Oberflächliches Plasmaschicht optimiert Kunststoffe für Bedrucken und Verkleben

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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.

Plasmabeschichtung schont Kunststoffoberflächen

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.

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