UV-/Ozon-Behandlung

Eine Frage des Kontaktwinkels

Aktivierung von Kunststoffoberflächen durch UV/Ozon-Vorbehandlung
Leistungsstarke Excimer-Strahler sind geeignete UV-Quellen zur Aktivierung von Oberflächen, wie hier bei einem Wafer.
Eine Alternative zur mechanischen, chemischen und zu den physikalischen Methoden der Oberflächenaktivierung von Kunststoffoberflächen ist der Einsatz von UV-Licht und Ozon. Sie soll besonders materialschonend und einfach anzuwenden sein.

Häufig ist es im Produktionsprozess erforderlich, Kunststoffe zu bedrucken, zu lackieren oder zu verkleben. Um eine gute Benetzbarkeit oder Haftung zu erzielen, sind die Oberflächen typischerweise vorzubehandeln. In der Vergangenheit hat man dazu vorwiegend mechanische oder chemische Verfahren angewandt. Im Zuge einer stärkeren ökologischen Betrachtung von Fertigungstechniken gewannen physikalische Methoden wie Beflammung oder Korona- bzw. Plasmabehandlung an Bedeutung. Eine interessante Alternative zu den herkömmlichen physikalischen Verfahren ist die Oberflächen-Aktivierung mit UV-Licht/Ozon.

Wie es funktioniert

UV-Photonen, aus dem für unser Auge unsichtbaren Lichtspektrum im Wellenlängenbereich UV-C zwischen 200 bis 280 Nanometer, sind auf Grund ihrer hohen Energie in der Lage, chemische Bindungen in dem molekularen Netzwerk des Kunststoffpolymers aufzubrechen. Die geöffneten Bindungsstellen sind bestrebt, schnellstmöglich wieder einen chemisch stabilen Zustand zu erreichen. Als Reaktionspartner dienen hierzu beispielsweise der Sauerstoff aus der Atmosphäre, oder Ozon, das von der UV-Strahlung aus dem Umgebungssauerstoff gebildet wurde. Die offenen Bindungen werden aus daraus gebildeten Atomen und Radikalen abgesättigt und es entstehen neue Verbindungen an der Kunststoffoberfläche. So ließ sich als Folge von UV-Behandlung in normaler Umgebungsatmosphäre die Bildung von Hydroxyl-, Carbonyl- und/oder Carboxylgruppen nachweisen. Die Oberflächen erhalten dadurch einen höheren polaren Charakter, was sich sowohl auf den Kontaktwinkel als auch auf die Oberflächenenergie auswirkt.

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Über die Messung des Kontaktwinkels kann die Effizienz der Vorbehandlung nachgewiesen werden. Er ist ein physikalischer Wert zur Beschreibung des Benetzungsverhaltens einer Oberfläche. Gemessen wird der Kontaktwinkel im Dreiphasenpunkt, also an den Grenzflächen Fest-Flüssig-Gasförmig eines auf die Oberfläche aufgesetzten Wassertropfens. Ist der Kontaktwinkel, auch Rand- oder Benetzungswinkel genannt, größer als 90 Grad hat sich der Wassertropfen zu einer Kugel zusammengezogen und es geschieht keine oder schlechte Benetzung der Oberfläche. Bei einem Kontaktwinkel von 0 Grad ist der aufgebrachte Tropfen komplett auseinander geflossen, die Oberflächenbenetzung ist vollständig. Dazwischen spricht man von einer partiellen bis guten Benetzung. Einige Beispiele für typische Kontaktwinkel (Flüssigkeit-Festkörper: Kontaktwinkel in Grad): Wasser-Wolle: 160, Quecksilber-Stahl: 154, Wasser-Nickel: 27, Wasser-Glas: 0.

Mit Erhöhung der Oberflächenpolarität, was der Reduzierung des Kontaktwinkels entspricht, erhöht sich außerdem die Oberflächenenergie, was sich in verbesserten Haftungseigenschaften der Oberflächen auswirkt. Durch gezielte Generation verschiedener funktioneller chemischer Gruppen an der Oberfläche hat man darüber hinaus die Möglichkeit, die Formulierung der aufzubringenden Beschichtung gezielt anzupassen und so deren Haftung auf der Oberfläche zu optimieren.

Passende UV-Quelle wählen

Bei der UV-Vorbehandlung von Oberflächen kommen Spezial-Lichtquellen zum Einsatz, die hohe Strahlungsanteile im niederwelligen Spektralbereich unterhalb 200 Nanometer generieren. In Frage kommen UV-Excimer-Strahler der Wellenlänge 172 Nanometer und UV-Hg-Niederdruckstrahler mit den Emissionswellenlängen 185 und 254 Nanometer. Niederdruck-Lampen von Heraeus Noblelight sind mit Leistungen bis 800 Watt verfügbar, Excimer-Strahler bis 3 Kilowatt.

Trifft UV-Strahlung mit einer Wellenlänge von unter 200 Nanometer auf den Sauerstoff der Luft, wird Ozon gebildet. In zahlreichen Messreihen wurde nachgewiesen, dass dieses in situ gebildete Ozon die Aktivierung der Kunststoff-Oberflächen fördert. In Kombination ist die UV/Ozon-Vorbehandlung in der Lage, Kunststoffe je nach Art und Zusammensetzung in kurzer Zeit auf höhere Oberflächenenergien zu aktivieren und so eine verbesserte Benetzbarkeit und auch Haftung zu erreichen. Diese Art der Vorbehandlung ist laut den genannten Untersuchungen materialschonend und einfach durchzuführen.

Die Versuche und Messungen wurden im UV-Application Competence Center der Heraeus Noblelight in Hanau durchgeführt. Das neue UV-Anwendungszentrum mit moderner Ausstattung – darunter diverse UV-Bestrahlungskammern und Kontaktwinkelmessgeräte – ermöglicht es, die unterschiedliche Wirkung von UV-Strahlen zu testen und zu messen. Hier besteht die Möglichkeit spezifische Problemstellungen, von der UV/Ozon-Vorbehandlung bis zur UV-Härtung, -Verklebung und -Lackauftrag, analysieren zu lassen.

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