren von Metallen ist zwar prinzipiell möglich, jedoch ist die Aktivierung auf Metall sehr instabil und daher nur von kurzer Dauer. Wird Metall aktiviert, muss es innerhalb weniger Minuten oder Stunden weiterverarbeitet (verklebt, lackiert...) werden, da sich die Oberflächen schnell und dauerhaft mit Kontamination aus der Umgebungsluft verbinden.

Es daher empfehlenswert eine Plasmaanlage zu mieten oder zu kaufen um diese Anwendung vor Ort durchzuführen.

Sinnvoll ist eine Metallaktivierung vor Prozessen wie Löten oder Bonden.

Löten:

Als Lötvorbehandlung sind folgende Prozesse möglich:

a) Löten unter Vakuum: bei besonderen Anwendungen ist Löten unter Vakuum möglich. Hierzu werden nach Plasmabehandlung keine Flussmittel benötigt.

b) Überlagerte elektronische Bauelemente, die im Laufe der Zeit oxidiert sind. Die Oxidation kann unter Wasserstoffplasma beseitigt und die teile wieder lätfähig gemacht werden.

Bonden:

Oft stören beim Bonden organische Verschmutzungen wie z.B. Rückstände aus der Galvanik, Klebstoffreste, Flussmittelreste usw. Diese können mit Plasma entfernt werden. Ebenso können auch Oxidschichten den Bondprozess verschlechtern. Diese können mit einem Wasserstoffplasma reduziert werden.

2.1.2.2. Aktivieren von Kunststoffen

Kunststoffe wie z.B. Polypropylen oder PTFE sind von sich aus unpolar aufgebaut. Das bedeutet, dass diese Kunststoffe vor dem Bedrucken, Lackieren und Verkleben vorbehandelt werden müssen. Ähnliches gilt für Glas und Keramik. Als Prozessgas wird üblicherweise technischer Sauerstoff verwendet. Viele Aktivierungen können aber auch mit Raumluft durchgeführt werden.

Die Teile bleiben wenige Minuten bis einige Monate aktiv. Polypropylen kann noch mehrere Wochen nach der Behandlung weiterverarbeitet werden. Trotzdem empfiehlt es sich, diese Teile nicht offen zu lagern, da sie Staub, organische Kontamination und Luftfeuchtigkeit anziehen.

Vorteile:

• Eine Plasmabehandlung kann im Gegensatz zur Beflammung wiederholt werden.
• Im Vergleich zur Beflammung und zur Koronabehandlung ist die Gleichmäßigkeit bedeutend höher. Es entstehen keine giftigen Abgase.
• Die Auswahl an Prozessgasen ist sehr viel größer. Auch Spalte und Hohlkörper können von innen behandelt werden. Der Aufwand zur Behandlung dreidimensionaler Teile ist gering.
• Primer müssen nicht mehr verwendet werden, selbst bei PTFE.
• Die Plasmabehandlung kommt für die allermeisten Kunststoffe in Frage.
• Das Verfahren ist sehr umweltfreundlich.
• Die verbrauchten Gasmengen sind minimal (ca. 10 cm3/min - 1.000 cm3/min).
• Niederdruckplasmaanlagen sind im Vergleich zu vielen Konkurrenzverfahren sehr kostengünstig; siehe Kapitel 2.4, "Welche Frequenz ist die beste Frequenz?" und Kapitel 2.5, "Laufende Kosten einer Plasmaanlage".

Beispiele für die Anwendungsvielfalt von Plasmaaktivierung auf Kunststoffoberflächen:

Die Aktivierung kann sehr eindrucksvoll demonstriert werden, indem man ein behandeltes und ein unbehandeltes Teil in Wasser taucht. Auf dem unbehandelten Teil bilden sich wie gewohnt Tropfen. Das behandelte Teil wird vollständig mit Wasser benetzt.

Die Qualität der Aktivierung kann schnell und einfach mit zwei verschiedenen Verfahren getestet werden:

Kontaktwinkel-Messung:

Bei diesem Verfahren wird der Randwinkel (Abb. 36) eines Wassertropfens zur aktivierten Oberfläche gemessen. Je besser die Aktivierung ist, desto flacher liegt der Wassertropfen auf der Oberfläche. Dieses Verfahren wird allerdings selten angewandt, da das Messgerät relativ teuer ist und im Allgemeinen nicht sofort vor Ort gemessen werden kann. Insbesondere lassen sich große oder komplexe Formteile mit den meisten Randwinkelmessgeräten kaum oder gar nicht ohne zerschneiden messen.

