4. Ergebnisse

In diesem Kapitel werden die Ergebnisse der drei Untersuchungsmethoden so aufbereitet, um Erkenntnisse über die Materialabhängigkeit der Plasmaaktivierung, die Abhängigkeit der Aktivierung von der Behandlungsdauer, sowie der Weiterverarbeitung nach der Plasmabehandlung (Kleben und Lackieren) zu gewinnen.

Aufgeteilt ist die Betrachtung in Kontaktwinkelmessung, Zugscherprüfung und Gitterschnitttest.

4.1. Ergebnisse der Kontaktwinkelmessung

Durch die unterschiedlichen Behandlungszeiten (untersucht wurden Aktivierungszeiten von 20 Sekunden, 2 Minuten, 10 Minuten und 20 Minuten) wird die Oberflächenenergie stark verändert. Dieser Sachverhalt kann mit Hilfe der Kontaktwinkelmessung dargestellt werden. Eine hohe Oberflächenenergie ist für eine gute Haftung von Klebstoffen und Lacken unumgänglich.

Da bei der Plasmaaktivierung auch die Werkstoffoberfläche von PE, PP, PC, PMMA, ABS und PBT verändert wird, zeigen sich Auswirkungen auf das Benetzungsverhalten von Wassertropfen.

In dieser Arbeit wurde ein Tropfen aus destilliertem Wasser mit einer Spritze und dünner Kanüle auf die Kunststoffoberfläche aufgebracht und optisch vermessen.

Zur besseren Darstellung wurde aus den 5 Einzelmessungen der Mittelwert gebildet. Dieser Mittelwert wurde mit dem Mittelwert der gleichartig behandelten Probe zusammengefasst. Dieser zweite Mittelwert ist in der Tabelle, sowie den Abbildungen zu sehen (für weitere Erläuterungen siehe Kap. 3.3)

Tab 4.1: Mittelwerte der Einzellmessungen des Kontaktwinkels

Die in der Tabelle dargestellten Kontaktwinkel werden im folgenden grafisch gegenübergestellt. Dabei wird der Kontaktwinkel (y-Achse) über die Auslagerungsdauer für jeden einzelnen Kunststoff (x-Achse) dargestellt.

In dieser Betrachtung sollen Erkenntnisse über die Abhängigkeit der Plasmaaktivierung von der Behandlungsdauer (im vorliegenden Fall 4 Behandlungszeiten) gewonnen werden.

Die Abbildungen sind nach Kunststoff geordnet, beginnend bei PE, über PP, PC, PMMA, ABS bis zu PBT. Die erste Abbildung bei jedem Kunststoff zeigt die Ergebnisse der Kontaktwinkelmessung für Proben, welche in PE-Beuteln gelagert wurden. Die zweite Abbildung zeigt den Einfluss von UV auf die aktivierte Oberfläche, da die Proben in Alufolie gelagert wurden.

Abbildung 4.1: Gegenüberstellung der Kontaktwinkelmessergebnisse über die Zeit bei PE für das Auslagerungsmedium PE-Beute

PE-Proben, die in PE-Beuteln gelagert wurden, zeigen keine Abhängigkeit der Plasmaaktivierung von den untersuchten Behandlungszeiten. Dies zeigt sich in den nahezu identischen Werten des Kontaktwinkels nach der Aktivierung.

Über den Auslagerungszeitraum von einem Tag bis zu 4 Wochen steigt der Wert des Kontaktwinkels an. Abweichungen von dem theoretisch zu erwartenden kontinuierlichen Anstieg liegen in den Oberflächenveränderungen durch den Herstellungsprozess, sowie in der optischen Auswertung des Kontaktwinkels begründet. (vgl. hierzu Kap. 4.4 und Erläuterungen bei Abbildung 4.7)

Die theoretischen Überlegungen treffen bei einer Aktivierungszeit von 30 Sekunden zu. Die Oberflächenenergie wird bei dieser kurzen Behandlungszeit nur geringfügig verändert. Dies erklärt den geringen Wert des Kontaktwinkels nach der Aktivierungsdauer, sowie den Anstieg über den untersuchten Auslagerungszeitraum von 4 Wochen.

Abbildung 4.2: Gegenüberstellung der Kontaktwinkelmessergebnisse über die Zeit bei PE für das Auslagerungsmedium Alufolie

Bei der Auslagerung von PE-Proben in Alufolie wird deutlich, dass UV keinen erkennbaren Einfluss auf die plasmaaktivierte Oberfläche hat. Dies wird an den identischen Werten des Kontaktwinkels im Vergleich zu den Betrachtungen bei Abbildung 4.1 deutlich. Aufgrund dieser Tatsache gilt das für Abbildung 4.1 Dargelegte auch hier.

Abbildung 4.3: Gegenüberstellung der Kontaktwinkelmessergebnisse über die Zeit bei PP für das Auslagerungsmedium PE-Beutel

PP zeigt, dass es mit einem O₂-Plasma nicht zufriedenstellend zu aktivieren ist. Dies wird an den hohen Werten des Kontaktwinkels nach der Aktivierung deutlich.

