NIEUWE MATERIALEN VRAGEN OM INNOVATIEVE OPPERVLAKTEBEHANDELING

Plasma, corona en vlam als haalbaar alternatief

Behandelingen met plasma-, corona- en ook vlambehandelingen vormen een haalbaar alternatief voor de klassieke reinigings- en activatiemethoden, die niet altijd meer aan de vereisten van vandaag tegemoet kunnen komen. Wat houden deze nieuwe methoden van oppervlaktebehandeling in? Wat zijn de onderlinge verschillen, voor- en nadelen, toepassingsmogelijkheden en hoe zijn ze te testen? Een overzicht.

Joey Bosmans (Sirris) - 12 september 2018

 

WAAROM GEBRUIKEN?

Plasma- en coronabehandelingen worden frequent toegepast voor de reiniging en activatie van oppervlakken om deze klaar te maken voor een volgende bewerking. Dit omwille van verschillende redenen. Het gebruik van kostenefficiënte, lichte en duurzame materialen (of combinaties van verschillende materialen) zorgt voor nieuwe mogelijkheden in ontwerp, innovatie en ontwikkeling. Sommige van deze kunststof- en composietmaterialen zijn omwille van hun lage oppervlakte-energie moeilijk te bedrukken, te verlijmen of te coaten. De strengere wetgeving rond milieu en gezondheid zorgt er bovendien voor dat traditionele chemische reinigingen noodgedwongen worden vervangen door alternatieve reinigingsmethoden.

 

PLASMA- EN CORONABEHANDELING

Bij dit type oppervlaktebehandelingen wordt een gas (of lucht) door middel van een hoog‑elektrische lading omgezet tot radicalen en ionen, waardoor de aggregatietoestand plasma ontstaat. Dit hoogenergetische plasma is in staat om organische koolwaterstofverbindingen aan het polymeeroppervlak te breken en zo worden er door de actieve zuurstofradicalen in het plasma nieuwe verbindingen gevormd, zoals hydroxyl- (-OH), carbonyl- (-C=O), en carboxy- (-COOH) groepen. Deze meer polaire groepen zorgen voor een wijziging van de oppervlaktespanning en bieden receptieve groepen die chemisch kunnen bijdragen tot een verbetering van de hechting.

Plasma versus corona

Wat is nu juist het verschil tussen een plasma- en coronabehandeling en in welke applicaties vinden ze hun toepassingen? Corona- en atmosferische plasmavoorbehandelingen zijn eigenlijk gelijkaardige processen. In beide technieken wordt een plasma gecreëerd door een hoogspanningsveld aan te leggen tussen twee elektrodes, waardoor gas geïoniseerd wordt en een plasma vormt. In een klassiek coronaproces wordt het substraat in het ontladingsveld geplaatst tussen twee elektrodes, waartussen een wisselspanning wordt aangebracht. Een dergelijke elektrode bestaat uit een groep van kleine pinnen, waardoor er een plasma opgewekt wordt dat samengesteld is uit vele kleine puntontladingen. Dit klassieke coronaproces (directe corona) kent voornamelijk toepassingen in de printindustrie en voor de behandeling van plastic film in in-linetoepassingen. De ontlading kan ook plaatsvinden wanneer een materiaal in de nabijheid van de elektrodes wordt gebracht, waardoor de techniek ook toepassingen kent op gevormde producten (indirecte corona). In tegenstelling tot het coronaproces vindt bij een atmosferische plasmabehandeling de ontlading plaats in de plasmakop, waarbij een gas- of luchtstroom gebruikt wordt om het gevormde plasma tot op het materiaal te leiden.

Enkele interessante verschillen:

• De plasmaontladingen die aangewend worden, leveren doorgaans een hoger activatieniveau en een meer uniforme behandeling op dan met de coronabehandeling.
• Het gevormde plasma is potentiaalvrij, waardoor het ook geschikt is om geleidende oppervlakken uniform te behandelen, wat bij een coronabehandeling enkel mogelijk is door gebruik van speciale elektrodes.
• Doordat de plasmastroom zeer precies kan worden geleid, is een plaatselijke voorbehandeling of reiniging mogelijk, wat bv. interessant is voor verlijmprocessen.
• Roterende toortsen of verschillende toortsen in een geometrie vergroten de behandelingsbreedte, zodat ook grotere oppervlakken kunnen worden behandeld.
• Het plasma opgewekt bij de atmosferische plasmabehandeling is, in tegenstelling tot corona, warm van temperatuur, wat een probleem kan veroorzaken op thermisch gevoelig materiaal zoals folies of bij dunwandige kunststoffen. Nieuwere systemen maken gebruik van een instelling waarmee het plasma gepulst gestuurd wordt, om de warmte-invoer te beperken.

 

TOEPASSINGEN

Ondanks de voordelen van atmosferisch plasma blijft de voorbehandeling door middel van corona een veelgebruikte techniek, voornamelijk in vlakke toepassingen zoals in drukprocessen, textiel- en papierindustrie, omwille van het economische aspect en de eenvoud van het proces. Momenteel komen plasmavoorbehandelingen vooral voor bij kleinschalige toepassingen met hoge kwaliteitseisen, bijvoorbeeld elektronica of medische toepassingen. Wanneer het accent ligt op reiniging of ontvetten van een (metalen) oppervlak, wordt gekozen voor een plasmabehandeling, omwille van de hogere temperatuur bij behandeling en de hogere energiedichtheid ten opzichte van coronabehandeling.
Bij het gebruik van atmosferisch plasma als voorbehandelingstechniek is perslucht het gebruikte gas. Enkel in specifieke en kritische toepassing wordt gekozen voor stikstof of een inert gas zoals argon. Tegenwoordig bestaan er eveneens systemen waarbij chemicaliën als nevel in de actieve plasmaontlading kunnen worden gebracht, waardoor oppervlakken direct kunnen worden gefunctionaliseerd. Met name in lagedrukplasmabehandelingsprocessen is deze functionalisatietechniek gekend om bijvoorbeeld onderdelen waterdicht te maken.

