2. Grundlagen

2.1. Plasmen und ihre Eigenschaften

2.1.1. Vorkommen von Plasmen

Der überwiegende Teil der Materie im Weltall ist hochionisiert, liegt also als Plasma vor. Dieses Phänomen tritt bereits oberhalb von 100 km über der Erdoberfläche auf.

Plasmen kommen des weiteren als folgende Erscheinungen vor:

• Blitze

• Flammen

• Polarlicht

• in der Ionosphäre

Den Plasmen liegen folgende physikalischen Phänomene zugrunde.

Wird die Temperatur stark erhöht, so schließt sich an die drei klassischen Aggregatzustände (fest, flüssig, gasförmig) ein weiterer an, der des Plasmas. Es gibt keinen scharfen Übergang zwischen Gas und Plasma, jedoch steigt der Ionisierungsgrad in einem Bereich von einigen 1000 K von fast null auf fast eins an. Wenn zusätzlich noch der Druck stark erhöht wird, werden noch weitere Aggregatzustände erreicht, in denen die Materie ganz neue Eigenschaften entwickelt. Dies sind das Fermi-Gas und das Neutronengas.

Plasmen enthalten gleich viele positive wie negative Ladungen, sind also nach außen neutral. Die positive Ladung umgeben viele negative Ladungen in Form der Debeye-Hückel-Wolke und umgekehrt. Wenn Atome mit hoher Elektronenaffinität vorhanden sind, so lagern sich die von positiven Ionen abgespaltenen Elektronen an sie an. Das Plasma besteht dann aus Ionen mit den Vorzeichen der beiden Spezies. Bei hoher Temperatur gibt es nur noch positive Ionen und Elektronen, da die Ionisierung die Außenschalen aller Atome erfasst. Durch die geringe Masse der Elektronen im Vergleich zu den Ionen bewegen sich die Elektronen wesentlich schneller, dies gilt bei thermisch induzierter Bewegung wie auch im elektrischen Feld. Dabei fliegen die Elektronen quasi durch ein unbewegliches Ionengitter, das im Unterschied zu einem Festkörper ungeordnet ist.

Plasmen bestehen aus mindestens drei Teilsystemen:

• dem Elektronengas

• dem Ionengas

• dem Neutralgas

Diese drei Teilsysteme stehen jedoch nicht immer untereinander im Gleichgewicht, selbst dann nicht, wenn innerhalb jedes Systems ein solches Gleichgewicht besteht.

[JAN92]

2.1.2. Hauptmerkmale des Plasmazustandes

Die Bezeichnung Plasma wurde von Langmuir für einen „leuchtenden, hochionisierten Teil einer Gasentladung“ gewählt. Der Begriff stammt aus dem Lateinischen und bedeutet soviel wie „Gebilde“ oder „Bildwerk“.

Die Definition des ionisierten Gases bzw. des vierten Aggregatzustandes ist leicht irreführend, da ein Plasma kein Gas ist, und die Existenz von Ladungsträgern mit der daraus folgenden elektrischen Leitfähigkeit nur ein notwendiges Plasmamerkmal berührt.

Für ein Plasma gelten jedoch die folgenden Merkmale:

• erhöhter Gehalt an Ladungsträgern, damit das Gebilde Plasma gegenüber einem Gas neue Eigenschaften aufweist, z.B. indem es den elektrischen Strom leitet, ein Magnetfeld um sich herum aufbaut oder elektromagnetische Wellen emittiert;

• es besitzt eine „Quasineutralität“, d.h. es liegt die gleiche Konzentration an positiven und negativen Ladungsträgern je Volumenelement vor;

• ein erhöhter Energiegehalt als Folge der Tatsache, dass ein Plasma sich erst nach Energiezufuhr bildet;

• Ausbildung von Gleichgewichtszuständen, besonders eines stationären Zustands von Ladungsträger-Bildung und –Rekombination;

• Existenz von Energieverteilungsfunktionen der Plasmabestandteile, wodurch eine Möglichkeit zur Charakterisierung des Plasmas bei unterschiedlichen Temperaturen möglich ist.