Es ist ebenfalls keine Abhängigkeit der Plasmaaktivierung von der Behandlungsdauer erkennbar, da die Werte nach der Aktivierung, sowie über den untersuchten Auslagerungszeitraum im Rahmen der Messungenauigkeit nahezu identisch sind (vgl. hierzu Kap. 4.4 und die Erläuterungen bei Abbildung 4.7)

Abbildung 4.4: Gegenüberstellung der Kontaktwinkelmessergebnisse über die Zeit bei PP für das Auslagerungsmedium Alufolie

Bei Auslagerung von PP-Proben in Alufolie zeigt sich, dass UV keinen erkennbaren Einfluss auf die plasmaaktivierte Oberfläche hat. Dies liegt darin begründet, dass PP mit einem O₂-Plasma nicht zu aktivieren ist.

Die dargestellten Werte des Kontaktwinkels entsprechen nahezu denen der Proben die in PE-Beuteln ausgelagert wurden. Aus diesem Grund gilt das dort Gesagte auch hier.

Auffällig ist, dass bei den 30 Sekunden aktivierten Proben der Wert des Kontaktwinkels über den Auslagerungszeitraum leicht abfällt. Da dieser Abfall jedoch im Bereich von 5° liegt, kann hier von einem Messfehler gesprochen werden und nicht von einem UV-Einfluss (vgl. hierzu Kap. 4.4, sowie Erläuterungen bei Abbildung 4.7)

Abbildung 4.5: Gegenüberstellung der Kontaktwinkelmessergebnisse über die Zeit bei PC für das Auslagerungsmedium PE-Beutel

PC zeigt, wie PE und PP zuvor, keine Abhängigkeit der Plasmaaktivierung von der Behandlungsdauer.

Über den untersuchten Auslagerungszeitraum steigt der Wert des Kontaktwinkels an.

Ebenfalls auffällig sind die Werte der 30 Sekunden aktivierten Proben. Diese zeigen einen Abfall des Kontaktwinkels im Auslagerungszeitraum von ein bis zwei Wochen. Da sich diese Abweichung im Bereich von 5° bewegt, kann hierbei von einem Messfehler gesprochen werden (vgl. hierzu Kap. 4.4 und Erläuterungen bei Abbildung 4.7)

Abbildung 4.6: Gegenüberstellung der Kontaktwinkelmessergebnisse über die Zeit bei PC für das Auslagerungsmedium Alufolie

UV zeigt bei den gelagerten PC-Proben keinen Einfluss auf die aktivierte Oberfläche. Die Werte des Kontaktwinkels sind im Rahmen der Messungenauigkeit (vgl. hierzu Kap. 4.4 und Erläuterungen bei Abbildung 4.7) denen der Proben, welche in PE-Beuteln gelagert wurden sehr ähnlich. Der Abfall des Kontaktwinkels bei den 30 Sekunden aktivierten Proben zeigt sich wie zuvor in Abbildung 4.5 auch hier, weshalb die Behauptung des Messfehlers noch untermauert wird.

Abbildung 4.7: Gegenüberstellung der Kontaktwinkelmessergebnisse über die Zeit bei PMMA für das Auslagerungsmedium PE-Beutel

PMMA lässt sich mit einem O₂-Plasma nicht so gut aktivieren wie PC, ABS und PBT. Dies wird an den höheren Werten des Kontaktwinkels nach der Aktivierung im Vergleich zu den Werten der übrigen untersuchten Kunststoffe deutlich.

Es ist ebenfalls erkennbar, dass PMMA keine Abhängigkeit der Plasmaaktivierung von der Behandlungsdauer zeigt, wie die Werte des Kontaktwinkels nach der Aktivierung anschaulich darstellen. Diese Aussage wird durch die Tatsache untermauert, dass der Wert des Kontaktwinkels der 30 Sekunden aktivierten Proben auf dem gleichen Niveau liegt, wie die Werte der 20 Minuten, 10 Minuten und 2 Minuten aktivierten Proben.

Der Abfall des Kontaktwinkels über den Auslagerungszeitraum wiederspricht den theoretischen Erwartungen. Dies kann mit den veränderten Wechselwirkungen der Oberfläche mit dem Wassertropfen erklärt werden. Der Wert des Kontaktwinkels ist sehr stark vom Dreiphasengleichgewicht (Oberfläche, Flüssigkeit und Luft) abhängig. Da die Messungen in einem Chemielabor während der dort stattfindenden chemischen Versuche durchgeführt wurden, ändert sich die Zusammensetzung der Laborluft. Aufgrund dieser Änderung einer Komponente des Dreiphasengleichgewichts ändert sich wiederum der Kontaktwinkel, was sich wiederum auf das Messergebnis auswirkt.

Abbildung 4.8: Gegenüberstellung der Kontaktwinkelmessergebnisse über die Zeit bei PMMA für das Auslagerungsmedium Alufolie

UV zeigt bei PMMA-Proben keinen erkennbaren Einfluss auf die Auslagerung plasmaaktivierter Oberflächen. Die Werte des Kontaktwinkels sind denen aus Abbildung 4.7 ähnlich, weshalb die dort getroffenen Aussagen auch hier zutreffend sind.

Abbildung 4.9: Gegenüberstellung der Kontaktwinkelmessergebnisse über die Zeit bei ABS für das Auslagerungsmedium PE-Beutel

ABS zeigt ebenfalls keine Abhängigkeit der Plasmaaktivierung von der Behandlungsdauer, da die Werte des Kontaktwinkels nach der Aktivierung sehr dicht beieinander liegen.

