Oberflächen Plasmaschicht optimiert Kunststoffe für Bedrucken und Verkleben

Anbieter zum Thema

Murtfeldt Kunststoffe GmbH & Co. KG

GGB Heilbronn GmbH

Heraeus AMLOY Technologies GmbH

In einem Forschungsprojekt von Alpo Medizintechnik, Tigres und dem Forschungsinstitut Innovent e.V. wurde eine Atmosphärendruck-Plasmabeschichtung für dielektrische Materialien entwickelt.

Kunststoffe oder auch Polymere zeichnen sich durch viele gute Eigenschaften aus, die ihnen eine breite Anwendung in technischen und medizinischen Bereichen ermöglichen. Je nach eingesetztem Material gehören dazu die sehr gute chemische Beständigkeit, ihr geringes Gewicht, gute Reibungseigenschaften und eine hohe Korrosionsbeständigkeit. Bei der Weiterverarbeitung von Kunststoffen, wie etwa durch Kleben oder Bedrucken, sorgen ihre unpolaren Eigenschaften und die daraus resultierende geringe Benetzbarkeit in der Praxis aber für Schwierigkeiten. Die Industrie sucht deshalb immer wieder Möglichkeiten, um die Haftungseigenschaften von Polymeroberflächen zu verbessern. Dabei will man aber möglichst auf lösemittelbasierte Vorbehandlungsverfahren, wie Primern oder auf den Einsatz von umwelt- und gesundheitsgefährdenden Ätzmitteln verzichten – deshalb braucht es Alternativen. Hier kommt nun das Atmospährendruckplasma-Beschichten ins Spiel.

Wissenschaftler des Forschungsverbundes ist es nämlich gelungen, einen Atmosphärendruck-Plasmabeschichtungsprozess zu etablieren, über den sich haftvermittelnde Dünnschichten mit einem hohen Anteil an funktionellen chemischen Gruppen (etwa Aminogruppen) an der Oberfläche von Kunststoffen applizieren lassen, was Verkleben, Bedrucken oder auch Lackieren erleichtert, wie es heißt. Das Herzstück des neuartigen Plasmaprozesses bildet das kommerziell verfügbare T-Jet-Plasmasystem der Tigres GmbH (Aufmacherbild). Bei diesem System wird eine elektrische Coronaentladung zwischen zwei Elektroden im Inneren des Plasmakopfes erzeugt und durch einen Luftstrom auf das zu behandelnde Werkstück geleitet. Wegen der relativ kalten Plasmaentladung wärmen sich die Oberflächen auf höchstens 80 °C auf, sodass sich der Prozess auch für thermisch sensible Kunststoffe eignet, wie die Beteiligten erklären.

Flourkunststoff-Oberflächen besser benetzbar machen

Über geeignete Dosiersysteme und Plasmadüsen lassen sich außerdem noch chemische Vorläufersubstanzen in das Plasma einbringen und dünne Plasmapolymerschichten auf der Werkstückoberfläche abscheiden. Die Beschichtungsbreite mit einem Plasmamodul liegt in der Größenordnung von 40 bis 60 Millimetern. Flächige Beschichtungen ließen sich über ein Abrastern der Bauteiloberfläche erreichen. Im Rahmen der Forschungsarbeiten erfolgten die Prozessentwicklungen mit Blick auf die Kunststoffe PTFE (Teflon) und PMMA (Acrylglas) und an für die Medizintechnik relevanten Schlauchmaterialien aus FEP (Fluorethylenpropylen) und PTFE mit Coextrudierten Wolfram-Röntgenkontrast-Streifen oder HDPE (High Density Polyethylen). Die Kunststoffschläuche sind nicht zuletzt ein Bestandteil von vaskulären Medizinprodukten (etwa arterielle Katheter), die über Klebeprozesse in Kunststoffverbinder integriert werden. Im Falle der Fluorpolymere ist nach bisherigen Stand der Technik eine ausreichende Haftung außerdem nur dann gewährleistet, wenn der Schlauch über zusätzliche Metallhülsen im Verbinder fixiert wird. Erfolge der Plasmabeschichtungsprozess etwa mit dem chemischen Vorläufer 3-Aminopropyltriethoxysilan (APTES), so ließen sich silikatische (glasartige) Plasmapolymerschichten applizieren, die viel Stickstoff ins Spiel bringen, der Oberflächen funktionalisiert. Diese Dünnschichten führen zu einer besseren Benetzbarkeit der Kunststoffe – je nach Substratart und Schichtdicke bis zu superhydrophilen (wasseranziehenden) Eigenschaften. Auch konnte in Analysen eine gute Beständigkeit der Stickstofffunktionalitäten im Vergleich zu einer Wasserbeanspruchung nachgewiesen werden.

