Optimierung der Klebverbindung: Oberflächenbehandlungsstrategien für Duroplast- und Thermoplast-Verbundwerkstoffe

Oberflächenbehandlung – die irgendeine Methode der Behandlung, Aufrauung oder Reinigung einer Bauteil- oder Materialoberfläche umfasst – kann essenziell sein, um die notwendigen Eigenschaften für erfolgreiches Kleben, Beschichten oder sogar Lackieren zu erreichen. Allerdings sind einige Methoden für bestimmte Materialien effektiver als andere.

Laut Giles Dillingham, CEO und Chief Scientist bei BTG Labs (Cincinnati, Ohio, USA), muss Oberflächenbehandlung von Materialien für Kleben, Beschichten oder Dichten drei Dinge bewirken:

1. Reinigung: Dies bedeutet, die Menge schädlicher Verunreinigungen auf der Oberfläche auf ein Niveau zu reduzieren, auf dem inniger (molekularer) Kontakt des Klebstoffs mit der Oberfläche erreicht wird. Alles, was diesem Kontakt im Wege steht, ist ein Verunreinigung, das durch verschiedene Reinigungstechniken entfernt oder auf ein unkritisches Niveau reduziert werden muss.
2. Aktivierung: Die gereinigte Oberfläche muss chemisch aktiv genug sein, um primäre oder sekundäre chemische Bindungen mit dem Klebstoff einzugehen. Eine saubere, aber chemisch inerte Oberfläche kann die für starke und zuverlässige strukturelle Haftung notwendigen chemischen Bindungen nicht eingehen.
3. Stabilisierung: Die Oberfläche muss beständig gegen Degradation (meist Oxidation) sein, wenn sie der Nutzungsumgebung ausgesetzt ist. Die Sauberkeit und chemische Aktivität der Oberfläche muss bis zum tatsächlichen Klebe- oder Beschichtungsvorgang erhalten bleiben.

Die relative Wichtigkeit dieser drei Aspekte der Oberflächenbehandlung hängt von der Materialklasse ab, laut Dillingham. Zum Beispiel haben Metalle sehr hohe Oberflächenenergien, was bedeutet, dass die Oberflächen hoch chemisch reaktiv sind und schnell verunreinigen. Oberflächenbehandlung für Metalle fokussiert sich auf Reinigung und Erstellung eines stabilen Oxids. Für Verbundwerkstoffe ist ein anderer Ansatz für erfolgreiches Kleben und Beschichten nötig, weil Thermoset- und Thermoplast-Polymere relativ niedrige Oberflächenenergien haben und daher nicht so leicht verunreinigen wie Metalle und während Umwelteinwirkung relativ stabil sind. Diese gleichen Eigenschaften machen Klebstoffe jedoch weniger haftfähig auf Verbundwerkstoffen. Daher fokussiert sich Oberflächenbehandlung von Verbundwerkstoffen meist auf den zweiten oben genannten Faktor: Erhöhung der Oberflächenenergie, damit eine starke Bindung mit einem Klebstoff gebildet werden kann.

Bestimmung der Oberflächenenergie

Zwar sind Oberflächenenergien generell niedrig, können aber in verschiedenen Materialien und Verbundbauteilen variieren, und Oberflächenbehandlungen variieren entsprechend. Laut Dillingham ist die Fähigkeit, die Oberflächenenergie eines Objekts oder Materials schnell und quantitativ zu beurteilen, der wichtige erste Schritt zum Entwerfen, Implementieren oder Verstehen der korrekten Oberflächenbehandlung.

Es gibt mehrere Ansätze zum Testen der Oberflächenenergie; eine populäre Technik, die BTG Labs oft nutzt, beinhaltet die Messung des Benetzungswinkels, den ein Flüssigkeitstropfen auf der Testoberfläche bildet. Bei dieser Methode deutet es darauf hin, dass die Flüssigkeit nicht von der Oberfläche angezogen wird, wenn sie bei Kontakt perlt. Wahrscheinlich wird ein Klebstoff oder Lack auch nicht stark von dieser Oberfläche angezogen, und die Haftung wird schlecht sein. Verunreinigung ist eine Ursache dafür, dass eine Oberfläche einen Flüssigkeitstropfen auf diese Weise abweist.

Wenn sich die Flüssigkeit jedoch bereitwillig ausbreitet statt zu perlen, deutet dies darauf hin, dass die Oberfläche die Flüssigkeit stark anzieht. Eine solche Oberfläche hat hohe chemische Energie und wird im Allgemeinen gut an einen Klebstoff haften. Dillingham merkt an, dass Verunreinigung mit einem Tensid, wie Seife, Flüssigkeiten auch auf einer Oberfläche ausbreiten lässt, aber dass tensidinduziertes Benetzen anhand der Geschwindigkeit, mit der sich die Flüssigkeit ausbreitet, leicht unterschieden werden kann.