ABS zeigt mit Ausnahme der 30 Sekunden aktivierten Proben einen kontinuierlichen Anstieg der Kontaktwinkelwerte über den untersuchten Auslagerungszeitraum von 4 Wochen. Dies entspricht den theoretischen Vorüberlegungen.

Die Schwankungen bei den 20 Minuten und 30 Sekunden aktivierten Proben lassen sich auf die bei diesem Kunststoff recht zahlreichen Oberflächenveränderungen bei der Herstellung, sowie die bereits zu Abbildung 4.7 (siehe dort) dargelegten Erläuterungen zurückführen.

Abbildung 4.10: Gegenüberstellung der Kontaktwinkelmessergebnisse über die Zeit bei ABS für das Auslagerungsmedium Alufolie

Werden ABS-Proben in Alufolie gelagert, so zeigen die Werte des Kontaktwinkels keinen Einfluss von UV auf die aktivierte Oberfläche über den untersuchten Auslagerungszeitraum.

Die großen Schwankungen der Werte bei den 10 Minuten und 20 Minuten aktivierten Proben traten bereits zuvor bei den PE-Beutel Proben (vgl. Abbildung 4.9) auf. Erklärt werden kann dies aufgrund von Herstellungs- und Messfehlern (vgl. hierzu Kap.4.4 und Erläuterungen bei Abbildung 4.7)

Abbildung 4.11: Gegenüberstellung der Kontaktwinkelmessergebnisse über die Zeit bei PBT für das Auslagerungsmedium PE-Beutel

PBT zeigt wie zuvor ABS, dass die Werte des Kontaktwinkels den theoretischen Überlegungen sehr nahe kommen.

Der Anstieg des Wertes des Kontaktwinkels bei allen Behandlungszeiten über den Auslagerungszeitraum verläuft bei den 10 Minuten, 2 Minuten und 30 Sekunden Proben stetig. Eine Ausnahme von diesem Anstieg wird bei den 20 Minuten aktivierten Proben sichtbar. Diese lässt sich auf einen Messfehler zurückführen, der in den Erläuterungen zu Abbildung 4.7 ausführlich diskutiert wurde.

Abbildung 4.12: Gegenüberstellung der Kontaktwinkelmessergebnisse über die Zeit bei PBT für das Auslagerungsmedium Alufolie

Bei Auslagerung der PBT-Proben in Alufolie wird deutlich, dass UV keinen Einfluss auf die aktivierte Oberfläche, sowie deren Lagerung besteht. Vergleicht man die Werte der Abbildungen 4.11 und 4.12 wird deutlich, wie nahe diese beieinander liegen.

Über den Auslagerungszeitraum von 4 Wochen gehen die Werte des Kontaktwinkels, wie in den theoretischen Überlegungen vermutet, nach oben. Diese Tatsache gilt bei PBT für alle Behandlungszeiten.

In den folgenden Abbildungen soll die Materialabhängigkeit der aktivierten Oberflächen über den Auslagerungszeitraum dargestellt werden. In dieser Betrachtung wird der Kontaktwinkel aller untersuchten Kunststoffe bei einer Behandlungszeit gegenübergestellt.

Da in den Betrachtungen zuvor kein UV-Einfluss auf die aktivierte Oberfläche festzustellen war, werden im Folgenden nur die Werte des Kontaktwinkels der Proben dargestellt, welche in PE-Beuteln gelagert wurden. Dies kommt dem Vorgehen in der Praxis deutlich näher.

Abbildung 4.13: Gegenüberstellung der Kontaktwinkel über den Auslagerungszeitraum bei einer Aktivierungsdauer von 20 Minuten bei allen untersuchten Kunststoffen

Abbildung 4.13 zeigt die untersuchten Kunststoffe, welche 20 Minuten plasmabehandelt wurden.

Es zeigt sich, dass das Material (in dieser Betrachtung PE, PC, ABS und PBT) keine Abhängigkeit der plasmaaktivierten Oberfläche zeigt. Dies wird an den dicht beieinanderliegenden Werten des Kontaktwinkels deutlich.

Ebenfalls bestätigt sich, dass PP und PMMA mit einem O₂-Plasma nicht zufriedenstellend zu aktivieren sind. Die Werte dieser beiden Kunststoffe liegen deutlich über denen der übrigen Kunststoffe.

Des weiteren wird erkennbar, dass die Werte des Kontaktwinkels über den Auslagerungszeitraum ansteigen, was die Vorüberlegungen bestätigt. Abweichungen von diesem Anstieg lassen sich auf Herstellungs- und Messfehler zurückführen (vgl. hierzu Kap. 4.4 und die Erläuterungen bei Abbildung 4.7).

Abbildung 4.14: Gegenüberstellung der Kontaktwinkel über den Auslagerungszeitraum bei einer Aktivierungsdauer von 10 Minuten bei allen untersuchten Kunststoffen

Werden die untersuchten Kunststoffe bei 10 Minuten Aktivierungszeit gegenübergestellt, so zeigt sich, dass die Werte des Kontaktwinkels für PE, PC, ABS und PBT sehr nahe beieinander liegen. Somit zeigt sich auch bei einer Aktivierungszeit von 10 Minuten keine Materialabhängigkeit der Plasmaaktivierung.

Bestätigt wird jedoch die Nichtaktivierbarkeit von PP und PMMA durch ein O₂-Plasma.

Schwankungen der Werte lassen sich auf Herstellungs- und Messfehler (vgl. hierzu Kap. 4.4 und Erläuterungen bei Abbildung 4.7) zurückführen.

