Vorbehandeln – aber wie?

Im Produktionsprozess müssen Kunststoffe häufig bedruckt, lackiert oder verklebt werden. Um hier eine gute Benetzbarkeit oder Haftung zu erzielen, werden die Oberflächen entsprechend vorbehandelt. Früher wurde das häufig mechanisch oder chemisch gelöst. Im Zuge einer stärkeren ökologischen Betrachtung gewannen aber auch physikalische Methoden, wie Beflammung oder Korona- oder Plasmabehandlung, stark an Bedeutung. Eine interessante Alternative zu den herkömmlichen physikalischen Verfahren ist die Oberflächen-Aktivierung mit UV-Licht und Ozon.

Bei der UV-Vorbehandlung von Oberflächen werden Speziallichtquellen eingesetzt, die in der Lage sind, hohe Strahlungsanteile im niederwelligen Spektralbereich unterhalb von 200 nm zu generieren. In Frage kommen hierfür UV-Excimer-Strahler der Wellenlänge 172 nm oder UV-Hg-Niederdruckstrahler mit den Emissionswellenlängen 185 und 254 nm. Niederdruck-Lampen des Speziallampen-Herstellers Heraeus Noblelight sind bis zu einer Leistung von 800 W verfügbar, Excimer-Strahler bis 3 kW.

Trifft UV-Strahlung mit einer Wellenlänge von unter 200 nm auf Sauerstoff der Luft, wird Ozon gebildet. In zahlreichen Messreihen konnte nachgewiesen werden, dass die Aktivierung von Kunststoff-Oberflächen durch den Einsatz dieses in situ gebildeten Ozons gefördert wird. In Kombination ist die UV/Ozon-Vorbehandlung also in der Lage, Kunststoffe je nach Art und Zusammensetzung in kurzer Zeit auf höhere Oberflächenenergien zu aktivieren und so eine verbesserte Benetzbarkeit und auch Haftung zu erreichen. Die UV/Ozon-Vorbehandlung ist dabei sehr materialschonend und einfach durchzuführen.

Die beschriebenen Versuche und Messungen wurden im UV Application Competence Center der Heraeus Noblelight in Hanau durchgeführt. Das neue UV-Anwendungszentrum mit moderner Ausstattung – darunter diverse UV-Bestrahlungskammern und ein Kontaktwinkelmessgerät – ermöglicht es, die unterschiedliche Wirkung von UV-Strahlen zu testen und zu messen. Interessenten haben dort die Möglichkeit, spezifische Problemstellungen, von der UV/Ozon-Vorbehandlung bis zur UV-Härtung, -Verklebung und -Lackauftrag, analysieren zu lassen.

UV-Photonen aus dem Wellenlängenbereich zwischen 200 bis 280 nm können wegen ihrer hohen Energie chemische Bindungen im molekularen Netzwerk des Polymers aufbrechen. Die geöffneten Bindungsstellen sind bestrebt, schnellstmöglich wieder einen chemisch stabilen Zustand zu erreichen. Als Reaktionspartner dienen beispielsweise Sauerstoff oder Ozon, das durch UV-Strahlung aus dem Umgebungssauerstoff gebildet wurde. So entstehen neue Verbindungen an der Kunststoffoberfläche. In normaler Umgebungsatmosphäre wurde als Folge von UV-Behandlung die Bildung von Hydroxyl-, Carbonyl- und/oder Carboxylgruppen mittels ATR- und XPS-Messungen nachgewiesen. Die Oberflächen erhalten dadurch einen stärker polaren Charakter, was sich sowohl auf den Kontaktwinkel als auch auf die Oberflächenenergie auswirkt. Eine hohe Oberflächenenergie verbessert die Haftungseigenschaften. Werden verschiedene funktionelle chemische Gruppen an der Oberfläche generiert, kann man auch die aufzubringende Beschichtung gezielt anpassen und so deren Haftung auf der Oberfläche optimieren.