Die Ausbildung von Gleichgewichtszuständen, sowie die Existenz von Energieverteilungsfunktionen der Plasmabestandteile stellen auch die Grundlage für einige Plasmakriterien dar. Dies sind:

räumliche Ausdehnung des Plasmas längs mehrerer mittlerer freier Weglängen bzw. längs mehrerer Relaxationsstrecken;

elastische und unelastische Wechselwirkungen der Plasmabestandteile untereinander;

Aufrechterhaltung des Plasmazustandes über einen bestimmten Zeitraum, um eine Gleichgewichtsausbildung zu gewährleisten, die Größenordung liegt bei einigen µsec und darunter

Die angeführten Merkmale stellen keine strenge Norm für die Charakterisierung von Plasmen dar, sie sollen sie lediglich greif- und begreifbar machen. [FRA04]

2.1.3 Anwendung von Plasmen

Künstlich erzeugte Plasmen finden in folgenden technischen Bereichen Anwendung:

• in Gasentladungslampen

• Plasmaätzen in der Halbleiterindustrie zur plasmainduzierten Materialabscheidung

• Aufbringen von Funktionsschichten bei Verspiegelungen und Anti-Haft-Beschichtungen

• Oberflächenmodifizierung

• Oberflächenhärtung

• Plasmaoxidation

• Spurenanalytik in der Chemie (ICP-OES, ICP-MS)

Vor einer Verklebung wird häufig die Plasmaaktivierung der Oberfläche durchgeführt, um eine gute Adhäsion zu erhalten. Hierfür wird meist ein Niederdruckplasma verwendet, da dieses physikalisch-chemisches Verfahren für Kunststoffe, Metalle und Keramiken angewendet werden kann. Die zu verklebende Substratoberfläche sollte sauber sein. Als Reinigungsverfahren werden je nach verwendetem Material das Entfetten, Bürsten und Schleifen, sowie das Beizen eingesetzt.

Die gereinigte und aktivierte Bauteiloberfläche erfährt durch diese Behandlungsschritte eine deutliche Adhäsionsverbesserung. [DEL02]

2.1.4. Einteilung von Plasmen

Die Einteilung der unterschiedlichen Plasmaformen geschieht nach mehreren Kriterien. In der Natur vorkommende Plasmen variieren in ihrer Dichte um mehr als zehn Größenordnungen. Eine extrem hohe Dichte besitzt das Plasma im Sonneninneren. Eine extrem niedrige Dichte besitzt das Plasma interstellarer Gasnebel. Entsprechend groß sind die Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften. Ein Schlüsselparameter zur Unterscheidung von Plasmen ist der Gasdruck.

In der Praxis werden die folgenden Plasmaarten unterschieden.

2.1.4.1. Niederdruckplasma

Sie werden in verdünnten Gasen erzeugt, deren Druck niedriger liegt als der Atmosphärendruck.

Bei einer Niederdruckplasmaanlage sind deutlich weniger Teilchen vorhanden als bei einer Atmosphärendruckplasmaanlage. Die Wahrscheinlichkeit eines Zusammenstoßes der Plasmateilchen ist deutlich geringer und der Druck liegt deshalb im Feinvakuumbereich, der von Pa reicht. Die meisten Niederdruckplasmen sind sogenannte „kalte Plasmen“, da sich durch die geringe Anzahl an Stößen die Elektronen nur zu einem geringen Teil erwärmen.

Eine besondere Form des Niederdruckplasmas stellt die Glimmentladung dar. Für diese Art wird eine Hochspannungsquelle benötigt.

Die Glimmentladung benötigt Ströme von 1 mA bis 100 mA. Die Spannung für die Entladung liegt im Bereich von 70 V bis 1000 V, der Gasdruck bei Pa.

Der Aufbau der Vakuumkammer einer Niederdruckplasmaanlage sieht eine Elektrode im Inneren der Kammer vor, wohingegen die Kammerwand als Gegenelektrode bzw. Erdpotential fungiert. [MEY05]

2.1.4.2. Weitere Plasmaarten

Hochdruckplasma:

Bei Hochdruckplasmen ist der Druck des Gases höher als der Atmosphärendruck. Dieser Effekt wird z.B. in Hochdrucklampen genutzt.

