Oberflächenvorbehandlung – der „Faktor X“ des Klebens · INNOVENT Technologieentwicklung...
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Folie 1INNOVENT Technologieentwicklung
INNOVENTOberflächenvorbehandlung –der „Faktor X“ des Klebens
Industrie-Workshop Kleben der LEG Thüringen IFW Jena, 19. November 2009
Dr. Arnd Schimanski
Geschäftsführender Direktor
INNOVENT e.V.
Prüssingstraße 27B
D-07745 Jena
www.innovent-jena.de
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INNOVENT
Inhalt
Folie 2INNOVENT Technologieentwicklung
• INNOVENT Technologieentwicklung
• Oberflächenvorbehandlung – Warum?
• Verfahren
• Ergebnisse und Anwendungen
• Zusammenfassung
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INNOVENT
INNOVENT e.V.Technologieentwicklung
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INNOVENT
INNOVENT Technologieentwicklung
• Wirtschaftsnahe Forschungseinrichtung in Jena
• Gegründet 1994
• Ca. 150 Mitarbeiter in FuE (Wissenschaftler,
Techniker und Facharbeiter)
74
42
25
4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008
Wissenschaftler Techniker und FA Andere Azubi
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INNOVENT
Forschung im Profil
• Forschungsbereiche:
• Applikationsfelder : Glas, Metall, Kunststoff, Medizintechnik, Optik, Mikrosystemtechnik
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BiomaterialienBiomaterialien
Magnetische u. Optische SystemeMagnetische u. Optische Systeme
Primer u. Chem. OberflächenbehandlungPrimer u. Chem. Oberflächenbehandlung
Analytik / WerkstoffprüfungAnalytik / Werkstoffprüfung
OberflächentechnikOberflächentechnik
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INNOVENT
Weitere Aktivitäten
• Ausrichter bzw. Organisator der Thüringer
Grenz- und Oberflächentage seit 2005
(6. Auflage vom 07.-09.09.2010 in Gera)
• Initiator des Anwenderkreises
Normaldruckplasma
(Sonderworkshop am 02. März in Erfurt zum
Thema „Atmosphärendruckplasma und
Medizin“)
• Netzwerk Thüringer Oberflächenzentrum
(ThOZ)
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INNOVENT
Oberflächenvorbehandlung –
Warum?
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INNOVENT
Oberflächenvorbehandlung - Warum?
• Optimierung der Haftungskräfte durch Schaffung von
aktiven Zentren zur Ausbildung der für die Haftung
notwendigen physikalischen oder chemischen
Vorgänge
– Ladungsanhäufungen
– Versetzungen
– Oberflächenmorphologie
• Unterschiedliche Verfahren für die eingesetzten
Substrate
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INNOVENT
Oberflächenvorbehandlung - Warum?
• Kunststoffe besitzen eine inerte Oberfläche, wie z.B.
PE oder PP bzw. sind durch Hilfsmittel nicht benetzend
– Aufrauhung/Bekeimung
– Einbau von aktiven Gruppen (-OH, -CO, -COOH, -NO
etc.)
• Glas besitzt nach der Herstellung eine saubere
Oberfläche
– Werkstoff ist empfindlich gegenüber Feuchtigkeit
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INNOVENT
Oberflächenbehandlung
Vorbereitung Vorbehandlung Nachbehandlung
Form Fläche mechanisch physikalischchemisch Erhaltung Steigerung
Anpassender Flächen
Entfernen(Rost,Oxide,alteSchichten)
BürstenSchleifenStrahlen
Abtragen
Neubildung
Modifizieren(Fluorieren)
(Beizen)
(Phosphatieren)
Beflammen
Entladung(Corona)
Plasma-verfahren
temporärerSchutz
Versiegelung
chem. Systeme(Primer)
Oberflächenvorbehandlung - Warum?
