Die richtige Vorbehandlung von Fluorpolymeren

Hydrophobe PFA Oberfläche nach 20 min NDP-Vorbehandlung (Bild: SKZ – Das Kunststoff-Zentrum)

31.10.2017 Die richtige Vorbehandlung von Fluorpolymeren

Im Fokus: klebtechnisches Fügen

von Dr. Eduard Kraus (SKZ – Das Kunststoff-Zentrum), Dr. Benjamin Baudrit (SKZ – Das Kunststoff-Zentrum), Professor Dr. Oleg Stoyanov (Kazan National Research Technological University), Professor Dr. Irina Starostina (Kazan National Research Technological University)

Fluorpolymere haben viele Eigenschaften, die sie für ein breites Einsatzspektrum interessant machen. Ihre thermodynamischen Benetzungseigenschaften zählen allerdings zu ihren größten Schwächen. Abhilfe schaffen hier verschiedene physikalische Vorbehandlungsmethoden, die die Klebfestigkeit von Fluorpolymeren  verbessern – hier gezeigt an drei der bekanntesten Fluorpolymeren: einem voll-fluorierten Polymer, Perfluoroalkoxy-Polymer (PFA) und den beiden teilfluorierten Polymeren, Ethylen-Chlortrifluorethylen (ECTFE) und Polyvinylidenfluorid (PVDF).

Fluorpolymere sind bekannte Materialien mit einzigartigen Eigenschaften, die eine Anwendung in vielen verschiedenen Bereichen ermöglichen. Eine hohe thermische Stabilität, chemische Beständigkeit, gute flammhemmende Eigenschaften, ein geringer Reibungskoeffizient und eine niedrige relative Permittivität sind einige der relevanten Eigenschaften, die dafür gesorgt haben, dass
Fluorpolymere in der Automobilbranche, der Luftfahrt, der Baubranche, dem IT-Bereich, in der Lebensmittelbranche und im Bereich der Medizintechnik zahlreiche Anwendungen finden [1]. Der weltweite Verbrauch dieser Materialien steigt ständig an. Es wird geschätzt, dass der globale Fluorpolymer Markt von 7.159,3 Mio. $ in 2012 auf 9.797,4 Mio. $  in 2018 steigen wird. Ihre herausragenden Eigenschaften führen zu grundlegender Forschung in Richtung neuer Wachstumsfelder von Fluorpolymeren [2].

Die besonderen Eigenschaften der Fluorpolymere kommen von der elektronischen Struktur des Fluor-Atoms, der stabilen Kohlenstoff-Fluor-Verbindung (C-F) und den einzigartigen intra- und intermolekularen Wechselwirkungen zwischen fluorierten Polymer-Seitengruppen und der Polymer-Hauptkette. Fluorierte Moleküle lassen sich kaum polarisieren oder ionisieren und zeigen weder einen permanenten Dipol noch sterische Hinderung in ihrer Struktur, was zu einer geringen Oberflächenenergie sowie einer kleinen Adhäsionsarbeit führt [3]. Diese schlechten thermodynamischen Benetzungseigenschaften werden oft als größte Schwäche bei der Anwendung von Fluorpolymeren bezeichnet. Dementsprechend werden häufig Vorbehandlungsmethoden, wie Plasmabehandlung, Beflammung, chemisches Ätzen und Primern, angewendet, um die Benetzung zu verbessern [4].

Die physikalische Oberflächenvorbehandlung durch Plasma ist eine häufig eingesetzte Methode zur Modifizierung von Polymeren. Diese kann auch bei Fluorpolymeren nachweislich zur Verbesserung der Adhäsion durch Erhöhung der Oberflächenenergie (OFE) führen [3]. Einige interessante Aspekte werden in dieser Arbeit betrachtet.