Openair -Plasma –Wirkprinzip und industrieller Einsatz · 2009-06-13 · Openair -Plasmabeschichtung Beschichtung auf Aluminium mit unterschiedlichen Schichtdicken zwischen 20 und

AKPlasma-Frühjahrssitzung 2009

Dr. Alexander Knospe

Dipl.-Ing. Christian Buske

Plasmatreat GmbH

Bisamweg 10

33803 Steinhagen

Telefon: + 49 (0) 5204 / 9960 – 15

Fax: + 49 (0) 5204 / 9960 – 33

[email protected]

Openair®-Plasma – Wirkprinzip und

industrieller Einsatz


Die wichtigsten Anwendungsbereiche


Vertrieb und Service

Plasmatreat – weltweit:

Vertretungen:Vertretungen:

BeneluxTaiwanFinnlandSchweizSlowenienSüd KoreaTürkei

Tochterunternehmen:Tochterunternehmen:

Nord Amerika: PlasmaTreat North AmericaFrankreich: PlasmaTreat FranceUK: PlasmaTreat LTD.Japan: Nippon PlasmaTreatSpanien: BGT Oficina Tecnica S. L.Italien: Plasmatreat Italia srlChina: Plasmatreat Shanghai


Gasversorgung (Luft, Stickstoff)

Elektrode

Spannungsversorgung

Entladungszone

Substrat Plasma (je nach Düsenkopf

potentialfrei)

Isolator

Edelstahlgehäuse

Plasma (potentialbehaftet)

Düsenkopf

Blende mit Bohrungen

Openair®-Plasma – Technik


Verfügbare Plasmadüsen

Behandlungsbreite: ca. 0,8 -1,5 cm 3 – 4,5 cm 10-11 cm

Behandlungs-

geschwindigkeit: bis 400 m/min bis 40 m/min bis 30 m/min



Grundaufbau einer Plasmatreat®- Anlage

Generator mit Steuerung

Plasmaüberwachung Hochspannungstrafo

Plasmaerzeuger

Druckluftversorgung

+ Überwachung)



Verschiedene Anwendungen für Openair®-Plasma

� Aktivierung nur oberste Molekülschichten werden beeinflusst(hydrophile Gruppen werden in die Polymerketten eingebaut)

� Reinigung organische Kontaminationen werden entfernt(Oxidation / Verdampfung)

� Beschichtung Abscheidung von Schichten durch Einspeisung von Zusatzstoffen(unterschiedliche Oberflächeneigenschaften möglich)

Kunststoff / Metall / Glas

entfernenorg. Kontaminationnm- bis

µm-Bereich

Kunststoff

aktivieren

nm-Bereich

Kunststoff / Metall / Glas

aufbringenBeschichtungnm- bisµm-

Bereich

Openair®-Plasma


Aktivierung von KunststoffenPlasmavorbehandlung von Türdichtungsprofilen

62

64

66

68

70

72

Oberflächen-

spannung

[mN/m]

16 12 8 418

12

6

Abstand [mm]

Geschwindigkeit

[m/min]

Oberflächenspannung von EPDM nach

Plasmabehandlung

70-72

68-70

66-68

64-6662-64


85

15

0

65

32

2

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Ato

m %

unbehandelt behandelt

PET

C

O

N

XPS – Analyse einer aktivierten PET-Oberfläche

Aktivierung von Kunststoffen

� Geschwindigkeit: 100 m/min

� Düsenabstand: 5 mm

� Einbau von Sauerstoff und Stickstoff in die Polymeroberfläche

Quelle: AIF Projekt 12651 N/1


kCP

S

406 404 402 400 398 396 394

Binding Energy (eV)

NO3

2,0

2,1

2,2

2,3

2,4

2,5

1,9

NO2

NO NOH

C - C

286 284 282 280 278

Binding Energy (eV)

C = O

C - O - C

C - OH

O = C - O

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

kCP

S

288

2

284 282 280 278

C - C

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

kCP

S

Binding Energy (eV)

0

PP: unbehandelt

(Oberflächenenergie: 27,0 mN/m)PP: Plasma behandelt

(Oberflächenenergie bis 72 mN/m)

FraunhoferInstitutFertigungstechnikMaterialforschung



� Geschwindigkeit: 50 m/min

� Düsenabstand: 5 mm

� auch nach 180 Tagen Lagerung nur geringer Abfall der Oberflächenspannung (OS) und des Sauserstoffgehaltes

XPS – Langzeitstabilität einer aktivierten PA6 Oberfläche



12

34

24

60

18

58

18

56

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Ato

m %

unbehandelt 1 d 30d 180 d

PA6

C (%)