Abbildung 4.15: Gegenüberstellung der Kontaktwinkel über den Auslagerungszeitraum bei einer Aktivierungsdauer von 2 Minuten bei allen untersuchten Kunststoffen

Werden die untersuchten Kunststoffproben 2 Minuten aktiviert, so zeigt sich, wie zuvor bei den Betrachtungen zu den 10 Minuten und 20 Minuten aktivierten Proben, dass keine Materialabhängigkeit der aktivierten Oberfläche gegeben ist.

ABS und PBT bestätigen sehr gut die theoretischen Vorüberlegungen, da die Werte des Kontaktwinkels kontinuierlich ansteigen.

Ebenfalls wird erkennbar, dass der Wert des Kontaktwinkels nach der Aktivierung bei PE, PC, ABS und PBT um 5 – 10° höher liegen. Bei dieser geringen Änderung kann jedoch nicht von einer Abhängigkeit der Aktivierung von der Behandlungszeit gesprochen werden, sondern von einem Messfehler (vgl. hierzu auch die Erläuterungen zu den Abbildungen 4.1 bis 4.12)

PP und PMMA zeigen auch bei dieser Aktivierungszeit, dass sie mit einem O₂-Plasma nicht zu aktivieren sind.

Die Schwankungen der Werte können auf Herstellungs- und Messfehler zurückgeführt werden (vgl. hierzu Kap. 4.4 und Erläuterungen bei Abbildung 4.7).

Abbildung 4.16: Gegenüberstellung der Kontaktwinkel über den Auslagerungszeitraum bei einer Aktivierungsdauer von 30 Sekunden bei allen untersuchten Kunststoffen

Werden die unterschiedlichen Kunststoffproben 30 Sekunden aktiviert, so zeigt sich, dass die Werte des Kontaktwinkels sehr nahe beieinander liegen. Durch die geringe Behandlungszeit ändert sich die Oberflächenenergie bei allen betrachteten Kunststoffen nur in sehr geringem Umfang. Des weiteren wird die Werkstoffoberfläche nicht in dem hohen Masse verändert, wie bei den 2 Minuten, 10 Minuten und 20 Minuten aktivierten Proben. Dies wirkt sich auf das Benetzungsverhalten des Wassertropfens aus. In Folge dessen ergibt sich ein höherer Kontaktwinkel.

PP bestätigt auch hier, dass es mit einem O₂-Plasma nicht zu aktivieren ist. Die Werte des Kontaktwinkels für PMMA bewegen sich bei dieser Aktivierungszeit jedoch auf dem Niveau der übrigen Kunststoffe.

Schwankungen der Werte sind auf Herstellungs- und Messfehler (vgl. hierzu Kap. 4.4 und Erläuterungen bei Abbildung 4.7) zurückzuführen.

4.2. Ergebnisse der Zugscherprüfung

Um die Auswirkungen der Plasmavorbehandlung auf Klebeverbindungen zu untersuchen, wurden unbehandelte, behandelte und gelagerte Proben mit Zwei-Komponenten-Klebstoff der Firma DELO verbunden.

Geprüft wurden diese Klebeverbindungen durch die Zugscherprüfung, die in Kap. 2.5.2 näher erläutert sind.

Für die Verklebungen wurden die beiden gleichartig behandelten und gelagerten Zugstäbe miteinender 5 mm überlappend verklebt (dargestellt in Kap. 2.5.2)

Bei der Zugscherung hat sich gezeigt, dass die bei der Kontaktwinkelmessung aufgezeigten Erkenntnisse hier ihre Bestätigung finden, und so die Vorüberlegungen ebenfalls bestätigt werden.

Proben, die vor der Verklebung in Alufolie ausgelagert wurden, werden in dieser Betrachtung nicht berücksichtigt, da der Klebstoff drei Tage aushärten musste, was an Laborluft geschah. Dadurch sind die Ergebnisse denen der zuvor in PE-Beuteln gelagerten Proben identisch. Ebenso hat sich bereits bei der Kontaktwinkelmessung gezeigt, dass UV keinen erkennbaren Einfluss auf die aktivierte Kunststoffoberfläche hat.

Eine weitere Besonderheit zur Kontaktwinkelmessung stellt die Tatsache dar, dass nur die Kunststoffe PE, PP, PC, ABS und PBT untersucht wurden. Die PMMA-Platten konnten nicht mit den zur Verfügung stehenden Maschinen (Schlagschere und Oberfräse) bearbeitet werden. Aus diesem Grund konnten von den PMMA-Platten keine Zugstäbe hergestellt werden, weshalb dieser Kunststoff für diese Betrachtung nicht zur Verfügung stand.

Vereinzelt wurden die Proben auch gedehnt, ohne dass die Klebeverbindung getrennt wurde. Bei diesen Proben wurde eine grafische Auswertung vorgenommen, um den Anteil des Fehlers nicht im Ergebnis zu minimieren (vgl. hierzu Kap. 4.4).

Tab. 4.2: Ergebnisse der Zugscherprüfung

In den folgenden Betrachtungen wird neben der grafischen Auswertung der Zugscherprüfung auch eine Betrachtung der Bruchfläche durchgeführt. Anhand der Bruchfläche können Rückschlüsse auf die Art des Bruches und daraus resultierender Messfehler abgeleitet werden.