Atmosphärendruckplasma:

Atmosphärendruckplasmen werden bei Atmosphärendruck erzeugt. Eine typische Anwendung stellt die dielektrisch behinderte Entladung dar, die z.B. bei der Bearbeitung von Kunststoffen eingesetzt wird. Ebenso wird der Effekt beim Lichtbogenschweißen genutzt. [MEY05]

2.2. Grenzflächenphänomene und Kontaktwinkel

Über eine vektorielle Betrachtung (dargestellt in Abbildung 2.1) der Wechselwirkungskräfte zwischen den einzelnen Molekülen der Oberflächenschicht zeigt sich, dass sich diese Moleküle in einem spezifischen energetischen Zustand befinden. Aus diesem Zustand resultiert die sogenannte Oberflächenspannung. Infolge der Oberflächenspannung ist es möglich, Moleküle aus dem Volumenverband an die Grenzfläche zu bringen. Die Oberflächenspannung ist experimentell nicht direkt zugänglich, weshalb Umwege für die Ermittlung nötig sind.

Aus der geometrischen Situation der Grenzfläche wird deutlich, dass der Energiezustand der Oberflächenmoleküle anders ist als der der Moleküle im Inneren. Im Inneren kompensieren sich die zwischenmolekularen Kräfte vektoriell, in der Oberflächenschicht nicht. Dies liegt darin begründet, dass die Oberflächenmoleküle keine direkten Nachbarn besitzen, weshalb sie eine Zugspannung senkrecht zur Oberfläche erfahren. Durch diese Tatsache resultiert ein Energiegewinn durch Verkleinerung der Oberfläche.

Grenzflächenerscheinungen sind von den Aggregatzuständen abhängig. Diese sind fest/flüssig und flüssig/gasförmig. [DOER94]

Abbildung 2.1: Vektorielle Definition der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten und Festkörpern [DOER94]

In dieser Abbildung ist sehr gut erkennbar, dass die Kräfte an der Oberfläche, (in der Abbildung rechts oben zu sehen), nicht wie im Inneren, (in der Abbildung links unten zu sehen), zu allen nächsten Nachbarn wirken, sondern gerichtet ins Innere, sowie an der Phasengrenze entlang wirken. [DOER94]

2.2.1. Thermodynamische Betrachtung der Grenzflächenphänomene

Die Änderung der freien Enthalpie einer homogenen, kondensierten Phase ist nicht nur eine Funktion der Temperatur und des äußeren Druckes , sondern zusätzlich noch von den Eigenschaften der Ober- bzw. Grenzfläche abhängig.

Diesen Sachverhalt veranschaulicht Gleichung 2.1:

¹ [2.1]

Wird aus Gleichung [2.1] das totale Differential der freien Enthalpie entwickelt, so tritt nun die Grenzfläche als Zustandsvariable auf:

[2.2]

Unter isothermen (P=konstant) und isobaren (P=konstant) Bedingungen kann Gleichung [2.2] folgendermaßen reduziert werden:

[2.3]

Näherungsweise kann die partielle Ableitung der freien Enthalpie als differentielle Änderung der freien Enthalpie der kondensierten Phase nach der Ober- bzw. Grenzfläche aufgefasst werden, weshalb die Variablen und eingeführt werden:

[2.4]

umgeformt ergibt sich Gleichung [2.4] zu:

² [2.5]

durch die Symbole und wurde auf thermodynamischem Wege die Ober- bzw. Grenzflächenspannung als energetische Größen definiert. ist die differentielle Änderung der freien Oberflächen- bzw. Grenzflächenenthalpie. Entsprechend Gleichung [2.4] ist die Grenzflächenspannung diejenige reversible Arbeit, die unter isothermen und isobaren Bedingungen aufzuwenden ist, um die Grenzfläche um eine Flächeneinheit zu vergrößern.

Die Grenzflächenschicht des Flüssigkeitstropfens wirkt quasi als elastische Membran. Die elastische Spannung dieser Membran verändert sich bei Variation der Größe der Membranoberfläche. [DOER94]

2.2.2. Kontaktwinkel

Kontaktwinkel bilden sich im Dreiphasensystem fest/flüssig/gasförmig. Kontaktwinkel stehen für die Benetzbarkeit eines Festkörpers mit einer auf der Oberfläche aufliegenden Flüssigkeit.