O (%)

N (%)

OS (mN/m)


0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

ten

sile

str

eng

ht

[MP

a]

ohne Plasma mit Plasma mit Plasma nach

SWT

PA12

2K-PU

2K-EP

SWT: 1 Woche, 40 °C, 100 %, Luftfeuchtigkeit

2K-PU: Zwei Komponenten Polyurethan

2K-EP: Epoxidharz

� geringe Zugscherfestigkeit ohne Vorbehandlung

� deutliche Steigerung der Zugscherfestigkeit nach Plasmavorbehandlung

� selbst nach einer Woche Schwitzwassertest (SWT) hohe Festigkeiten


Verklebung von Polyamid 12 mit 2K-PU und 2K-Epoxy

Aktivierung von KunststoffenVerklebung


� Verbesserung der Flockhaftung

� Einsatz wasserbasierender Gleitlacke

� keine sichtbare Beschädigung der Oberfläche

� Vorbehandlung ohne Substratkontakt

� kein Abrieb

� auch Vertiefungen können vorbehandelt werden

� geringer Platzbedarf

Aktivierung von KunststoffenEPDM-Profilvorbehandlung vor der Beflockung


� In-Line Plasmavorbehandlung

� Roboter geführt

� Klebstoffauftrag direkt nach Vorbehandlung

Aktivierung von KunststoffenVorbehandlung von PP- Scheinwerfergehäusen


� Effektive Aktivierung

� Verwendung alternativer Klebstoffe

� Hohe Prozessgeschwindigkeit

� Ersatz von Primern

� PUR Klebstoff

Firma Schmitz Cargobull: Vorbehandlung von Großpaneele vor der Verklebung

Quelle: Schmitz Cargobull

Aktivierung von KunststoffenFahrzeugbau


Quelle: Schmitz Cargobull

Aktivierung von KunststoffenFahrzeugbau


Verklebung der inneren Metallmembran des Tanks

� Invar Stahl

� Kontakt mit LNG

� Größtes Ladevolumen: 153500 m3 in vier Tanks

� Hohe Anforderungen an die Dichtigkeit

� Gefahr der Versprödung

Bilder: Ives Guillotin

Aktivierung von KunststoffenSchiffbau – LNG Tanker


Aufbau der Isolierung

Starres TRIPLEX (PP-Glasfaser mit Aluminiumschicht) wird mit Plasma vorbehandelt. Darauf wird flexibles TRIPLEX geklebt.

Aktivierung von KunststoffenSchiffbau – LNG Tanker


Öl

MetallsubstratPlasmatreat®

Kohlenwasserstoffe können von Metallen sehr effizient entfernt werden

Reinigung (Kohlenwasserstoffe) einer Oberfläche durch:

� Verdampfung leicht flüchtiger Komponenten

� Oxidation zu Kohlendioxid und Wasser

Reinigung mit Openair®- Plasma


� PMMA-beschichtete Siliciumwaferwurden mit unterschiedlichen Parametern (Abstand / Geschwindigkeit) behandelt

� hier: Standarddüsekopf

� die Reinigung der Plasmadüsen kann dann anhand des Schichtabtrags verfolgt werden

0

10

20

30

40

50

60

70

0 5 10 15 20

Geschwindigkeit [m/min]

Sch

ich

tab

trag

[n

m]

Abstand 6 mm / 10 mm / 13 mm

Geschwindigkeit 1-20 m/min

Behandlungsbreite 5 mm

Prozessgas Preßluft

Schichtabtrag in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und Düsenabstand

(Ellipsometrie)



Reinigungsprofil - IR-Spektroskopie (IRRAS)

� PMMA-beschichtete Kupferbleche wurden partiell mit dem Plasma gereinigt

� die Standarddüse liefert eine V-förmig gereinigte Spur, die Rotationsdüse ein W-förmiges Profil

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0 5 10 15 20 25 30Position [mm]

Ext

inkt

ion

Abstand [mm] 10 6 4Geschwindigkeit [m/min] 1 1 1

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0 5 10 15 20 25 30Position [mm]

Ext

inkt

ion

Abstand [mm] 10 10 10Geschwindigkeit [m/min] 5 2,5 1



110

116

75

78

48

49

50

57

52

0 20 40 60 80 100 120

Kontaktwinkel

Al

Flamme

Corona

Flamme+Silan

Al+P 30m/min

Al+P 25m/min

Al+P 20m/min

Al+GB450 (sauer)

Al+GBS5160 (basisch)

Beh

and

lun

g

Kontaktwinkelvergleich

chemisch

Plasma

Flame und

Corona

Θ [°]

� Flammen- und Coronavorbehandlung erreichen nicht die Hydrophilie der chemischen bzw. Plasmavorbehandlung.

