Untersuchung der Haftung von PVD-Schichten an Kunststoffoberflächen M.Sc. Vanessa Frettlöh # , M.Sc. Carl Schulz ‡ , B.Sc. Paul Pavlov* # gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH, Lüdenscheid; ‡ Kunststoff-Institut Lüdenscheid GmbH, Lüdenscheid; *Fachhochschule Südwestfalen, Iserlohn 23. Neues Dresdner Vakuumtechnisches Kolloquium; 12.-15.10.2015 Workshop 7: Beschichtung und Modifizierung von Kunststoffoberflächen
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Untersuchung der Haftung von PVD-Schichten an ... · dreifache Wirkung des Plasmas: §Aktivierung der Oberfläche durch Oxidationsprozesse ... modifizierter Ritztest bestätigte die
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Untersuchung der Haftung von PVD-Schichten an Kunststoffoberflächen
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► DC-Magnetron Sputteranlage der Firma Oerlikon Balzers Hartec
► Rezipientenvolumen ca. 0,5 m³
► Vakuum von 8*10-5 hPa wird mit zwei Turbomolekularpumpen (Saugleistung jeweils 4500 m³/h), einer Wälzkolbenpumpe (270 m³/h) und einer Drehschieberpumpe (63 m³/h) erzeugt
► Arbeitsdruck für die Beschichtung: 10-3 hPa
► 3 Magnetron-Kathoden können gleichzeitig eingesetzt werden
► Maximale Leistung der Plasmaquelle: 3000 W
► Einlass von Reaktivgasen möglich: N2, CO2, O2, C2H2
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► variotherme Temperierung der Spritzgießwerkzeuge für optimale Oberflächen der Kunststoffbauteile (Hochglanz)
► kurzzeitige Erhöhung der Werkzeugwandtemperatur sorgt für eine erhöhte Temperatur der Schmelze an der Werkzeugwand§ Bindenähte werden kaschiert § bessere Abformung der Werkzeugoberfläche§ homogener Glanzgrad§ Hochglanzoberflächen ohne Defekte § reduzierte Oberflächenrauheit
► Schaffung einer optimalen Oberflächengüte für die PVD Beschichtung
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► Schnelles Aufheizen und Abkühlen der Werkzeugwand durch die Induktionstechnik möglich
M. Z. K. Schinköthe: „ Temperierung von Spritzgusswerkzeugen durch vollständig integrierte induktive Beheizung“, Abschlussbericht des DFG-Forschungsvorhabens, Universität Stuttgart, Institut für Konstruktion und Fertigung in der Feinwerktechnik, 2009.
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M. Z. K. Schinköthe: „ Temperierung von Spritzgusswerkzeugen durch vollständig integrierte induktive Beheizung“, Abschlussbericht des DFG-Forschungsvorhabens, Universität Stuttgart, Institut für Konstruktion und Fertigung in der Feinwerktechnik, 2009.
S. Theis: „Untersuchung von Temperiersystemen zur Prozessoptimierung beim Einsatz der induktiven Erwärmung von Spritzgießwerkzeugen für Thermoplaste“, Bachelorarbeit, FH Südwestfalen, Iserlohn, 2008.