Der Winkel zwischen einem Flüssigkeitstropfen und der Oberfläche – also der Benetzungswinkel (siehe Bild links) – setzt einen Wert auf die Anziehung der Oberfläche für die Flüssigkeit. Es gibt mehrere Faktoren, die bestimmen, welcher Ziel-Benetzungswinkel für eine gute Klebverbindung auf einer gegebenen Oberfläche sein sollte, einschließlich der Frage, ob die Haftung über einen Überlapp-Scher-Versuch oder einen Double-Cantilever-Beam (DCB) bewertet wird. Generell deuten niedrige Benetzungswinkel (von 0 Grad bis ~30–40 Grad) auf eine saubere, hochenergetische Oberfläche hin, die gute Haftung zu Klebstoffen und Lacken herstellt; hohe Winkel (60–90 Grad oder mehr) deuten auf eine niedrigenergetische oder verunreinigte Oberfläche hin, die allgemein schwer zu verkleben ist. Ein Benetzungswinkel im 40–60-Grad-Bereich ist weniger eindeutig: Dies kann eine Oberfläche anzeigen, die weniger vorhersehbar sauber und bereit für das Kleben ist als eine mit niedrigerem Benetzungswinkel, aber nicht so sicher schwache Bindungen erzeugt wie eine Oberfläche mit Messungen über diesem Bereich.

Duroplaste vs. Thermoplaste

Duroplast-Verbundwerkstoffe (wie Epoxide, Polyimide, Bismaleimide) und Thermoplast-Verbundwerkstoffe (wie PAEK, PEEK, PEKK und Polyphenylensulfid) haben unterschiedliche Oberflächeneigenschaften und erfordern unterschiedliche Oberflächenvorbereitungsstrategien.

In einigen Fällen, so Dillingham, können Duroplast-Harze von Oberflächenfilmen profitieren, die die chemische Reaktivität der Verbundwerkstoffoberfläche erhöhen. Diese Oberflächen zeigen typischerweise Wasser-Benetzungswinkel im 30-Grad-Bereich nach Abziehen des Peel-Ply und sind meist klebbar. In anderen Fällen, wo die Polymeroberfläche besonders unreaktiv ist, liegen Wasser-Benetzungswinkel bei 50–60 Grad, und Oberflächenbehandlungen können für gute Haftung notwendig sein.

Eine weitere Oberflächenbehandlungstechnik, die bei Duroplast-Verbundwerkstoffen einige Erfolge hatte, ist Aufrauen, manuell oder per Strahlen. Laut Dillingham funktioniert Aufrauen, weil Duroplast-Matrixharze spröde Polymere sind, die unter Aufrauen durch tatsächlichen Bruch der Polymerketten brechen, um eine chemisch aktive Oberfläche zu schaffen. Diese kann mit einem Klebstoff reagieren, um eine starke, stabile Grenzfläche zu bilden. Je nach chemischer Zusammensetzung des Duroplast-Polymers kann Aufrauen den Wasser-Benetzungswinkel um 10 Grad oder mehr reduzieren, was für gutes Kleben ausreichen kann.

Thermoplastische Polymere verhalten sich jedoch anders als Duroplast-Polymere. Da die Polymerketten nicht durch Vernetzung in ein starres Netzwerk eingebunden sind, neigen sie, so Dillingham, dazu, unter Aufrauen zu fließen – sich also plastisch zu verformen – anstatt zu brechen. Während ein aufgerauter Thermoplast-Verbundwerkstoff rau sein mag, ist er immer noch chemisch unreaktiv und nicht in der Lage, eine gute Bindung mit einem Klebstoff, Beschichtung oder Dichtmittel herzustellen. Zusätzlich ändern sich Wasser-Benetzungswinkel auf diesen Oberflächen generell nicht signifikant durch Aufrauen. Für Thermoplast-Verbundwerkstoffe können Plasmaprozesse eine effektive Methode zur Erhöhung der Oberflächenenergien sein. Die obige Abbildung zeigt Scherfestigkeit (vertikale Achse) versus Benetzungswinkel (horizontale Achse) für PEKK geklebt mit Solvay 377S Folienklebstoff. Laut den Daten verbesserten Lösemittelabwischen, Handschleifen und Strahlen die Scherfestigkeit in diesem Fall nicht, während Plasmaprozesse die Festigkeit um >30 % steigerten. Darüber hinaus versagten die plasmabehandelten Proben kohäsiv im Klebstoff, während die anderen Proben mindestens teilweise an der Grenzfläche zwischen Klebstoff und Substrat versagten.

Starke, zuverlässige Klebverbindungen für strukturelle Zwecke sind zwischen den meisten strukturellen Materialien erreichbar, schließt Dillingham. Allerdings können Oberflächenbehandlungen, die für eine Materialklasse gut funktionieren, für eine andere unangemessen sein; Oberflächenbehandlungen müssen mit den spezifischen chemischen Eigenschaften von Substrat und Klebstoff im Hinterkopf konzipiert werden. Die meisten Anwendungen für Thermoplast-Verbundwerkstoffe erfordern Behandlungen, die die Oberflächenenergie in einem noch größeren Ausmaß erhöhen als bei Duroplast-Verbundwerkstoffen, daher sollten Oberflächenbehandlungen anders behandelt werden. Die Kombination von Oberflächenbehandlungen mit geeigneten Mess- und Kontrollstrategien stellt sicher, dass Oberflächenbehandlungen effektiv und zuverlässig sind.