Abbildung 4.17: Gegenüberstellung der Ergebnisse der Zugscherprüfung bei PE

PE zeigt, dass eine Aktivierung mit einem O₂-Plasma eine geringfügige Erhöhung der Zugscherfestigkeit bringt, wie die Werte der nicht aktivierten Proben im Vergleich zu den gelagerten Proben zeigen.

Abgesehen von den starken Schwankungen der Werte wird der Trend erkennbar, dass mit zunehmender Auslagerungszeit die Zugscherfestigkeit merklich abnimmt. Die Abnahme der Zugscherfestigkeit findet ihre Entsprechung auch bei der Kontaktwinkelmessung (vgl. hierzu die Erläuterungen bei Abbildung 4.1). Mit der Erhöhung des Kontaktwinkels geht eine Erniedrigung der Oberflächenenergie einher, die sich auf die physikalischen Wechselwirkungen der Oberfläche mit den Klebstoffteilchen auswirkt. Diese Aussage konnte während der Messung wahrgenommen werden, da die Zwick-Zugprüfmaschine den Bruch der Klebeverbindung, aufgrund der geringen Adhäsion, nicht erkennen konnte.

Die großen Schwankungen der Werte rühren daher, dass die Proben nicht nur geschert, sondern auch leicht gedreht wurden. Der Anteil der Drehbewegung fließt ebenfalls in das Endergebnis mit ein. Dies wird ersichtlich, wenn man sich vor Augen führt, dass die Gesamtlänge der beiden Zugstäbe 180 mm betragen hatte, und keine Halterung zur Verfügung stand, die diesen Effekt hätte abmildern können (vgl. hierzu Kap. 3.1.4 und Abbildung 3.7).

Die Bruchfläche für PE ist in Abbildung 4.18 dargestellt. Die Klebefläche (graue Bereiche in der Abbildung) zeigt sehr schön Scherrisse und einen Restgewaltbruch, der auch akustisch durch einen Knall bei der Messung zu hören war.

Abbildung 4.18: Bruchflächen zweier geprüfter Zugstäbe aus PE

Abbildung 4.19: Gegenüberstellung der Ergebnisse der Zugscherprüfung bei PP

PP bestätigt die zuvor bei der Kontaktwinkelmessung getroffenen Erkenntnisse, dass PP mit einem O₂-Plasma nicht zu aktivieren ist.

Die Werte der Zugscherfestigkeit bewegen sich im Bereich von 3 MPa, was praktisch keiner Adhäsion entspricht. Dies konnte während der Messung ebenfalls festgestellt werden, da die Trennung der Klebeverbindung bei keiner Probe von der Zwick-Prüfmaschine erkannt wurde. Die dargestellten Werte in Abbildung 4.19 wurden grafisch aus dem Prüfprotokoll.

Die Nichtaktivierbarkeit von PP zeigt sich auch bei der Betrachtung der Klebefläche. Wie in Abbildung 4.20 dargestellt, sind nur noch am rechten oberen Rand Reste des grauen Klebstoffes zu sehen, die übrige Klebstofffläche hat sich komplett von der Kunststoffoberfläche gelöst. Bei einigen Proben, wo die Klebefläche noch auf einer Seite zu finden war, löste sich diese bei entsprechender Drehung der Probe komplett ab. Aufgrund dieser Feststellungen wird deutlich, dass die Vorbehandlung keine Auswirkung auf die PP-Oberfläche hatte und somit die Klebstoffteilchen keine Verbindung mit der Oberfläche eingehen konnten.

Abbildung 4.20: Bruchflächen zweier geprüfter Zugstäbe aus PP

Abbildung 4.21: Gegenüberstellung der Ergebnisse der Zugscherprüfung bei PC

Bei PC wurde bei allen Proben der Bruch der Klebeverbindung von der Zwick-Prüfmaschine erkannt.

Unter Berücksichtigung der 9 MPa Zugscherfestigkeit der nicht plasmabehandelten Proben zeigt sich, dass die Aktivierung mit O2-Plasma nur geringe Auswirkungen auf Klebbarkeit des Materials hat. Ebenfalls deutlich wird dieser Sachverhalt über den untersuchten Auslagerungszeitraum. Über diesen ändern sich die Zugscherfestigkeitn nur in einem Bereich von 3 MPa.

Die großen Schwankungen der Werte lassen sich auf die leichte Drehbewegung der Probe während der Messung zurückführen.

Die Bruchfläche der Proben (Abbildung 4.22) zeigte Spuren einer Abscherung, sowie eines Gewaltbruches. Dieser Gewaltbruch der Klebefläche konnte während der Messung durch einen lauten Knall akustisch wahrgenommen werden.

Abbildung 4.22: Bruchflächen zweier geprüfter Zugstäbe aus PC

Abbildung 4.23: Gegenüberstellung der Ergebnisse der Zugscherprüfung bei ABS

ABS zeigt über den untersuchten Auslagerungszeitraum eine Abnahme der Zugscherfestigkeit. Nach einer Lagerdauer von 4 Wochen ist praktisch bei allen untersuchten Aktivierungszeiten keine Adhäsion mehr vorhanden.

Die Plasmaaktivierung bringt eine Verbesserung der Adhäsion. Diese Steigerung nimmt jedoch mit zunehmender Auslagerung ab, was die theoretischen Vorüberlegungen unterstreicht.

