Innovative Kunststoff-Veredelung dank Plasmatechnologie

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Die gezielte Modifizierung von Kunststoffoberflächen mit Hilfe plasmagestützter Verfahren hat in den letzten Jahrzehnten immer mehr an Bedeutung gewonnen. Diese Art der Oberflächenveredelung von Kunststoffprodukten bietet hochwertige, umweltverträgliche und kostengünstige Lösungen, um das Einsatzspektrum von Kunststoffen gezielt zu erweitern.

Ende September lud das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen zu einer Fachtagung mit dem Titel „Oberflächentechnik – Kunststoffe innovativ veredeln“ ein. 34 Teilnehmer nutzten die Gelegenheit und profitierten vom aktuellen Themen-Know-how der Experten aus Industrie und Forschung.

Die Behandlung von Oberflächen mit einem Plasma atmosphärischer Entladungen direkt vor dem Beschichten, Drucken und Kleben ist heute eine weit verbreitete industrielle Methode zur Verbesserung der Haftung von Beschichtungen. Die Plasmatechnologie bietet heute sowohl im Vakuum als auch bei Normaldruck vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, die von der Feinstreinigung über die Plasma-Aktivierung von Kunststoffteilen vor dem Verkleben oder Lackieren bis hin zur Koronabehandlung von Bahnware vor dem Bedrucken oder der Barrierebeschichtung von PET-Flaschen reichen.

Etablierte Technik für neue Werkstoffe

Im Vortrag von Dipl.-Ing. Karim Bahroun vom Institut für Kunststoffverarbeitung an der RWTH Aachen ging es zum Beispiel um die Barrierebeschichtung verschiedener Flaschenmaterialien – auch vor dem Hintergrund der Tatsache, dass neben der Verwendung von PET für Getränkeverpackungen der Trend hin zu alternativen Kunststoffen wie PLA (Polylactid) oder PP (Polypropylen) stetig wächst. Während die plasmagestützte Flascheninnenbeschichtung bei PET-Flaschen eine längst etablierte Technologie ist, musste ihre Eignung für die beiden aufstrebenden Werkstoffe PLA und PP erst untersucht werden. Inzwischen hat sich gezeigt, dass die mikrowellenangeregte Plasmapolymerisation zur Barrierebeschichtung der Getränkeflaschen gut geeignet ist. Durch die Beschichtung können für die Materialien PLA und PP Durchlässigkeiten für Sauerstoff und Kohlendioxid in der Größenordnung einer unbeschichteten PET-Flasche erreicht werden, ebenso für das Prozessgas Ethin. Hohe Leistungen und hohe Masseflüsse führen bei allen untersuchten Flaschen zu einer hohen CO2-Barriere.

Die Vorbehandlung von PLA lässt sich direkt in den Plasmapolymerisationsprozess integrieren. Für eine erfolgreiche Beschichtung reicht eine kurze Sauerstoffvorbehandlung. Um eine thermische Schädigung des PLA zu vermeiden, muss der Beschichtungsprozess jedoch durch vergleichsweise lange Pausen unterbrochen werden, was sich durch den Einsatz von thermisch beständigerem Polyactid erübrigen würde.

PP hingegen benötigt eine Vorbehandlung zur Aufbringung haftfester Plasmapolymerschichten. Durch die Verwendung eines NF-Plasmas in einer externen Anlage ließe sich eine sehr gute Schichthaftung erzeugen, so Bahroun. Aufgrund hoher Dehnungen des Polypropylens versagten die Barriereschichten jedoch bei Druckbeaufschlagung der Flasche. PP-Flaschen werden aber ohnehin nicht für karbonisierte Getränke, sondern eher für Saft, Milch oder stilles Wasser eingesetzt. Daher kann eine unzulässig hohe Dehnung während des Produktlebenszyklus vermieden werden.

Was den relativ raschen Fortschritt der Entwicklungen im Bereich Getränkeverpackungen betrifft, wurde auf PET-Flaschen verwiesen: So mussten Flaschen der ersten Generation noch mit einem zusätzlichen Boden versehen werden, da sich PET im Streckblasprozess zunächst nicht mit einem standfesten Boden herstellen ließ.

Besondere Anforderungen für Folien

Dr. Klaus Vissing vom Fraunhofer-Institut für Fertigung und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Bremen referierte zum Thema „Hartelastische plasmapolymere Schichten“. Folien mit einer Funktionsbeschichtung haben aufgrund ihrer Verarbeitungsbedingungen besondere Anforderungen an eben diese Funktionsbeschichtung: Sie müssen besonders flexibel sein, eine geringe Rissneigung aufweisen, gut haften und transparent sein. Die Eigenspannung soll gering, das Beschichtungsverfahren sicher und preisgünstig sein.

Entwicklungsarbeiten am IFAM haben gezeigt, dass ein ionengestütztes Plasmabeschichtungsverfahren genau diesen Anforderungen gerecht werden kann. Diverse Versuche haben bewiesen, dass ionengestützte Verfahren geeignet sind, abrasionsfeste und hochflexible Beschichtungen zu erzeugen. Die Flexibilität soll so hoch sein, dass auch die Beschichtung von Kunststofffolien möglich wird, die anschließend in den verschiedenen Verfahren der Kunststoffverarbeitung weiter verwendet werden können. In Zusammenarbeit mit dem IKV wurden bereits erste Hinterspritzversuche vorgenommen, um die Anwendungsmöglichkeiten dieser Funktionsbeschichtung in der Kunststoffverarbeitung aufzeigen zu können.

Qualitätssicherung noch schwierig

Es war nicht zuletzt die Einführung von Normaldruckverfahren, die ohne (teure) Vakuumtechnik auskommen, welche bessere Rahmenbedingungen für den Einsatz der Plasmaverfahren schuf. Diese Verfahren konnten sich inzwischen in vielen Bereichen der Schicht- und Oberflächentechnologie etablieren. Weitere Beispiele neben den schon genannten sind der Plasma-Einsatz im Nieder- und Normaldruckverfahren bei der Klebung von Thermoplasten, in der Textilbranche, bei Medizinprodukten wie Kontaktlinsen oder der Funktionalisierung pharmazeutischer Primärverpackungen. Eine weitere Verbreitung der Plasmaprozesse in der Kunststoffverarbeitung wird derzeit noch oftmals durch fehlende Möglichkeiten einer Online-Prozessüberwachung gehemmt. Im IKV wurden zwar bereits umfangreiche Untersuchungen zum Prozessmonitoring vorgenommen, aber Plasmaprozesse im Allgemeinen werden von einer Vielzahl verschiedener Parameter beeinflusst. An dem weiteren Aufbau effektiver Methoden zur Qualitätssicherung wird derzeit kräftig geforscht.