Praxistest beweisen Tauglichkeit der Plasmabehandlung

Eine gezielte Anpassung der Oberflächeneigenschaften der Kunststoffsubstrate ermöglicht demnach signifikante Haftungssteigerungen mit Blick auf Verklebungen – etwa auf Epoxidharz- oder Acrylatbasis. An PMMA-Stahl-Verbundmaterialien, die über einen 2-K-Epoxidharz-Konstruktionsklebstoff aufgebaut wurden, ließen sich außerdem Haftfestigkeiten im Druckschertest bis in den Bereich der Eigenfestigkeit des PMMA erreichen, wie man betont. Im Fall von PTFE wurde die Scherfestigkeit des Klebeverbundes von 0,1 MPa auf 8 bis 9 MPa erhöht. Durch zusätzliches mechanisches Anrauen des PTFE – beispielsweise über Strahlprozesse – ließ sich die Scherfestigkeit sogar auf bis zu 13 MPa steigern.

Ein Verbund aus FEP-Schlauch und ABS Verbinder, für den künftigen Einsatz in der Medizintechnik, wurde durch die Verklebung mit einem zertifizierten Cyanacrylatklebstoff aufgebaut. Durch den Beschichtungsprozess – aber auch mit einer optimierten Plasmaaktivierung – konnte die nach DIN EN ISO 10555-1 geforderte Mindestzugkraft von 10 Newton zuverlässig erfüllt und reproduzierbar übertroffen werden. Ebenso wurde die Sterilisierbarkeit der Verbundproben nachgewiesen, was sowohl mittels Dampfsterilisation als auch Ethylenoxidsterilisation funktioniert, wobei die Haftungswerte nahezu unverändert blieben. Selbiges gelte bei einer Langzeitbelastung der Verklebung im Klimaschrank bei erhöhter Temperatur von 85 °C und 50 % relativer Luftfeuchtigkeit, was einer geforderten Lagerbarkeit der vaskulären Medizinprodukte von mindestens 5 Jahren entspricht.

Direktverbindungen mit schwer benetzbaren Kunststoffen

Außer dem Fluorkunststoff-Schlauchmaterial FEP konnten in dem Entwicklungsprojekt auch bei den ebenfalls getesteten PTFE- und HDPE-Schläuchen, die gestellten Haftungsanforderungen durch den Plasmaprozess erfüllt werden. Zukünftig ist damit bei schwer zu verklebenden Polymeren die Möglichkeit gegeben, von einem einfacheren Aufbau von Medizinprodukten über Direktverklebungen zu profitieren.

Die durch den Plasmaprozess erzielten Oberflächeneigenschaften bieten aber auch noch Vorteile bei der Bedruckbarkeit der Schläuche. Die bessere Benetzbarkeit gehe dabei mit einem klaren Druckbild der mittels Tintenstrahldruck aufgebrachten Messskalen und Beschriftungen einher.

Ein weiterer positiver Effekt betrifft die Haftung der Tinten auf den Kunststoffen, denn die verbessert sich. Und außer für Kunststoffe ist der Plasmabeschichtungsprozess allgemein auch bei anderen dielektrischen Materialien wie Glas, Keramik, Holz und Textilien anwendbar. In parallellaufenden Forschungsarbeiten ergaben sich beispielsweise Synergien bei der verbesserten Lackhaftung auf harzreichen Hölzern oder der Pulverlackhaftung auf Flachglas, wie es dazu heißt. Insgesamt öffne der neuartige Beschichtungsprozess viele Applikationsmöglichkeiten für die Industrie.

(ID:50133350)