Nicht immer hat die Oberfläche eines Werkstoffes die gewünschten Eigenschaften. Ein günstig zu verarbeitendes Material kann Oberflächeneigenschaften aufweisen, die zur Weiterverarbeitung nicht geeignet sind (wie etwa eine schlechte Benetzbarkeit).
Bei der Oberflächenfunktionalisierung werden funktionelle chemische Gruppen auf dem Substrat abgeschieden. Diese Gruppen können die Eigenschaften der Grenzfläche wie etwa Adhäsion, Hydrophobie und Hydrophilie beeinflussen, und ein industriell günstiges / leicht zu verarbeitendes Produkt mit einer Oberfläche ausstatten, die das Material von sich aus nicht aufweist.
Das Aufbringen von funktionellen Gruppen kann in einem nasschemischen Verfahren, im Niederdruck-Verfahren oder Atmosphärendruck-Verfahren durchgeführt werden. Beim Niederdruck-Verfahren, in der Regel nicht ohne Weiteres in-line fähig, sind meist kostenintensive Vakuumeinheiten notwendig, während ein nasschemisches Verfahren umweltbelastend ist und Entsorgungskosten chemischer Abfallprodukte anfallen. Die Erzeugung funktioneller Gruppen auf Substratoberflächen durch Atmosphärendruck Plasmaquellen kann flächig oder lokal erfolgen. Vorteilhaft für die Industrie ist der mögliche Einsatz in der laufenden Produktionslinie, sowie die geringen Kosten, insbesondere wenn Luft als Prozessgas eingesetzt wird. Eine besondere Form ist die Beschichtung; die Plasmapolymerisation.
Wichtige Eigenschaften industrieller Substrate können meist nur durch eine geeignete Beschichtung erhalten werden. Das Spektrum möglicher Beschichtungen für spezifische Anwendungen ist breit: elektrisch isolierende Schichten, Gasbarriere-Schichten, antibakterielle Schichten, hydrophobe oder hydrophile Schichten sind nur einige Beispiele. Bei der AD Plasmapolymerisation werden die Moleküle organischer Ausgangssubstanzen in einem offenen Plasma fragmentiert, ionisiert und partiell oxidiert. Die molekularen Fragmente kondensieren auf den Substratoberflächen und bilden dort eine gleichmäßige, haftfeste, geschlossene, meist elektrisch isolierende Schicht. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Schichten können in einem weiten Bereich mit den Abschiedeparametern eingestellt werden.
Ein häufig eingesetzter Precursor zur Plasmapolymerisation bei Atmosphärendruck ist die siliziumorganische Verbindung Hexamethyldisiloxan (HMDSO). Mit ihr können a-SiCOH-Schichten erzeugt werden, deren Eigenschaften zwischen Polysiloxan („weiche, polymerähnlich“) und Quarzglas („hart, gasähnlich“) liegen.
Hierbei ist die Precursor-Fragmentation in der Plasmazone ausschlaggebend (Bild 1); Zum Beispiel bilden sich bei hohen Plasma-Intensitäten (hohe Leistung des Plasmas, geringe Verweilzeit des Precursors im Plasma) durch kräftiger Oxidation des Kohlenstoffs der Precursor-Moleküle Schichten mit sehr geringem Wasserstoff- und Kohlenstoff-Anteil. Diese Schichten haben dadurch quarzähnliche Eigenschaften.
Ein wichtiges Charakteristikum ist die (Massen-) Dichte der Schicht. Sie dient der Einordnung der abgeschiedenen Schichten im Bereich zwischen polymerartig und gasartig. Ein Maß für die Empfindlichkeit gegenüber mechanischer Verformungen des Substrates ist die Bruchdehnung: eine Schicht auf einer Glasplatte darf spröder sein als eine Schicht auf einer Kunststoff-Flasche. Die Bruchdehnung sollte je nach Substrat angepasst werden. Die Schichten sind chemisch inert, lager beständig und in der Regel elektrisch isolierend.
Die Plasmawerkzeuge zur Beschichtung sind so gestaltet, dass sie zum Einen zur reinen Plasmabehandlung als auch zur Beschichtung genutzt werden können. Ein Auswechseln der Düse ist dabei nicht notwendig. Es wird lediglich der Monomergasfluss reguliert bzw. abgestellt.
