Das IGF-Vorhaben (279 ZBG) der Forschungsvereinigung „Verein zur Förderung des Forschungsinstitutes für Leder und Kunststoffbahnen (FILK) Freiberg/Sachsen e. V.“ wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der „Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF)“ vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Wir bedanken uns für die gewährte Unterstützung.

Projektziel war der Nachweis der Eignung atmosphärischer Plasmaverfahren für die Applikation von Barriereschichten auf PVC Oberflächen. Dazu wurden drei Möglichkeiten der Abscheidung bei atmosphärischen Bedingungen ausgewählt. Die Dielektrische Barrierenentladung (DBE) wurde genutzt, um schichtbildende Precursoren in Form von Aerosolen auf Basis von Sol/Gel Systemen sowie in Form gasförmiger siliciumorganischer Verbindungen in den Entladungsprozess einzuspeisen. Neben der Precursorart und -menge wurden als Prozessparameter die Art der zugespeisten Prozessgase (N2, O2), die Leistung mit und ohne Pulsung sowie die Anzahl der Anlagendurchläufe variiert. Die Aerosolzudosierung erwies sich für den Aufbau von Barriereschichten als ungeeignet, da mit dieser Art der Prozessführung nur sehr dünne Schichten unter wirtschaftlichen Aspekten realisierbar sind. Bei dieser Variante konnte keine Barriere für Weichmacher festgestellt werden. Die gasförmigen Zudosierungen erwiesen sich als besser geeignet.

Von den gewählten Precursoren konnten mit HMCTSO und OMCTS die besten Barriereeffekte erzielt werden. Es zeigte sich, dass das Prozessfenster für die Erzielung optimaler Sperrwirkung sehr klein ist. Entscheidend wird es von der Schichtstöchiometrie und Schichtstärke bestimmt. Dicke Schichten sperren besser, verfügen aber über eine ungenügende innere Festigkeit. Außerdem ist bei dickeren Schichten die Gefahr der Rissbildung auf Grund von Spannungsrissen gegeben. Zu dünne Schichten können dagegen Defekte in der Schicht aufweisen, was ebenfalls die Sperrwirkung negativ beeinflusst. Von den zwei Precursoren ergab sich bei OMCTS die bessere Prozessreproduzierbarkeit. Die damit erzeugten Schichten konnten 95 % des sonst migrierenden Weichmachers zurückhalten (Bestimmung mittels DIN EN ISO 177). 

Als weiteres atmosphärisches Plasmaverfahren wurde der Auftrag mittels Plasmadüse untersucht. Hier wurde als Precursor TEOS und HMDSO verwendet. Variiert wurden die Precursormenge und die Verfahrgeschwindigkeit des Probetisches. Untersuchungen zur Sperrwirkung machten deutlich, dass die Barriereeigenschaften im Vergleich zur Optimalvariante DBE schlechter waren. Die optimale Düsenbeschichtung konnte bei einer Schichtstärke von ca.120 nm nur 45 % des migrierenden Weichmachers zurückhalten. Eine Vorreinigung mit einem Sauerstoff- oder Argon-Plasma vor der Schichtabscheidung zeigte eine deutlich verringerte Migrationsneigung, was vermutlich auf eine Entfernung von Weichmachern in den oberflächennahen Schichten zurückgeführt werden kann. Ein Vergleich zu konventioneller Sperrschichtapplikation mit einem Sperrlack auf Basis eines Sol/Gel-Systemes ergab, dass die Plasmapolymerschichten mit Schichtstärken von 100 – 150 nm ähnliche Sperrwirkung zeigen wie 2 μm dicke mit Spiralapplikator aufgetragene Hybridpolymerschichten. Die Untersuchung der Witterungsbeständigkeit der Plasmapolymerbeschichtungen (Temperatur, UV-Licht und hohe Luftfeuchte sowie Einlagerung in Wasser) ergab Unbeständigkeit gegenüber Wassereinlagerung und in geringerem Maße Verschlechterung bei Temperatur und Luftfeuchte.

Die zu Vergleichszwecken im Niederdruck abgeschiedenen Schichten waren unauffälliger gegenüber Witterungseinflüssen. Dies lässt eine intensivere Vernetzung bei dieser Prozessvariante vermuten. Die Weiterverarbeitung der plasmabeschichteten Materialien bestätigte die thermische
Verschweißbarkeit der Barrierebeschichtungen sowie die Möglichkeit der Zurichtung mit
konventionellen Veredlungssystemen (wässrige PUR Dispersionen und Sol/Gel Lacke). Durch die Kombination der Plasma- mit den Hybridpolymerschichten konnte ein synergistischer Effekt hinsichtlich Barrierewirkung festgestellt werden. So konnte bei gut sperrenden Schichten der Migrationskoeffizient von 0,18 auf 0,09 und bei schlecht sperrenden Schichten von 0,85 auf 0,31 verringert werden. Damit bestätigt sich die Möglichkeit des Einsatzes von Plasmapolymerschichten als Sperrzwischenschicht.

Die Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, mit atmosphärischen Plasmaprozessen eine Sperrwirkung für Weichmacher zu erzielen.

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