Aktivierung von Kunststoff-Oberflächen durch UV-/Ozon-Vorbehandlung

Eine Frage des Kontaktwinkels

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Vorbehandeln ist angesagt, wenn Kunststoffe bedruckt, lackiert oder verklebt werden sollen. Als Alternative zu klassischen physikalischen Verfahren bietet sich eine UV-/Ozon-Vorbehandlung an, die zu verbesserten Haftungseigenschaften führt.

Die Autoren: Dr. Angelika Roth-Fölsch ist Leiterin des Application Competence Centers, Thomas Lödel Marketingleiter der Heraeus Noblelight GmbH, Hanau

Häufig ist es erforderlich, Kunststoffe zu bedrucken, zu lackieren oder zu verkleben. Um hier eine gute Benetzbarkeit oder Haftung zu erzielen, ist es oft unerlässlich, ihre Oberflächen vorzubehandeln, was in der Vergangenheit meist auf mechanischem oder chemischem Weg erfolgte. Im Zuge eines stärkeren ökologischen Bewusstseins gewannen physikalische Methoden wie Beflammung sowie Korona- oder Plasmabehandlung stark an Bedeutung. Eine Alternative dazu ist die Oberflächen-Aktivierung mit UV-Licht und Ozon.
Wirkprinzip UV-/ Ozon-Aktivierung
UV-Photonen im UV-C Wellenlängenbereich zwischen 200 bis 280 nm sind auf Grund ihrer hohen Energie in der Lage, chemische Bindungen in dem molekularen Netzwerk eines Kunststoffpolymers aufzubrechen. Die geöffneten Bindungsstellen sind bestrebt, schnellstmöglich wieder einen chemisch stabilen Zustand zu erreichen. Als Reak- tionspartner dienen hier beispielsweise der Sauerstoff aus der Atmosphäre oder Ozon, das durch die UV-Strahlung aus dem Umgebungssauerstoff gebildet wurde. Die offenen Bindungen werden aus daraus gebildeten Atomen und Radikalen abgesättigt und es entstehen neue Verbindungen an der Kunststoffoberfläche. Als Folge einer UV-Behandlung lassen sich in normaler Umgebungsatmosphäre die Bildung von Hydroxyl-, Carbonyl- und/oder Carboxylgruppen nachweisen. Durch sie erhalten die Oberflächen einen höheren polaren Charakter, was sich sowohl auf den Kontaktwinkel als auch auf die Oberflächenenergie auswirkt.
Kontaktwinkel als aussagefähige Messgröße
Über die Messung des Kontaktwinkels kann die Effizienz der Vorbehandlung nachgewiesen werden. Er stellt einen physikalischen Wert zur Beschreibung des Benetzungsverhaltens einer Oberfläche dar. Gemessen wird der Kontaktwinkel im Dreiphasenpunkt, das heißt an den Grenzflächen Fest – Flüssig – Gasförmig eines auf die Oberfläche aufgesetzten Wassertropfens.
Ist der Kontaktwinkel größer als 90°, hat sich der Wassertropfen zu einer Kugel zusammengezogen und es erfolgt keine oder nur eine schlechte Benetzung der Oberfläche. Bei einem Kontaktwinkel von 0° ist der aufgebrachte Tropfen komplett auseinander geflossen, es erfolgt eine vollständige Benetzung. Dazwischen spricht man von partieller bis guter Benetzung.
Einige Beispiele für typische Kontaktwinkel (Flüssigkeit/Festkörper: Kontaktwinkel [°]):
  • Wasser/Wolle: 160
  • Quecksilber/Stahl: 154
  • Wasser/Nickel: 27
  • Wasser/Glas: 0.
Mit der Erhöhung der Oberflächenpolarität (Reduzierung des Kontaktwinkels) erhöht sich zudem die Oberflächenenergie, was sich in verbesserten Haftungseigenschaften der Oberflächen auswirkt. Durch die gezielte Generation verschiedener funktioneller chemischer Gruppen an der Oberfläche hat man darüber hinaus die Möglichkeit, die Formulierung der aufzubringenden Beschichtung gezielt anzupassen und so deren Haftung auf der Oberfläche zu optimieren.
Die passende UV-Quelle
Bei der UV-Vorbehandlung von Oberflächen kommen Speziallichtquellen zum Einsatz, die in der Lage sind, hohe Strahlungsanteile im niederwelligen Spektralbereich unterhalb 200 nm zu generieren. In Frage kommen UV-Excimer-Strahler der Wellenlänge 172 nm oder UV-Hg-Niederdruckstrahler mit den Emissionswellenlängen 185 und 254 nm. Niederdruck-Lampen von Heraeus Noblelight sind bis zu einer Leistung von 800 W verfügbar, Excimer-Strahler bis 3 kW.
Trifft UV-Strahlung mit einer Wellenlänge unter 200 nm auf Sauerstoff der Luft, wird Ozon gebildet. In zahlreichen Messreihen konnte nachgewiesen werden, dass die Aktivierung der Kunststoff-Oberflächen durch den Einsatz dieses gebildeten Ozons gefördert wird. In Kombination ist die UV-/Ozon-Vorbehandlung 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 Vorbehandlung ist dabei materialschonend und einfach durchzuführen.
Die Versuche und Messungen wurden im UV-Application Competence Center von Heraeus Noblelight in Hanau durchgeführt. Das Anwendungszentrum mit moderner Ausstattung – darunter diverse UV-Bestrahlungskammern und Kontaktwinkelmessgeräte – ermöglicht es, die unterschiedliche Wirkung von UV-Strahlen zu testen und zu messen. Interessenten können dort spezifische Problemstellungen – von der UV-/Ozon-Vorbehandlung bis zu UV-Härtung, -Verklebung und -Lackauftrag – analysieren lassen.
Heraeus Noblelight; Telefon: 06181 35-5783; E-Mail: angelika.roth- foelsch@heraeus.com
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