Schwankungen in den Werten können auf die während der Messung erfolgte Drehbewegung der beiden geklebten Zugstäbe zurückgeführt werden.

ABS zeigt bei der Zugscherprüfung eine Besonderheit. Die bereits angesprochene Verbesserung der Adhäsion der Klebeverbindung durch die Plasmaaktivierung zeigte, dass bei einigen Proben anstatt der Klebefläche das Material gebrochen ist. Dies zeigt in Abbildung 4.24 der linke tiefschwarze Balken. Dieser stellt den Teil der Probe dar, der an Stelle der Klebeverbindung gebrochen ist. Würde der tiefschwarze Balken auf die rechte Seite geklappt fände er seine Entsprechung auf dieser Seite des Zugstabes. Aufgrund dieser Tatsache gelten die dargestellten Messwerte nicht für die Klebeverbindung, sondern für das Grundmaterial ABS selbst.

Abbildung 4.24: Bruchflächen zweier geprüfter Zugstäbe aus ABS

Abbildung 4.25: Gegenüberstellung der Ergebnisse der Zugscherprüfung bei PBT

PBT zeigt in dieser Vergleichsreihe der Kunststoffe die höchsten Zugscherfestigkeiten. Im nicht aktivierten Zustand besitzt der Kunststoff praktisch keine Adhäsion. Durch die Aktivierung mit O₂-Plasma steigen die Zugscherfestigkeiten bei allen Aktivierungszeiten sehr deutlich von 2 MPa auf über 30 MPa an.

PBT folgt ebenfalls den theoretischen Vorüberlegungen, indem die Zugscherfestigkeiten über den untersuchten Auslagerungszeitraum kontinuierlich absinken. Nach 4 Wochen Auslagerung wird jedoch im Vergleich zu den übrigen Kunststoffen dieser Untersuchungsreihe noch eine Zugscherfestigkeit von 20 MPa erreicht, was für eine sehr gute Adhäsion und eine sehr gute Plasmaaktivierung spricht.

Die Bruchfläche zeigt keine Anzeichen eines Scherbruches, sondern nur einen Gewaltbruch. Da dieser einseitig beginnt, wurde dieser Bruch durch die Drehbewegung ausgelöst, was in Abbildung 4.26 sehr gut an der rechten mittigen tiefschwarzen Fläche zu erkennen ist, die von links außen in die Mitte der Probe verläuft.

Abbildung 4.26: Bruchflächen zweier geprüfter Zugstäbe aus PBT

In den folgenden Betrachtungen werden die untersuchten Kunststoffe bei einer Aktivierungszeit gegenübergestellt, um Erkenntnisse zwischen der Zugscherfestigkeit und dem verwendeten Material aufzuzeigen.

Um bei der bisherigen Systematik zu bleiben, werden auch in dieser Betrachtung nur die Proben diskutiert, die vor der Verklebung in PE-Beuteln gelagert wurden.

Abbildung 4.27: Gegenüberstellung der Zugscherfestigkeit über den Auslagerungszeitraum bei einer Aktivierungsdauer von 20 Minuten bei allen untersuchten Kunststoffen

Abbildung 4.27 zeigt die Zugscherfestigkeiten der untersuchten Kunststoffe bei einer Aktivierungszeit von 20 Minuten.

In dieser Abbildung wird deutlich, dass PBT durch die Aktivierung mit einem O₂-Plasma sehr gut aktiviert werden kann, was sich sehr gut auf die Adhäsion auswirkt und infolgedessen sehr hohe Zugscherfestigkeiten erreicht werden.

Eine ebenfalls gute Adhäsion über den Auslagerungszeitraum zeigen PC und ABS. PE zeigt in dieser Gegenüberstellung eine geringe Zugscherfestigkeit, was für eine geringe Adhäsion steht. Bei PP belegen die Daten, dass bei diesem Kunststoff keine Adhäsion vorhanden ist.

Abbildung 4.28: Gegenüberstellung der Zugscherfestigkeit über den Auslagerungszeitraum bei einer Aktivierungsdauer von 10 Minuten bei allen untersuchten Kunststoffen

Abbildung 4.28 zeigt, dass bei einer Aktivierungszeit von 10 Minuten keine Verbesserung der Adhäsion sichtbar wird. Die ermittelten Zugscherfestigkeiten sind denen der 20 Minuten aktivierten Proben ehr ähnlich. Dies zeigt, wie bereits bei der Kontaktwinkelmessung festgestellt wurde, dass keine Abhängigkeit zwischen Plasmaaktivierung und Behandlungsdauer festzustellen ist.

Weiterhin zeigt sich, dass die verschiedenen Kunststoffe über den Lagerungszeitraum von 4 Wochen eine zurückgehende Zugscherfestigkeit zeigen, was für eine Abnahme der Adhäsion steht.

Abbildung 4.29: Gegenüberstellung der Zugscherfestigkeit über den Auslagerungszeitraum bei einer Aktivierungsdauer von 2 Minuten bei allen untersuchten Kunststoffen

Abbildung 4.29 zeigt, dass bei einer Aktivierungszeit von 2 Minuten keine Verbesserung der Adhäsion im Vergleich zu den 10 Minuten und 20 Minuten aktivierten Proben sichtbar wird. Dies zeigt, wie bereits bei der Kontaktwinkelmessung festgestellt wurde, dass keine Abhängigkeit zwischen der Plasmaaktivierung und der Behandlungsdauer festzustellen ist.