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► dreifache Wirkung des Plasmas:§ Aktivierung der Oberfläche durch Oxidationsprozesse§ mikrofeine Reinigung der Oberfläche§ elektrische Neutralisation der Oberfläche
► Gepulster Lichtbogen zündet das Plasma, Plasmagas ist ölfreie Luft
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► seit den 1950er Jahren bewährte Vorbehandlung für flächige Kunststoffbauteile
► Überstreichen der Oberfläche mit einer bis zu 1700°C heißen Flamme; Temperatur an der Kunststoffoberfläche: kurzzeitig 200-400°C; dadurch:§ Molekülbindungen an der
Oberflächen werden aufgebrochen§ Einbau von Radikalen, die in der
Flamme erzeugt werden
► Kunststoffoberflächen werden durch reaktive Sauerstoffspezies (•O; •OOH; •OH) oxidiert
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► Erzeugung bei wenigen 100 Pa, im Reaktorraum der PVD-Anlage
► mittlere, freie Weglänge der Elektronen ist groß
► kinetische Energie der Elektronen ist hoch im Vergleich zur kinetischen Energie der Ionen und Neutralteilchen; Substrat wird thermisch kaum belastet
► je nach Plasmazusammensetzung und Entladungsparametern werden verschiedene Effekte erzielt§ Reinigung der Oberfläche von adsorbierten Molekülen§ Ausbildung reaktiver Zentren und Defekte§ Aktivierung durch Anlagerung von Teilchen an der Oberfläche§ CASING-Effekt: Vernetzung und Umstrukturierung der
oberflächennahen Schichten durch UV-Strahlung§ Oberfläche wird aufgeraut (Plasmaätzen)
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► Vorversuche, um Auffälligkeiten bei den Vorbehandlungen festzustellen und die Auswahl der in den Hauptversuchen verwendeten Vorbehandlungsmethoden einzuschränken
► Probeplättchen wurden nach der Vorbehandlung metallisiert und einer optischen Prüfung unterzogen
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► Fluorieren ist als Vorbehandlung ungeeignet§ Plättchen weißen gelbe Flecken und grau-gelbe Maserung auf§ Hochglanzeffekt ist nicht mehr vorhanden§ Schicht weist Risse auf
Einflüsse der Vorbehandlungen auf die Haftung der PVD-Schicht auf dem Polymer
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Oberflächenenergien
► die LW-Komponente (physikalischer Anteil) sowie die Lewis-Säure und Lewis-Base Komponente der Oberflächenenergie wurden aus den gemessenen Werten der Kontaktwinkel berechnet
► ein hoher Lewis-Säure-Anteil sollte für die Adhäsion von Metallen an Kunststoffen vorteilhaft sein, da Elektronengas der Metallschicht besser mit Lewis-Säuren als Elektronenpaarakzeptor reagiert
► Lewis-Säure-Anteil der unbehandelten Proben ist für Polymer 1 sehr viel geringer als für Polymer 2 (bessere Haftung der PVD Schicht auf Polymer 2 vorausgesagt und festgestellt)
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Polymer 2
► kaum Korrelation zwischen sinkendem Lewis-Säure-Anteil der Oberflächenenergie und der Haftfestigkeit der PVD Schicht auf den Kunststoffplättchen zu erkennen
► OGC- Theorie kann nur eine Abschätzung für die Haftung liefern, allgemeingültige Theorie zur Adhäsion in einem Polymer-Metall-Verbund existiert noch nicht
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Polymer 1
► schlechte Haftung auf den Polymer 1 Substraten könnte durch Ausbildung einer Weak-Boundary-Layer hervorgerufen werden§ Beflammung: hohe Temperaturen§ Niedertemperaturplama: UV-Bestrahlung
► Atmosphärendruckplasma:§ geringere Temperatur- und Strahlungseinwirkung; Aktivierung
der Oberfläche§ verbesserte Haftfestigkeit der PVD Schicht im Vergleich zur
unbehandelten Probe festgestellt§ erhöhte Elektronenakzeptoranteile nach der Behandlung
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► die Haftfestigkeit auf den unbehandelten Kunststoffbauteilen ist bei Polymer 1 allgemein schlecht, bei Polymer 2 allgemein gut
► die Haftfestigkeit der PVD-Schicht kann durch Atmosphärenplasma-Vorbehandlung des Polymer 1 erheblich verbessert werden
► die Haftfestigkeit auf unbehandelten Polymer 2 Bauteilen ist bereits sehr gut, eine deutliche Verbesserung durch die angewandten Vorbehandlungsmethoden wurde nicht festgestellt
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Mechanismen der Adhäsion zwischen Kunststoff und PVD-Beschichtung
► reine Chromschichten am Interface zum Polymer
► Redoxreaktionen führen zu koordinativen Cr-O-C oder Cr-C Bindungen, π-Komplexe, Arenkomplexe (bis-(Benzol)-Chrom)
► einige Bindungen (Arenkomplexe, Cr-O-C) werden durch den Sputterprozess während der Beschichtung zerstört § Polymer 1: besitzt nur eine reaktive Gruppe, die eine Bindung
mit der Chromschicht eingehen kann → wenig Anknüpfungspunkte für die Metallisierung, Zerstörung der Bindungen während des Sputterprozesses
§ Polymer 2: mehrere reaktive Gruppen vorhanden → stärkere Chemisorption möglich, bessere Haftung