Elektro-chemische Verfahren
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INNOVENT
Verfahren
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INNOVENT
Fluorierung
• Exponierung der Kunststoffteile in eine
Behandlungskammer, welche mit
Fluorgas befüllt wird
• Substitution von Wasserstoffatomen an
der Kunststoffoberfläche durch Fluor-
bzw. Sauerstoffatome => Schaffung
einer Vielzahl polarer Bindungen
• bestimmend für das Ergebnis sind die
Parameter Fluorkonzentration und Zeit
bzw. Durchlaufgeschwindigkeit Quelle Abb.: Dr. Rehwinkel,
Fluor System Technik GmbH
Verfahren
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INNOVENT
Verfahren
• Propan-Flamme streicht über Oberfläche
C3H8 + 5 O2 � 3 CO2 + 4 H2O
• Einstellbare Parameter
– Gas/Luft-Verhältnis
– Abstand
– Geschwindigkeit
– Brenner
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Beflammung
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INNOVENT
Verfahren
Silicate particles
agglomerate and forms a
highly cross linked layer
Gaseous silicon precursor
PYROSIL®
• Flammenabscheidung von SiOx-Schichten
• Erste Anwendung in der Dentalindustrie zur
Haftvermittlung von
Verblendungsmaterialien auf
Goldimplantaten
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INNOVENT
Verfahren
PYROSIL®
• Unterschiedliches Erscheinungsbild der Pyrosil-Flamme im
Gegensatz zur normalen Propanflamme
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Anhaftung mit und ohne PYROSIL®
SubstratSubstrat
PYROSIL®
HO Si O Si OH
O O
R R
R = funktioneller Rest
HO Si O Si OH
O OH
R R
Substrat
Verfahren
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INNOVENT
Elektrochemische Silikatisierung
Substrat Gegen-
elektrode
Silkatisierungslösung
Verfahren
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INNOVENT
SiO2-Bande → links:Silikatbande auf der Oberfläche (FTIR)
Randwinkel von Wasser auf V2A-Proben (Mittelwerte aus drei Bestimmungen)
Behandlung Randwinkel von Wasser (in °)
mit Aceton entfettet 63,3
nasschemisch gereinigt 39,5
nasschemisch gereinigt und elektrosilikatisiert 26,2
Verfahren
Elektrochemische Silikatisierung
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INNOVENT
Ergebnisse und Anwendungen
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INNOVENT
Fluorierung
• Aktivierung von komplex geformten
Bauteilen, wie z.B. Dichtungen,
Handschuhkästen etc. vor einer
Verklebung, besonders für
– Beflockung
– Dichtungen
• Klebtechnische Anwendungen sind im
Bereich Fahrzeugbau und
Medizintechnik vorhanden
Ergebnisse und Anwendungen
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INNOVENT
Scherfestigkeiten von Edelstahlverklebungen
0
5
10
15
20
25
30
35
ohne Belastung 5 h Kochwasserbelastung
Sc
he
rfe
sti
gk
eit
in
MP
a
elektrosilikatisiert
nicht elektrosilikatisiert
Scherfestigkeiten der Edelstahl-Klebeverbunde, elektrosilikatisiert / nicht elektrosilikatisiert, jeweils mit Haftsilan (Klebstoff: "einfaches" Epoxid-Amin)
Elektrochemische Silikatisierung
Ergebnisse und Anwendungen
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INNOVENT
Folie 22INNOVENT Technologieentwicklung
• Variation des Gas/Luft –Verhältnisses zeigt unterschiedliche
Haftwerte bei Polyethylen-Typen
Beflammung
Ergebnisse und Anwendungen
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INNOVENT
Folie 23INNOVENT Technologieentwicklung
• Die zugehörigen Oberflächenenergien verlaufen beim PE-LD
umgekehrt zur Haftfestigkeit
Beflammung
Ergebnisse und Anwendungen
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INNOVENT
Verwendung von PYROSIL®
Ursprünglich entwickelt in den 80-igern für Dentalanwendungen
Verbesserte Anbindung von:
Kunststoff / Kunststoff
Keramik / Kunststoff
Metall / Kunststoff
Dentalverklebungen
ZusammenarbeitZusammenarbeit mitmit HeraeusHeraeus KulzerKulzer
Ergebnisse und Anwendungen
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INNOVENT
Silikonhaftung auf Pulverlacken
Verwendung von PYROSIL®
mit PYROSIL®ohne PYROSIL®
ZusammenarbeitZusammenarbeit mitmit WackerWacker ChemieChemie GmbHGmbH
Ergebnisse und Anwendungen
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INNOVENTGarantierte Haftung auch nach Belastung
• quantifiziert über Scherfestigkeiten (zerstörend)
Glas/Metall-Verklebungen
B682 #10750, Leuchtmittel UVA Hand 250
0
10
20
30
40
50
ohne
Belastung
VDA-Test Klimatest 1,5 h Kochtest
ohne Vorbehandlung
mit Pyrosil+Primer
Sch
erf
estig
keit [
N/m
m2]
zunehmende Belastung
Ergebnisse und Anwendungen
Verwendung von PYROSIL®
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INNOVENT
Zusammenfassung
• Oberflächenvorbehandlung bei der Verklebung von unpolaren Kunststoffen unumgänglich
• Es gibt eine Vielzahl von Verfahren und Möglichkeiten zur Oberflächenvorbehandlung.
• Die Oberflächenvorbehandlung gibt es nicht!
• Jedes Verfahren hat seine Vor- und Nachteile.
• Das Substrat, das Beschichtungsmaterial und dessen Geometrie sowie die notwendige Aktivierung sind entscheidende Kriterien zur Auswahl des Verfahrens.
INNOVENT
Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit!