Behandlung von PP- und PET-Substraten im Argon- und Methan, Argon-Plasma

Harwardt, Heike; Höcker, Hartwig

doi:HT014979241

Behandlung von PP- und PET-Substraten im Argon- und Methan, Argon-Plasma = Treatment of PP- and PET-substrates with Argon- and Methan/Argon-plasma

Harwardt, Heike (Author)

2006 & 2007

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Heike Harwardt

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2006

UmfangVIII, 146 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006

Prüfungsjahr: 2006. - Publikationsjahr: 2007

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Höcker, Hartwig (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2006-09-04

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-17658
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/61605/files/Harwardt_Heike.pdf

Einrichtungen

RWTH Aachen (hsbk000000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Chemie (frei) ; Mikrowellenplasma (frei) ; Plasma (frei) ; Kaltes Plasma (frei) ; Oberflächenveredelung (frei) ; Oberfläche (frei) ; Modifizierung (frei) ; Polymere (frei) ; Vernetzung (frei) ; Massenspektromet (frei) ; MW-plasma (frei) ; surface modification (frei) ; polymers (frei) ; crosslinking (frei) ; QMS (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Materialien wie PP und PET kommen aufgrund steigendem Bedarf nach preisgünstigen Produkten immer häufiger zum Einsatz. Dabei werden Produkte mit speziellen Oberflächeneigenschaften gefordert. Für Oberflächenmodifizierungen von Polymeren eignen sich insbesondere Mikrowellen (MW) induzierte Plasmen, da hierbei eine Schädigung des Materials auf ein Minimum reduziert wird. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Modifizierungen von PP- und PET-Substraten im Ar- und CH4/Ar-Plasma insbesondere auf Bildung von Radikalen und Vernetzungen zu untersuchen. Durch die Behandlung von PP-Folien im Ar- wie auch im CH4/Ar-Plasma konnte eine deutliche Hydrophilierung der Oberfläche festgestellt werden, die über einen Zeitraum von 3 Wochen stabil blieb. Dies wurde als indirekter Beweis für Vernetzungsreaktionen gewertet. Die mittels Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie (XPS) bestimmter Elementzusammensetzung der behandelten PP-Oberfläche zeigte ein höheres O/C-Verhältnis im Vergleich zum Ausgangsmaterial. Die im CH4/Ar-Plasma behandelten Proben zeigten ebenfalls eine deutliche Zunahme des O/C-Verhältnisses gegenüber unbehandeltem PP. Die Transmission der PP-Folien wurde mittels UV-Vis-Spektrometrie bei einer Wellenlänge von 190 nm gemessen. Es zeigte sich eine deutliche Zunahme der Extinktion sowohl bei der im CH4/Ar-Plasma behandelten als auch bei der im Ar-Plasma behandelten PP-Folie. Die Abhängigkeit der Zunahme der Extinktion von der steigenden MW-Leistung weist auf eine Zunahme an OH- und CO2-Gruppen neben C-C-Doppelbindungen in der PP-Oberfläche hin. Im Restgas des Plasmaprozesses konnte während der Behandlung Wasserstoff als Zeichen für Radikalbildungen detektiert werden. Während der Behandlung von PP-Folie im Ar-Plasma konnte eine Zunahme des H2-Anteils mit zunehmender MW-Leistung als Beweis für vermehrte Radikalbildung durch H2-Abstraktion festgestellt werden. Im CH4/Ar-Plasma wurde im Vergleich zum Ar-Plasma wesentlich mehr H2 durch die zusätzliche Fraktionierung des CH4 im Restgas detektiert. Mit zunehmendem Prozessdruck konnte keine Veränderung der Extinktion des behandelten PP bei beiden Prozessgasen festgestellt werden. Im Restgas und mit einem Plasma-Monitor hingegen konnte eine Abnahme des H2-Anteils mit zunehmendem Druck beobachtet werden. Bei vermindertem Prozessdruck werden also vermehrt Radikale gebildet, welche zu nicht UV-aktiven Gruppen also folglich zu Vernetzungen reagieren. Die Behandlung von PET-Folie im Ar- und CH4/Ar-Plasma führte zu einer starken Hydrophilierung der Oberfläche, wobei das O/C-Verhältnis gegenüber dem der unbehandelten Folie im Ar-Plasma leicht und im CH4/Ar-Plasma stark abnahm. Nach einer Behandlung im Ar-Plasma von PET-Gewebe zeigte sich eine Zunahme der Benetzbarkeit, welche über mehrere Wochen stabil blieb. Das im Ar-Plasma behandelten Gewebe wies mit zunehmender MW-Leistung eine Abnahme des O/C-Verhältnisses auf. Im Restgas konnte eine deutlich Zunahme des H2-Anteils festgestellt werden. Die Benetzbarkeit des im CH4/Ar-Plasma behandelten PET-Gewebes nahm im Vergleich zum unbehandelten Material bei einer MW-Leistung von 240 W zu und blieb über den untersuchten Zeitraum unverändert. Bei höheren Leistungen wurde das Gewebe nur direkt nach der Behandlung hydrophiler. Das O/C-Verhältnis der im CH4/Ar-Plasma behandelten Probe nahm stark ab und sank mit steigender MW-Leistung weiter. Im Restgas konnte während der Behandlung im CH4/Ar-Plasma nur eine leichte Zunahme des H2–Anteils detektiert werden. Da erwartet wird, dass das behandelte Material eine Barriereschicht aufbaut, sollte sich diese durch eine verringerte Hydrolyseanfälligkeit des PET-Gewebes in Laugen nachweisen lassen. Es konnte festgestellt werden, dass im Ar-Plasma nur bei maximaler MW-Leistung eine leichte Barriere aufgebaut wird; im CH4/Ar-Plasma dagegen eine deutliche Reduzierung der Hydrolyse des PET-Gewebes erreicht und damit eine deutliche Barriere realisiert wird.