Het batchproces vind plaats onder vacuüm met een plasma in een inert gas (argon, helium) met lage concentraties reactief gas en precursoren (organo-siliciumverbindingen, organo-halogenen …). Afhankelijk van het type gas en procesparameters kunnen chemische functies ingebouwd worden aan het oppervlak van de kunststof.
In dergelijke plasmakamers kan ook voorafgaand op een coatingproces een voorbehandeling worden uitgevoerd. Deze techniek is erg geschikt om complexe 3D-voorwerpen te behandelen met groeven en holtes. Door de ontgassing die kan optreden, is deze techniek echter niet op alle kunststoffen toepasbaar. In vergelijking met klassieke technieken zoals waterige baden of vlambehandeling (zie kader) vergt een corona- of plasmabehandeling een zwaardere investering. Die blijkt in veel gevallen te verantwoorden door de lagere werkingskosten en verbeterde kwaliteit. Een kunststof dat met een plasmatechniek voorbehandeld wordt, behoudt enkele weken tot maanden de gewenste oppervlakte-eigenschappen

.

TESTMETHODEN

Het effect van een plasmareiniging of oppervlakteactivatie kan worden gemeten via verschillende testmethoden. De meest eenvoudige methode maakt gebruik van Dyne-testinkten, een reeks van testvloeistoffen met variërende oppervlaktespanning. De oppervlakte-energie van het substraat komt overeen met de oppervlaktespanning van de testvloeistof die na 2 seconden het oppervlak nog net bevochtigt. Is de oppervlakte-energie van het substraat lager dan de oppervlaktespanning van de Dynevloeistof, dan trekt de testinkt samen en is er geen bevochtiging. Om een goede bevochtiging te bekomen, dient de oppervlakte-energie van een oppervlak significant hoger te zijn dan de oppervlaktespanning van de coating, inkt of lijm die gebruikt wordt.

Een andere methode maakt gebruik van contacthoekmetingen, waarbij de uitspreiding van een vloeistof (meestal water) wordt uitgedrukt als een contacthoekwaarde. Een lage contacthoek geeft aan dat de bevochtigbaarheid hoog is. Door gebruik te maken van verschillende referentievloeistoffen, kan eveneens de oppervlakte-energie worden bepaald. In bepaalde gevallen wordt eveneens de polaire fractie berekend, vermits deze als gevolg van een activatiebehandeling zal verhogen door de opname van polaire groepen in het oppervlak.
Beide technieken laten toe om procesparameters tijdens een voorbehandelingsproces correct in te stellen alvorens een coating, inkt of lijm aan te brengen. Hechtingstesten via een cross-cut-test (roosterkammethode) of dolly-pull-off-testmethode worden gebruikt tijdens de eindevaluatie en kwantificeren de hechtsterkte van het coatingsysteem met de ondergrond en daarmee de efficiëntie van de voorbehandeling.

SIRRIS SMART COATING LAB

Sirris maakt gebruik van een atmosferisch plasmasysteem met acht plasmatoortsen in V-formatie. Deze opstelling laat toe om met een behandelingsbreedte van 56 mm zowel vlakke als licht gebogen oppervlakken voor te behandelen en te reinigen. Opgesteld boven een transportband kunnen op een gecontroleerde manier in-lineprocessen worden gesimuleerd terwijl een montage op een robotarm de mogelijkheid biedt om meer gevormde onderdelen correct te behandelen. Het gebruik van een pulserend plasma laat ook toe om thermisch gevoelige materialen (bv. dunne polymeerfilms) te behandelen.

Naast deze atmosferische plasmatechniek, beschikt Sirris eveneens over een lagedrukplasmakamer waarin kleine 3D-onderdelen (30 x 30 cm max.) eenvoudig kunnen worden voorbehandeld. Een coronatoestel met verschillende elektroden kan worden ingezet om zowel vlakke ondergronden als ook moeilijk te bereiken plaatsen te behandelen.

Meer info op www.smartcoating.be 

ALTERNATIEF: VLAMBEHANDELING

Bij de vlambehandeling van kunststof wordt het kunststofoppervlak kort in contact gebracht met een aardgasvlam met zuurstofovermaat. De juiste zuurstofovermaat is een kritische procesfactor en wordt daarom automatisch gestuurd. Het oppervlak wordt in contact gebracht met het buitenste, oxiderend gedeelte van de vlam. Daardoor worden in de polymeerketens aan de buitenkant van het stuk zuurstofrijke groepen ingeplant.
Ofwel wordt gewerkt met een vaste brander, ingebouwd in een productielijn, waarvan de vorm zeer sterk is aangepast aan het te behandelen materiaal. Ofwel wordt gewerkt met een eenvoudige mobiele brander op een robotarm of met manuele bediening. Door de lage investeringskost en de afwezigheid van gevaarlijke stoffen is vlambehandeling de meest populaire voorbehandelingstechniek voor kunststoffen. Voor veel toepassingen is de techniek echter niet bruikbaar, o.a. omwille van vervormingen door de hitte van de vlam of omdat ook niet-zichtbare delen moeten worden voorbehandeld.