Der Kontaktwinkel entsteht somit an der Berührungsstelle der Oberfläche mit der aufgebrachten Flüssigkeit und der Gasphase. Bei vektorieller Betrachtung ergeben sich drei Oberflächenspannungen:

• die Oberflächenspannung des Festkörpers mit (s = solid, g = Gas),

• die Oberflächenspannung der Flüssigkeit (l = liquid, g = Gas),

• sowie die Oberflächenspannung der Grenzfläche fest/flüssig mit (s = solid, l = liquid);

Über ein Kräfteparallelogramm dieser drei Größen lässt sich folgende Beziehung ableiten:

[2.6]

Aufgrund Gleichung [2.6], die auch als Young-Gleichung bezeichnet wird, ist der Kontaktwinkel das Ergebnis der Wirkung der drei Vektoren in Form der Ober- bzw. Grenzflächenspannungen , , . Aus der Young-Gleichung [2.6] folgt, dass die Oberflächenspannung des Festkörpers zugänglich wäre, dies setzt jedoch voraus, dass die Grenzflächenspannung messbar ist. ist jedoch nur bei Polymeroberflächen rechnerisch mittels halbempirischer Gleichungen abschätzbar.

Aus der Young-Gleichung kann die Definition der Benetzungsspannung ermittelt werden:

³ _[2.7]

Durch Gleichung [2.7] kann über die Differenz der Randwinkel quantitativ bestimmt werden, da die Oberflächenspannung der Flüssigkeit messtechnisch zugänglich ist. Durch eine Variation des Randwinkels kann die Benetzungsspannung sowohl positiv als auch negativ sein. Veranschaulicht bedeutet dies, dass die Festkörperoberfläche von der Flüssigkeit entweder benetzt, teilweise benetzt oder nicht benetzt wird.

In der folgenden Abbildung 2.2 sind die Vektoren der Young-Gleichung [2.6] dargestellt. Diese Darstellung gilt für den allgemeinen Fall der Berührung eines Flüssigkeitstropfens mit einer Oberfläche.

Abbildung 2.2: Dreiphasenkontakt eines auf einer Festkörperoberfläche aufliegenden Flüssigkeitstropfens [DOER94]

Zusammengefasst ergibt sich Folgendes:

• Für < 90° (cos() > 0) ist die Benetzungsspannung positiv. Der Festkörper wird durch die Flüssigkeit benetzt.

• Für > 90° (cos() < 0) ist die Benetzungsspannung negativ. Der Festkörper wird somit nicht oder nur sehr unvollständig von der Flüssigkeit benetzt.

• Für = 180° tritt der Fall absoluter Unbenetzbarkeit ein.

• Für = 0° wird der Festkörper durch die Flüssigkeit vollständig benetzt. Die Flüssigkeit breitet sich als dünner Film auf der Festkörperoberfläche aus. Dieser Vorgang wird auch als Spreitung bezeichnet.

[DOER94]

Abbildung 2.3: Benetzbarkeit und Randwinkel [MEY05]

2.2.3. Eigenschaften der Kontaktwinkelmessung

Ein Problem bei der Kontaktwinkelmessung ist dessen Abhängigkeit von der Rauheit, Heterogenitäten und adsorbierten Fremdstoffen aus der Kunststoffoberfläche.

Auf einer ideal glatten und homogenen Oberfläche ist der Gleichgewichtsrandwinkel bei einer makroskopischen oder mikroskopischen Betrachtung gleich groß. Dies verhält sich bei einer real rauen Oberfläche jedoch anders, weshalb die Oberflächenfehler so gering wie möglich gehalten werden sollten.

Abbildung 2.4: schematische Darstellung einer aufgerauten Oberfläche bei der Messung des Kontaktwinkels [DOER94]

2.3. Chemische Verbindungstechnik

Klebstoffbegriff nach DIN 16 920:

„Ein Klebstoff ist ein nichtmetallischer Stoff, der Fügeteile durch Flächenhaftung (Adhäsion) und innere Festigkeit (Kohäsion) verbinden kann.“

Klebstoffe gehören zur Gruppe der hochpolymeren Werkstoffe. Sie treten in Form der Duromere, Elastomere und Thermoplaste auf.

Klebstoffe dienen der Verbindung, Dämpfung, der Energieaufnahme, der Kraftübertragung, der Abdichtung, sowie der Leitung von Wärme, Licht und Elektrizität. [SCHL04]

2.3.1. Klebstoffarten

Die Unterteilung von Klebstoffen erfolgt meist in Reaktionsklebstoffe und physikalisch härtende Klebstoffe.