Quelle: Fa. Nanocraft

Auftrag: Fa. Griesser

Al-Blechreinigung vor dem Coil Coating


48-Düsen-Anlage

24 Plasmadüsen (Vorderseite)

wassergekühlte Walzen

leistungsstarkeAbsaugung

wassergekühlteDüsenhalterungs-

elemente


24 Plasmadüsen(Rückseite)


Vorteile der Plasmareinigung:

� Kein Einsatz von Chemikalien� Nur Druckluft und elektrische Energie notwendig� Inline Prozess� Geringe Betriebskosten� Konversionsschicht benetzt die Oberfläche gut � kaum korrosive Unterwanderung der nachfolgenden

Beschichtung



Gasversorgung (Luft, Stickstoff)

Elektrode

Spannungsversorgung

Entladungszone

Substrat Plasma

Isolator

Edelstahlgehäuse

Plasma (potentialbehaftet)

Precursorgas

Düsenkopf mit seitlichem Einlass

Blende mit Bohrungen

Beschichtung mit Openair PlasmaDie Technik


Openair-Plasmabeschichtung

Beschichtung auf Aluminium mit unterschiedlichen Schichtdicken zwischen 20 und etwa 700 nm

Funktionalitäten:

� hydrophil

� hydrophob

� antikorrosiv

� haftvermittelnd

Substrat:

� Metall

� Glas

� Kunststoffe

Beschichtung mit Openair PlasmaAbscheidung von dünnen Schichten


Öl

BeschichtungMetallsubstrat

Plasmatreat®

Nach der Reinigung erfolgt die Beschichtung der Oberfläche

Beschichtung mit Openair®-PlasmaAbscheidung von dünnen Schichten


Veränderbare Parameter

�Puls-/Pause-Verhältnis�Frequenz �Spannung (Pulshöhe)�Prozessgas (Art und Menge)�Verfahrgeschwindigkeit�Düse-/Substrat-Abstand�Düsenkopf

Zusätzliche Parameter mit Polymerisation

�Precursor (Art und Menge)�Trägergas (Art und Menge)�Polymerisationsdüsenkopf

Beschichtung einer Nutgeometrie mit dem PlasmaPlus Verfahren

Beschichtung mit Openair®-PlasmaParameterraum


Si-O

-OH

-CH3

Si-OH

-CH3

Si-CH3

Si-(CH3)x

C=O

-CH3

Si-CH3

Wellenzahl [cm-1]

Absorp

tion

Absorp

tion


Infrarotspektren verschiedener siliziumorganischer Beschichtungen auf Aluminium

hydrophobe Schicht

hydrophile Schicht


nicht beschichtet (Korrosion)

beschichtet

(keine Korrosion)

Vergrößerung des beschichteten und des nicht beschichteten Bereiches (lichtmikroskopische Aufnahme)

Aluminiumblech nach 96 h Salzsprühtest nach DIN 50021 (nur der Schriftbereich wurde beschichtet)

Hervorragender Korrosionsschutz auf unterschiedlichen Aluminiumlegierungen

Beschichtung mit Openair®-PlasmaKorrosionsinhibierende Schichten


Korrosionsschutz und Haftvermittlung auf gefrästen Aluminiumdruckgussgehäusen

Ursprünglicher Prozess:

� Aufsprühen eines Korrosionsschutzmittels auf Fluorpolymerbasis nach dem Verkleben

� manueller Auftrag, hohe Kosten

Heute:

� Vorreinigung mit Plasma� Beschichtung mit Si-organischer

Schicht� robotergeführt

Beschichtung mit Openair®-PlasmaKorrosionsinhibierende Schichten-Anwendung


Dichtigkeitsüberprüfung nach Salzsprühtest (Swaat-Test)

h

grün: Gehäuse zeigt keine Leckagen

rot: Gehäuse ist undicht (Korrosion auf dem Flansch mit Durchbruch nach innen)

Hocheffiziente Antikorrosionsbeschichtung



Vorteile der Plasmabeschichtung:

� Vollautomatisiert (robotergeführt)� Ersatz von manuell aufgetragenen Fetten� Kein Lösungsmittelabfall� Geringer Chemikalienverbrauch� Hocheffiziente Antikorrosionsbeschichtung� gute Verklebbarkeit



Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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