Der Ort der Einspeisung des Precursors kann eine große Rolle spielen. Ein Plasma-Werkzeug, dass sich sehr gut für die Beschichtung eignet ist der Plasma CAT600 (Bild 2). Durch sein patentiertes Entladungsprinzip zweier Elektroden wird das Monomergas zwar innerhalb der Entladungszone aber außerhalb des Bereichs der Elektrode und Gegenelektrode zugeführt. Eine parasitäre Beschichtung der Elektrode bzw. Gegenelektrode wird verhindert und eine gleich bleibende Qualität der Plasmaentladung ist somit gewährleistet. Die Nennleistung des Plasma CAT600 liegt bei 600W. Dies ist ein Leistungsbereich indem z.B. das HMDSO Monomergas gut umgesetzt wird. Durch die Einstellung der Monomerflussmenge kann dann die Schichteigenschaft beeinflusst werden.
Für eine (breit-)flächige Beschichtung wird die zu beschichtende Oberfläche mit dem Plasmawerkzeug abgerastert. Je nach Aufbaurate der Schichtdicke, die durch die Plasmadosis und den Monomerfluss beeinflusst wird, ist ein bestimmter Rasterbestand für eine gewisse homogene Schichtoberfläche zu bevorzugen. Untersuchungen im Rahmen des PlaCoW Projektes¹ (Plasma Coating for Wood) mit dem Projekt-Planer Innovent e.V. aus Jena zeigten folgende Ergebnisse für eine hydrophil („adhäsiv“) wirkende Beschichtung.
Die Beschichtung fand bei folgenden Parametern statt:
- Plasmawerkzeug CAT600, Leistungseinstellung 100% (600W)
- Verfahrensgeschwindigkeit 200 mm/s (12 m/min
- Arbeitsabstand 10 mm (Abstand zwischen Düsenöffnung und Substratoberfläche)
- Monomerfluss 1ml/min (HMDSO, gasförmig, Verdampfer Sura Instruments STS)
Die Substratoberfläche wurde während der Beschichtung durch das Plasmawerkzeug wie in Bild 3 skizziert abgerastert.
Dabei wurden Rasterabstände (Abstand zwischen zwei Beschichtungsbahnen) von 3 bis 12 mm gefahren. Die Homogenität der Schichtdicke wurde anschließend mit einem Profilometer untersucht.
Für oben genannte Beschichtungsparameter wäre ein Rasterabstand von ca. 6 mm (Bild 5) empfehlenswert. Die in den Bildern (Bild 4 bis Bild 7) angegebenen Schichtdicken wurden durch mehrmaliges Abfahren der Oberfläche generiert. Je nach Einstellung des Fragmentationsgrades (Leistung des Plasmas, Monomerfluss) und Verfahrensgeschwindigkeit wird der Aufbau der Schichtdicke beeinflusst. Bei nur einer Überfahrt mit hohem Fragmentationsgrad (600 W eingestellte Plasmaleistung, 1 ml HMDSO flow) und einer Verfahrensgeschwindigkeit von 12 m/min können sehr dünne Schichten von ca. 10 nm erzielt werden.
Bei geeigneten Abscheideparametern können Schichten für unterschiedliche Zwecke hergestellt werden. Korrosionsschutzschichten zum Beispiel sollten als geschlossener Film ohne Pinholes abgeschieden werden. Als Plasmaprimer dienen sehr dünne schichten mit Dicken weniger Nanometer zur Haftvermittlung bei Materialien mit kritischen, unpolaren Oberflächen. Substrate mit inhomogenen Oberflächeneigenschaften können durch die homogene Oberflächenenergie der Beschichtung für die weiterführende Verarbeitung vorbereitet werden. Durch das Einbetten von zusätzlichen funktionellen Wirkstoffen (Silber, Kupfer, …) in die HMDSO-Matrix, können sogenannte Kompositbeschichtungen hergestellt werden. Derartige Komponenten werden als Sekundärprecursoren während der Beschichtung (z.B. als gelöste Metallsalze AgNO₃, Cu(NO₃)₂, …) in die HMDSO-Matrix eingebettet.
¹ EraSME Project: Plasma based surface modifications of wood and wood polymer comosites (WPC) materials and the application of electromagnetic fields for wood and WPC treatment „#Plasma Coating for wood“ – PlaCoW, INNOVENT Jena e.V. / FB Oberflächentechnik