Bei physikalisch aushärtenden Klebstoffen findet keine chemische Reaktion bei der Aushärtung statt, da die Polymere bereits im Ausgangszustand vollständig gebildet vorliegen. [DEL02]

In der Praxis haben sich folgende Ordnungsprinzipien für Klebstoffe eingebürgert:

• Chemische Basis des Klebstoffes

• Abbindemechanismus der Klebstoffschicht

• Polymerart der ausgehärteten Klebstoffschicht

[SCHL04]

2.3.2. Wirkprinzipien des Klebens

Die Haftung eines Klebstoffes basiert auf dem Zusammenspiel von Kohäsions- und Adhäsionskräften. Wobei die Kräfte zwischen den Klebstoff- und Bauteilmolekülen als Adhäsionskräfte und die zwischen den einzelnen Klebstoffmolekülen untereinander als Kohäsion bezeichnet werden. [DEL02]

2.3.2.1. Adhäsion

Unter dem Begriff Adhäsion versteht man die Gesetzmäßigkeiten der Haftung von Klebstoffschichten.

Unterschieden werden in der Praxis zwei Arten:

• Spezifische Adhäsion
  zwischenmolekulare Kräfte im Grenzschichtbereich;
  chemische Bindung zwischen Klebstoffmolekülen und Bauteilatomen bzw. Oberflächenmolekülen;
  thermodynamische Vorgänge wie z.B. Benetzungskräfte;
  Diffusionsvorgänge;

• Mechanische Adhäsion
  Klebschichtverklammerung in Hinterschneidungen;
  Vergrößerung der adhäsiven Wirkfläche durch Optimierung der Rauheit;
  Anlösen oder Anquellen der Bauteiloberfläche durch den Klebstoff zur Erreichung einer diffusionsartigen Molekülverklammerung zwischen Klebstoff und Bauteilwerkstoff;
  Mikroverklammerung durch Reaktion von definiert aufgetragenen Schichten mit dem Klebstoff;

In der Praxis spielt die mechanische Adhäsion eine geringere Rolle als die spezifische Adhäsion, da der spezifischen Adhäsion chemische Wechselwirkungen zugrunde liegen.

Die Beschaffenheit der zu verklebenden Oberflächen hat einen großen Einfluss auf die Adhäsion. Vor der Verklebung muss immer eine Reinigung der Oberfläche erfolgen, damit Verunreinigungen wie Trennmittel, Lötstopplacke, Silikone oder Hilfsstoffe aus vorangegangenen Bearbeitungsschritten die Benetzung durch den Klebstoff nicht behindern und damit den Aufbau von chemischen bzw. mechanischen Wechselwirkungen unterbinden. Diese Vorbehandlungsmaßnahmen dienen der Erhöhung der Adhäsionskräfte. [DEL02]

2.3.2.2. Kohäsion

Unter Kohäsion versteht man Kräfte, die den Zusammenhalt der Klebstoffbestandteile untereinander bestimmen. Die Kohäsion charakterisiert sowohl die Zähigkeit des Klebstoffs bei der Verarbeitung, als auch die Festigkeit nach der Aushärtung des Klebstoffes.

Zur exakten Beschreibung werden folgende Wechselwirkungen herangezogen:

• Die Anziehung benachbarter Moleküle und Atome aufgrund zwischenmolekularer und kovalenter Kräfte

• Die mechanische Verknäulung fadenförmiger Moleküle oder faseriger Stoffbestandteile

[DEL02]

Abbildung 2.5 gibt einen Überblick über die Wirkungsweise von Kohäsion und Adhäsion in einem Klebstoff, der zwischen zwei Bauteilen aufgetragen wurde. Es ist deutlich erkennbar, wie die Kohäsionskräfte in der Mitte das „Klebstoffknäuel“ zusammenhalten und durch die Adhäsion eine Verzahnung mit der Oberfläche erreicht wird.

Abbildung 2.5: Darstellung der Kohäsion und Adhäsion in einer Verklebung [DEL02]

2.3.2.3. Kohäsions- und Adhäsionsarbeit

Kohäsionsarbeit muss aufgewendet werden, um ein einphasiges System zu trennen. Die Kohäsionsarbeit ist definiert als die doppelte Oberflächenenergie des flüssigen Klebstoffes :

⁴ [2.8]

da die zu verklebenden Oberflächen meist Festkörper sind, gilt für diese die folgende Gleichung für die Kohäsionsarbeit:

⁵ [2.9]

mit = Oberflächenenergie des Bauteils.

Die Adhäsionsarbeit ist definiert als die Arbeit, die aufgewendet werden muss, um zwei unterschiedliche Phasen voneinander zu trennen. [DEL02]

2.3.2.4. Benetzungsverhalten von Klebstoffen

Eine gute Benetzung der Oberfläche mit dem Klebstoff ist Voraussetzung dafür, dass sich die Bindungskräfte zwischen Klebstoff und Bauteiloberfläche ausbilden können.

Deshalb sollte folgender Grundsatz bei jeder Verklebung eingehalten werden:

„Die Oberflächenspannung des Klebstoffes muss kleiner sein als die des zu benetzenden Bauteils.“

Damit dieser Grundsatz gilt, müssen die beteiligten Molekül- bzw. Atomverbände bis zu einen Abstand von 0,1 nm bis 1 nm angenähert werden. Nur bei diesem Abstand laufen die Wechselwirkungen zwischen den anziehenden und abstoßenden Dipolen.

Ob eine gute oder schlechte Benetzung vorliegt zeigen folgende Voraussetzungen:

gute Benetzung:

• Benetzungswinkel ist klein

• Die Oberflächenspannung

• Adhäsionsarbeit > Kohäsionsarbeit

schlechte Benetzung:

• Benetzungswinkel ist groß

• Die Oberflächenspannung

• Adhäsionsarbeit < Kohäsionsarbeit

2.3.2.5. Wichtige Eigenschaften von Klebstoffen

2.3.2.5.1. Viskosität

Das Fließverhalten ist ein entscheidendes Auswahlkriterium für den zu verwendenden Klebstoff.

Ein Klebstoff soll das Bauteil gut benetzen und in vorhandene Oberflächenvertiefungen vollständig eindringen. Dadurch sollten möglichst niederviskose Klebstoffe mit geringer Oberflächenspannung verwendet werden.

Die wichtigste Größe zur Betrachtung von Klebstoffen ist die dynamische Viskosität , die folgendermaßen definiert ist:

⁶ [2.10]

wobei die Schubspannung und die Scherrate bedeuten;

im Vergleich zu Wasser mit zeigen Klebstoffe ein nichtnewtonsches Fließverhalten, dem keine Gesetzmäßigkeit zugrunde liegt. Es ist vielmehr von folgenden Punkten abhängig:

• Nichtlineares Verhältnis von Scherspannung zu Scherrate

• Zeitabhängkeit der Viskosität, d.h. mit zunehmender Scherdauer bei konstanter Scherrate ändert sich die Viskosität

• Viskoelastisches Verhalten, d.h. der Klebstoff weist zusätzlich zu seinem viskosen Fließverhalten die Fähigkeit auf, mechanische Energie kurzzeitig zu speichern.

[DEL02]

2.3.2.5.2. Thixotropie

Thixotrope Klebstoffe sind dadurch gekennzeichnet, dass sie nach dem Auftrag auf die Oberfläche nicht mehr undefiniert zerfließen.

Während der Scherung ändert sich die molekulare Struktur des Klebstoffs. Die thixotropierenden Agglomerate werden in Abhängigkeit von der Zeit und der Scherrate immer wieder getrennt, bis die Thixotropiewirkung aufgehoben und ein konstanter Wert erreicht wird. Wenn keine Scherung mehr wirkt, bilden sich die getrennten Agglomerate zeitabhängig wieder aus. Je größer die Ausbildung dieser neuen Agglomerate, desto höher die Viskosität. [DEL02]

2.3.3. Klebbarkeit von Kunststoffoberflächen

Die folgende Tabelle soll einen Überblick geben, welchen Einfluss eine Vorbehandlung (z.B. die Plasmaaktivierung) auf die zu verklebenden Oberflächen von verschiedenen Kunststoffarten hat.