Abbildung 4.30: Gegenüberstellung der Zugscherfestigkeit über den Auslagerungszeitraum bei einer Aktivierungsdauer von 30 Sekunden bei allen untersuchten Kunststoffen

Abbildung 4.30 bestätigt die zuvor bei den Abbildungen 4.27 bis 4.29 angesprochenen Sachverhalte sehr gut. Die Adhäsion liegt auch bei dieser geringen Aktivierungszeit auf dem gleichen Niveau wie bei den Proben, die für längere Zeit mit dem Plasma aktiviert wurden.

Die Aktivierungszeit hat somit keine Auswirkungen auf die Adhäsion der Klebeverbindung.

4.3Ergebnisse des Gitterschnitttests

In Tabelle 4.3 sind die Ergebnisse des Gitterschnitttest zusammengestellt. Bei den dargestellten Werten handelt es sich um die Mittelwerte aus den jeweiligen Einzelmessungen. Durch die Mittelwertbildung wurde eine Rundung der Ergebnisse durchgeführt, was vereinzelt zu einer höheren Einstufung der Proben führt. Da diese „Rundungsfehler“ in einem Bereich größer Gt2 stattfinden, spielt dieser Fehler in der vorliegenden Betrachtung nur eine untergeordnete Rolle. In der Praxis gelten Gitterschnittkennwerte von Gt0 bis Gt1 als akzeptabel, liegen diese Kennwerte über Gt2, so ist die Lackhaftung nicht ausreichend für technische oder dekorative Anwendungen.

Die Werte lassen nur Aussagen über die Lackhaftung des verwendeten Airbrushlack zu.

Übertragbar sind die Ergebnisse auf die in der Praxis eingesetzten Lacksysteme nur begrenzt. Die Ergebnisse zeigen jedoch eine Tendenz auf, wie sich die Haftung über die Auslagerung plasmaaktivierter Kunststoffoberflächen verändert.

Tab. 4.3: Mittelwerte der Gitterschnittprüfung

Die folgenden Abbildungen zeigen die Gitterschnittkennwerte bei einer Aktivierungsdauer. Die Kennwerte sind auf der y-Achse dargestellt, die x-Achse repräsentiert die Auslagerungszeit.

Abbildung 4.31: Gegenüberstellung der Gitterschnittkennwerte aller Kunststoffe bei der Aktivierungszeit 20 Minuten

Bei den vor der Lackierung für 20 Minuten aktivierten Proben zeigt sich, dass mit zunehmender Auslagerung die Gitterschnittkennwerte im praktisch nicht akzeptablen Bereich liegen. Große Haftungsverluste zeigen sich bei PE, PP, ABS und PBT über den betrachteten Auslagerungszeitraum.

Proben, die im unbehandelten Zustand keine Lackabplatzungen zeigten, zeigten auch über den betrachteten Auslagerungszeitraum keine erkennbare Verschlechterung der Haftung, d.h. die Werte lagen unter Gt2. Dies deutet darauf hin, dass die Lackhaftung nicht von der Behandlungsdauer abhängt.

Abbildung 4.32: Gegenüberstellung der Gitterschnittkennwerte aller Kunststoffe bei der Aktivierungszeit 10 Minuten

In dieser Gegenüberstellung bestätigen sich die zum Teil bei den vor dem Verkleben für 20 Minuten aktivierten Proben (Abbildung 4.31) festgestellten Gitterschnittkennwerte.

Bei den ausgelagerten Kunststoffen liegen weniger Proben im nicht akzeptablen Bereich über Gt2. bei ABS bestätigt sich die Tatsache, dass mit zunehmender Auslagerung der behandelten Oberfläche die Haftung zurückgeht. Dies entspricht den theoretischen Vorüberlegungen.

Abbildung 4.33: Gegenüberstellung der Gitterschnittkennwerte aller Kunststoffe bei der Aktivierungszeit 2 Minuten

Bei den vor der Verklebung 2 Minuten aktivierten Proben zeigt sich, dass die Lackhaftung bei den gelagerten Proben teilweise besser wird, wie die Gitterschnittkennwerte zeigen, die im Bereich von Gt2 liegen.

Bei dieser Aktivierungszeit zeigte sich ebenfalls, wie bei den Betrachtungen zuvor, (Abbildung 4.31 und 4.32), dass dieselben Kunststoffe Lackabplatzungen über den Auslagerungszeitraum zeigten. Durch diese Tatsache lässt sich erkennen, welche Kunststoffe besser mit dem verwendeten Lacksystem behandelt werden können und welche nicht.

Abbildung 4.34: Gegenüberstellung der Gitterschnittkennwerte aller Kunststoffe bei der Aktivierungszeit 30 Sekunden

Bei dieser Aktivierungsdauer bestätigen sich die Erkenntnisse, die bei der Kontaktwinkelmessung zuvor getroffen wurden. Ebenso zeigt sich, wie bei den theoretischen Vorüberlegungen angedacht, dass über die Lagerdauer die Stabilität der Aktivierung zurückgeht, was sich auf die Lackhaftung negativ auswirkt. Dies ist an den hohen Gitterschnittkennwerten bei den 3 und 4 Wochen ausgelagerten Proben erkennbar.

Die Ergebnisse der Gitterschnittprüfung zeigen, dass die untersuchten Kunststoffe mit dem verwendeten Airbrushlack lackiert werden können.

Abhängigkeiten zwischen der Lackierbarkeit und der Aktivierungsdauer sind für jeden in dieser Arbeit untersuchten Kunststoff verschieden (vgl. hierzu die Erläuterungen zu Abbildungen 4.31 bis 4.34).

Vergleicht man die Gitterschnittkennwerte der gelagerten Proben mit den nicht vorbehandelten Proben, so ist bei PE und PBT eine Verbesserung zum einen durch die Plasmaaktivierung, als auch durch eine kurze Lagerdauer feststellbar.

Sehr gut lackierbar mit dem verwendeten Airbrushlack sind die Kunststoffe PC und PMMA.

Keinen erkennbaren Vorteil bringt die Wahl des Auslagerungsmediums. Die Kennwerte der Proben, welche in PE-Beuteln gelagert wurden, sind denen der Proben, welche in Alufolie gelagert wurden, sehr ähnlich. Die Schwankungen bewegen sich im Rahmen der Messgenauigkeit, da die Kennwerte optisch durch Vergleich mit der Kennwerttabelle ermittelt wurden.

Die folgende Abbildung zeigt eine Vergrößerung des Bereiches auf dem Zugstab zur Bestimmung des Gitterschnittkennwertes. Diese Vergrößerung stammt von einem PE-Zugstab der für 20 Minuten aktiviert und für eine Wochen ausgelagert wurde. Dieser Ausschnitt zeigt einen von drei auf der Probe verteilten Gitterschnitte zur Bestimmung des Gitterschnittkennwertes. Sehr gut erkennbar sind die Furchen durch die Schneiden, sowie die Späne des Grundmaterials, die nicht durch den Tesafilm mit abgezogen wurden. Für die Bestimmung des Gitterschnittkennwertes wurde eine Lupe verwendet, ebenso wurde der Tesafilm mit in die Ermittlung des Kennwertes mit einbezogen.

Abbildung 4.35: Vergrößerung eines PE-Zugstabes zur Bestimmung des Gitterschnittkennwertes

4.4Probleme bei der Versuchsdurchführung

Wie bereits in den Betrachtungen bei der Kontaktwinkelmessung, der Zugscherprüfung und des Gitterschnitttest angesprochen, traten einige markante Punkte auf. Die festgestellten Abweichungen haben ihre Ursache in der nicht glatten, ebenen Oberfläche der Zugproben.

Da die Kunststoffe in Form von Platten angeliefert wurden, mussten aus diesen die für die Untersuchungen notwendigen Zugstäbe hergestellt werden. Die Herstellung gliederte sich in 2 Teilschritte. Erstens wurden die großen Platten mit der Schlagschere in die Größe gebracht, die für die Oberfräse günstig war. Aus diesen verkleinerten Platten wurden im zweiten Schritt die Zugstäbe gefräst.

Durch die nicht veränderbare Vorschubgeschwindigkeit der Fräse wurden die Kunststoffe durch diesen Prozess unterschiedlich stark beansprucht. Des weiteren blieben bei PE, PP, PC und ABS Späne an den Proben haften. Die Entfernung der Späne erfolgte in warmem Wasser, ohne Spülmittelzusatz. Durch Spülmittelzusatz wären die Kontaktwinkelmessergebnisse verfälscht worden, wie Vorversuche gezeigt haben. Getrocknet wurden die Proben mit einem handelsüblichen Geschirrtuch.

Durch die zuvor beschriebenen Maßnahmen wird deutlich, weshalb die Oberfläche Riefen und Kratzer aufwies. Da die Kontaktwinkelmessung sehr empfindlich auf Oberflächeneunebenheiten reagiert (erläutert in Kap. 2.2.3), ergeben sich große Schwankungen der 5 Messtropfen, die auf die Probe aufgebracht wurden.

Sehr gut sind die sehr zahlreich auftretenden Riefen und Kratzer auf der Kunststoffoberfläche in den beiden Abbildungen erkennbar.

Abbildung 4.36: Kratzer und Dellen auf einem gefrästen ABS-Zugstab

Abbildung 4.37 : Kratzer auf einem gefrästen ABS-Zugstab

Für die Zugscherfestigkeit wurden die Schultern der Zugstäbe 5 mm überlappend verklebt.

Der Übergang von der Zugscherung in den Dehnungsbereich des Kunststoffes ist sowohl im Diagramm, als auch optisch in Form der Einschnürung erkennbar. Diese Besonderheit wurde durch manuelle Auswertung des Messprotokolls minimiert. Dieser Sachverhalt geht jedoch in die Versuchsergebnisse mit ein.

Abbildung 4.38: Dehnung eines Zugstabes von ABS bei der Zugscherprüfung

Bei ABS trat die Besonderheit auf, dass das Material selbst an der Klebefläche gebrochen ist, so dass bei diesen Proben der Bruch des Materials angegeben ist, und nicht der Bruch der Klebeverbindung, da diese weiterhin intakt ist. Die folgende Abbildung zeigt die Draufsicht auf die Draufsicht auf die Bruchfläche, die im oberen Teil leicht grau zu erkennen ist. Schwarz eingefärbt darunter ist der andere Zugstab. Am rechten Rand in der Mitte ist ein Wulst aus Klebstoff zu sehen, der durch das Zusammendrücken der beiden Kunststoffhälften erzeugt wurde.

Abbildung 4.39: Bruchfläche eines ABS-Zugstabes der Zugscherprüfung