PP and PET are very cheap materials with a growing market. Due to the improvement of surface properties of these polymers microwave induced plasma is an favourably method. In particular reduced damages of the polymer with the low temperature in plasma processes are expected. The aim of the work was to investigate the modification of PP and PET with Ar- and CH4/Ar-plasma to crosslinking and the examination of radical generation in these surfaces. The treatment of PP foils with Ar- as well as with CH4/Ar-plasma leaded to an apparent surface hydrophilicity, which was stable over three weeks. This was considered as indirect proof for crosslinking reactions. Surface composition of the treated PP determined by x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) showed a higher O/C-ratio compared to the untreated PP. Samples treated with CH4/Ar-plasma also evinced a clear increase of the O/C-ratio compared to the untreated PP. UV-Vis-spectrometry was used to evaluate the transmission of the PP foil at a wavelength of 190 nm. A great increase of extinction was notified with Ar- as well as with CH4/Ar-plasma treated PP foils. The dependence of the increasing extinction on rising MW-power refers to a growth of OH- and CO2-groups along with C-C-double bonds in the PP surface. The exhaust of the plasma process was containing hydrogen, which was considered as symptom for radical generation. While treating PP foils with Ar-plasma an increase of H2 with rising MW-power due to enlarged radical generation with abstraction of H2 was observed. Compared to Ar-plasma treatment with CH4/Ar-plasma resulted in much more H2 because of additional fracturing of CH4 in the plasma exhaust. With rising process pressure no variation in the extinction of plasma treated PP with both process gases was notified. A decrease of the amount of H2 with rising process pressure was observed in the exhaust as well with a plasma monitor. The increasing amount of radicals formed with reduced pressure lead to UV non active crosslinking. PET foils treated with Ar- and CH4/Ar-plasma showed an apparent surface hydrophilicity. The surface composition showed a lower O/C-ratio compared to the untreated for Ar-plasma treated samples and even much lower for CH4/Ar-plasma treated foils. After treatment with Ar-plasma PET fabrics appeared more wetable even over several weeks. The Ar-plasma treated fabric exhibited with rising MW-power an decrease of the O/C-ratio in the surface elemental composition. Exhaust analytics showed a clear increase of the amount of H2. Compared to the untreated material the wetability of the CH4/Ar-plasma with a MW-power of 240 W treated PET fabric increased and was stable over the whole observed time. With higher MW-power the fabric only got more hydrophilic directly after the treatment. The O/C-ratio of the CH4/Ar-plasma treated fabric was lower than the ratio of the untreated sample and decreased rapidly with rising MW-power. While treating the fabric with CH4/Ar-plasma just a small increase of H2 in the exhaust was detected. Since the formation of a barrier layer on treated samples is expected, this layer should be determined with a reduced predisposition for hydrolysis of the PET fabric in basic suds. Investigations of the PET hydrolysis showed, that only with maximum MW-power it was possible to form a slightly barrier with Ar-plasma. CH4/Ar-plasma treatment on the other hand leaded to a distinct reduction of the PET fabric hydrolysis and thus a potent barrier layer was realised.

OpenAccess:
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