Tabelle 2.1 : Klebbarkeit von Kunststoffen

Die Tabelle zeigt qualitativ, wie stark der Einfluss einer Vorbehandlung ist. Bis auf wenige Ausnahmen (in diesem Beispiel PC, ABS und PVC) ist eine Verklebung ohne vorausgegangene Vorbehandlung nicht möglich, bzw. wird die Funktion der Verklebung stark beeinträchtigt. [SCHL04]

2.4. Kunststoffe

2.4.1. Allgemeines

Es gibt ein Vielzahl von unterschiedlichen Kunststoffen, die synthetisch hergestellt werden.

Kunststoffe lassen sich in folgende Gruppen einteilen:

• Thermoplaste bestehen aus langen linearen Molekülen. Sie sind die am häufigsten in der Technik verwendeten Kunststoffe;
  sie sind lös- und schmelzbar.

• Duroplaste sind Polymere, die in einem Härtungsprozess aus einer Schmelze oder einer Lösung der Komponenten durch Vernetzungsreaktionen entstehen. Dieser irreversible Vorgang wird hauptsächlich durch Erhitzen oder über Oxidationsmittel erreicht. Erwärmung führt bei diesen Kunststoffen nicht zu einer plastischen Verformung. Duroplaste sind hart und spröde.

• Elastomere sind Kunststoffe die aus allen Arten von vernetztem Kautschuk bestehen. Diese Vernetzung erfolgt meist durch Vulkanisierung mit Schwefel. Elastomere sind weitmaschig vernetzt und sehr flexibel. Beim Erwärmen erweichen sie nicht.

[WIKI]

2.4.2. Polyethylen und Polypropylen

PE und PP zählen zur Gruppe der Polyolefine. Dies sind teilkristalline Thermoplaste, die sich durch gute chemische Beständigkeit und elektrische Isolationseigenschaften auszeichnen.

Es sind zwei Formen von PE gebräuchlich:

• HD-PE: high density, d.h. es liegt eine lineare Struktur vor

• LD-PE: low density, d.h. die Strukturen sind verzweigt

Die chemische Zusammensetzung von PE ist folgende:

Abbildung 2.6: vereinfachte Darstellung von PE aus Ethen [WIKI]

Polypropylen PP ist ein teilkristalliner, weitgehend unpolarer Thermoplast mit folgender chemischer Zusammensetzung:

Abbildung 2.7: chemische Formel von PP [WIKI]

Seine Eigenschaften sind denen von PE sehr ähnlich.

2.4.3. Acrylnitril-Butadien-Styrol

Dieser Kunststoff gehört zur Gruppe der Styrol-Polymerisate. Durch das Zusammenwirken der verschiedenen am Aufbau beteiligten Komponenten Styrol, Butadien und Acrylnitril bilden sich Kunststoffe mit weit gestreuten Eigenschaften.

ABS wird hauptsächlich in der galvanischen Oberflächenbehandlung verwendet.

Der Kunststoff besitzt je nach Art der Zusammensetzung der drei verwendeten Komponenten hohe Festigkeiten und Zähigkeiten. ABS besitzt ein amorphes Gefüge folgender chemischer Zusammensetzung:

Abbildung 2.8: chemische Formel für ABS [WIKI]

2.4.4. Polymethylmethacrylat

Es werden technisch zwei Arten dieses Kunststoffes unterschieden:

• Hochmolekulares, gegossenes PMMA

• Niedermolekulares, spritzgegossenes PMMA

Es sind amorphe Thermoplaste mit geringer Wasseraufnahme.

Die chemische Zusammensetzung ist folgende:

Abbildung 2.9: chemische Formel für PMMA [WIKI]

2.4.5. Polybutylenterephthalat

Dieser Kunststoff gehört der Gruppe der linear, gesättigten Polyester an. Die Thermoplaste von PBT zählen zu den Konstruktionskunststoffen, da sie gute Masshaltigkeit bieten. Desweiteren besitzt PBT gute Gleit- und Verschleißbedingungen, sowie gute thermische Eigenschaften.

PBT ist ein teilkristalliner Kunststoff mit geringer Feuchtigkeitsaufnahme, mit folgender chemischer Zusammensetzung:

Abbildung 2.10: chemische Formel von PBT [POL02]

2.4.6. Polycarbonat

Dieser Kunststoff vereint die Eigenschaften von Metall, Glas und Kunststoffen, wie z.B. Steifigkeit, Schlagzähigkeit, Transparenz, Dimensionsstabilität, gute Isoliereigenschaften und Wärmebeständigkeit in einem Werkstoff. Verbunden mit den vielfältigen Verarbeitungsmöglichkeiten wird dieser Kunststoff in der Technik sehr häufig verwendet.