Beispielfotos (aufgenommen unter dem Mikroskop):

Das andere Verfahren arbeitet mit verschiedenen Testtinten. Je nachdem, wie diese Testtinten verlaufen, kann den Behandlungsgütern eine bestimmte Oberflächenenergie zugeordnet werden. Die Einheit ist mN/m [früher: dyn/cm]. Wasser besitzt eine Oberflächenenergie von 72,6 mN/m. Die Testtinten sind erhältlich von 28 mN/m - 105 mN/m in 10 Schritten.

Im Allgemeinen kann man davon ausgehen, dass bei Wasserbenetzbarkeit eine ausreichende Vorbehandlung für eine Lackierung gegeben ist. Eine Oberflächenenergie von 72 mN/m ist notwending, um eine gute Haftung, beispielsweise von Wasserbasislacken, zu erreichen. Sie ist jedoch nicht in allen Fällen ausreichend. Aktivierte Oberflächen sind mechanisch empfindlich. Reiben mit einem Lappen entfernt die aktivierte Schicht. Die behandelten Teile dürfen nur mit Handschuhen angefasst werden.

Plasma wirkt bei der Kunststoffaktivierung wie in den Abbildungen 45-47 dargestellt:

Bei langen Prozesszeiten (> ca. 15 Min.) und entsprechend gewählten Gasen werden die Oberflächen nicht nur aktiviert, sondern angeätzt. Die Oberflächen werden dabei matt. Mit angeätzten Oberflächen werden die höchsten Haftkräfte erreicht. Lackierungen werden normalerweise mit dem so genannten Gitterschnitt-Test (Normen: DIN EN ISO 2409 und ASTM D3369-02) geprüft. Dazu wird der Kunststoff lackiert und anschließend gitterförmig (kreuzweise) mit einem Gitterschnittprüfgerät eingeschnitten. Anschließend wird ein in den Normen spezifiziertes Klebeband aufgeklebt und ruckartig abgezogen. Bleiben Lackstücke an dem Klebeband hängen, so ist die Lackhaftung mangelhaft. Die einzelnen Abstufungen sind in den Normen beschrieben.

A. Plasma entfernt Trennmittel (auch Silikone und Öle) von der Oberfläche.

• Diese werden von z.B. Sauerstoff chemisch angegriffen und in flüchtige Verbindungen umgewandelt.
• Durch den Unterdruck und die oberflächliche Aufheizung verdampfen die Trennmittel bzw. deren Reste zum Teil.
• Durch die energiereichen Teilchen im Plasma werden die Trennmittelmoleküle in kleinere Molekülfragmente aufgebrochen und lassen sich dadurch absaugen. Es entsteht ein "Mikrosandstrahleffekt".
• UV - Strahlung kann Trennmittel aufbrechen.

B. Plasma reagiert mit der Kunststoffoberfläche (Abb. 45 - 47)

• Das Prozessgas reagiert mit der Kunststoffoberfläche und lagert sich ein. Wird Sauerstoff verwendet, so erhält man polare bindungsfreudige Radikalstellen in der Oberfläche.
• Bei geeignetem Reaktoraufbau "sandstrahlt" das Prozessgas (Aktivierung von POM mit Argon) die Oberfläche und erzeugt auch damit Radikalstellen.
• Weichmacher und andere unerwünschte Füllstoffe werden zersetzt oder verdampfen.
• UV-Strahlung erzeugt Radikale.

Als Prozessgase kommen z.B. in Frage: Luft, Sauerstoff, Argon, Argon-Wasserstoff und Tetrafluormethan-Sauerstoff.

Die Lagerzeit (bis zur Weiterverarbeitung) ist von verschiedenen Faktoren abhängig, wie z.B.:
Kunststoffmischung und Verpackungsart. Nach der Plasmabehandlung eingeschweißte Teile
haben eine wesentlich höhere Haltbarkeitszeit als offen gelagerte Teile.
Bei Polyamid kann die Haltbarkeit mehrere Jahre betragen.