Das Gefüge ist weitgehend amorph und unverzweigt mit geringer Kristallisationsneigung. PC zählt zu den Thermoplasten.

Der chemische Aufbau ist in folgender Abbildung 3-dimensional dargestellt:

Abbildung 2.11: 3-dimensionale Darstellung von PC chemisch [HEL89]

2.5. Prüfmethoden

2.5.1. Kontaktwinkelmessung

Abbildung 2.12 zeigt das Messprinzip zur Ermittlung des Kontaktwinkels mit einem Kontaktwinkelmessgerät. Es zeigt das Goniometer mit der verstellbaren Skala (gekennzeichnet durch die Doppelpfeile) zur Ausrichtung des Striches auf den Winkel zwischen dem Flüssigkeitstropfen und der Oberfläche. Der Messwert kann direkt auf dem Winkelmesser abgelesen werden.

Abbildung 2.12: Messprinzip zur Ermittlung des Kontaktwinkels mittels eines Kontaktwinkelmessgerätes [DOER94]

2.5.2. Zugscherprüfung

Für die Zugscherprüfung wird die DELO-Norm 39 verwendet, die an die DIN 54451 angelehnt ist. Diese Norm stellt eine Ergänzung der DIN EN 1465 dar, um Proben mit 6 mm Dicke prüfen zu können.

Abweichend von der DIN EN 1465 sind folgende Änderungen in der DELO-Norm 39 hinterlegt:

• Probendicke 4 mm

• Überlappungsbereich der beiden Zugproben: 5 mm

• Prüfkraft 80 kraftgeregelt

• Vorkraft von 100 N

• Vorkraftgeschwindigkeit 1 mm/s

Die Zugkraft wird parallel zur Klebefläche und zur Hauptachse der Probe aufgebracht und bis zu deren Bruch langsam erhöht.

Die Messanordnung verdeutlicht folgende Abbildung:

5 mm

Abbildung 2.13: Überlappungsbereich der Zugproben für die Zugscherprüfung

Das Ergebnis, die Zugscherfestigkeit , wird über die Bruchkraft nach folgender Gleichung ermittelt:

⁷ [2.11]

in dieser Gleichung bedeuten die gemessene Höchstkraft bzw. Bruchkraft und die Klebefläche; = 5 mm und = 20 mm.

2.5.3. Gitterschnitttest

Um die Lackhaftung zu überprüfen wird die Gitterschnittmethode angewandt.

Dieses Verfahren beruht auf der DIN EN ISO 2409.

Der Gitterschnitt ist eine empirische Prüfung zur Beurteilung von ein- und mehrschichtigen Lackierungen.

Den Mechanismus der Gitterschnittprüfung veranschaulicht folgendes Schema:

	Teilbild 1   Teilbild 2     Teilbild 3

Abbildung 2.15 Schema zur Enthaftung bei Mehrschneidprüfgerät [GOL02]

Teilbild 1: In der Ausgangsphase liegt das Gitterschnittgerät auf der Oberfläche. Der Indentor ist ein Teil der Schneidvorrichtung.

Teilbild 2: in der Eindringphase dringen die Schneiden in die Lackschicht ein und verursachen Ritzen in dieser Schicht.

Teilbild 3: in der Ablösungsphase ist die Schneide bis auf das Grundmaterial vorgedrungen. Bei diesem Vorgang wird die Lackschicht komplett durchtrennt.

Zur Auswertung des Gitterschnitts wird ein Klebeband definierter Haftkraft (Tesafilm) auf die zu prüfende Oberfläche geklebt und mit möglichst gleichmäßiger Abzugsgeschwindigkeit abgezogen. Durch Vergleich mit den Bildern der Abbildung 2.15 werden die Gitterschnittkennwerte Gt0 bis Gt5 vergeben. [GOL02]

Die Auswertung erfolgt gemäß folgendem Schema:

Abbildung 2.15: Auswertungsschema für Gitterschnittprüfung [GPL02]