Polymeroberflächen weisen eine geringe Fähigkeit zur Wechselwirkung mit anderen Materialien auf. Dieser Aspekt ist durch eine physikalische Größe namens Oberflächenenergie charakterisiert:
- Die sehr hohe Oberflächenenergie ist ein Indiz für große Reaktivität, und das Material neigt dazu, mit anderen Materialien zu reagieren, mit denen es in Kontakt kommt.
- Eine niedrige Oberflächenenergie ist charakteristisch für inerte Materialien.
Die gängigsten Polymeroberflächen (PE oder PP) weisen eine sehr niedrige Oberflächenenergie auf, wodurch Wechselwirkungen mit anderen Materialien (z. B. Druckfarben) erschwert werden.
Die Korona-Behandlung verändert die Oberflächenenergie des Materials, ohne seine Eigenschaften zu verändern und ermöglicht es so, diese Einschränkungen zu überwinden.
Der zwischen zwei Elektroden erzeugte elektrische Entladungsstrom „aktiviert“ die Oberfläche des Kunststoffmaterials, wodurch dieses chemisch aktiviert wird und eine höhere Reaktivität erhält – eine grundlegende Voraussetzung für eine gute Haftung in den nachfolgenden Prozessschritten.
Die Behandlung mittels Koronaentladung wird aufgrund ihrer Wirksamkeit, ihrer Verträglichkeit mit verschiedenen Materialien und der Möglichkeit, sie kontinuierlich direkt in der Produktionslinie anzuwenden, weit verbreitet eingesetzt. Die Schnelligkeit des Prozesses, der in Bruchteilen einer Sekunde abläuft, macht ihn ideal für industrielle Anwendungen mit hoher Produktivität.
In der Regel werden Walzen als Elektroden verwendet, da die Produktionslinien mit Kunststoffrollen arbeiten.
Physik der Koronaentladung
Die Koronaentladung ist ein Phänomen der Teilionisation, das auftritt, wenn die Luft einem elektrischen Feld ausgesetzt wird, das stark genug ist, um die Bildung eines leitfähigen Bereichs zu bewirken, ohne jedoch einen vollständigen Lichtbogen zwischen den Elektroden zu erzeugen (da sich dort die zu behandelnde Polymerschicht befindet).
Im Bereich der Oberflächenbehandlung von Kunststoffen sieht die typische Konfiguration eine walzenförmige Elektrode vor, die häufig mit einem Silikonüberzug versehen ist (als zusätzlicher Schutz vor Durchschlägen und um eine gute Reibung mit der Kunststofffolie zu gewährleisten).
Es wird eine hochfrequente Wechselspannung (zwischen 10 und 50 kHz) mit hoher Spannung (zwischen 5 und 20 kV, je nach Materialstärke und zu erreichender Leistung) angelegt.
Wenn das elektrische Feld die dielektrische Festigkeit der Luft (ca. 30 kV mm−1) überschreitet, setzt der Ionisationsprozess ein: Die freien Elektronen, die durch das Feld beschleunigt werden, nehmen genügend Energie auf, um die neutralen Luftmoleküle durch Stöße zu ionisieren, wodurch ein Lawineneffekt ausgelöst wird.
Diese Entladung findet in einem nicht-thermischen Bereich statt, in dem die Elektronen eine hohe kinetische Energie besitzen, die Temperatur des Luftspalts jedoch nahe der Umgebungstemperatur bleibt (der Luftspalt neigt dazu, sich zu erwärmen, überschreitet jedoch niemals 60/70 °C, es sei denn, es werden sehr hohe Leistungen erreicht). Dadurch können chemische Oberflächenreaktionen ausgelöst werden, ohne dass das Material aus Kunststoff thermisch beschädigt wird.
Die Dichte und Intensität der Entladung hängen von verschiedenen Faktoren ab:
- Elektrodengeometrie
- Abstand zwischen den Elektroden
- Gaszusammensetzung
- Generatorfrequenz/-spannung.
Kleine, kurzlebige Leuchtfäden bilden das charakteristische „fadenförmige“ Erscheinungsbild der Koronaentladung, doch ist der Abstand zwischen den Entladungen so gering, dass die Behandlung des Materials nahezu homogen erfolgt.
Das Auftreten einer schwachen violetten Lumineszenz in der Nähe der Elektrode zeigt an, dass der Mechanismus zur Erzeugung von Ladungsträgern (Elektronen und positive Ionen) nun ausreichend Energie entwickelt hat, um sich selbstständig aufrechtzuerhalten, ohne dass eine kontinuierliche Zufuhr von Elektronen durch die Elektrode erforderlich ist.
Unter diesen Bedingungen setzt der sogenannte Lawineneffekt ein, bei dem die durch das elektrische Feld beschleunigten freien Elektronen durch Stoß neue Elektron-Ionen-Paare erzeugen und so eine exponentielle Vermehrung auslösen, die als „Townsend-Prozess“ bezeichnet wird: Die primäre Ladungserzeugung erfolgt direkt im Gasvolumen.
Wenn das elektrische Feld den kritischen Schwellenwert überschreitet, bilden sich im Luftspalt ionisierte Bereiche, in denen sich das Gas teilweise wie ein Leiter verhält.
Die Spannung ist eine wesentliche Voraussetzung für das Entstehen der Entladung, doch entscheidend für die Wirksamkeit der Behandlung ist der vom Generator gelieferte Strom Daher ist nicht nur eine hohe Spannung erforderlich, um die Entladung auszulösen, sondern auch eine gewisse Leistung, um die Spannung wirksam zu steuern; Diese Leistung hängt von der Systemlast ab.
Chemische Reaktionen und Koronaentladung
Bei der Koronabehandlung wird durch die hohe elektrische Energie, die auf das umgebende Gas übertragen wird, eine Reihe chemischer Reaktionen ausgelöst, an denen Luftmoleküle beteiligt sind.
In der Nähe der Oberfläche des Kunststoffmaterials begünstigt die Wechselwirkung mit hochreaktiven Spezies – insbesondere freien Radikalen, Ionen und Ozon – die Einlagerung polarer funktioneller Gruppen in die Polymeroberfläche.
Zu den am häufigsten eingesetzten Gruppen gehören Gruppen auf Sauerstoffbasis (Sauerstoff ist der Motor des Koronabehandlungsprozesses). Der eingebundene Sauerstoff kann sowohl von Sauerstoffionen (Ozon O₃ oder einatomiger Sauerstoff O, beides reaktive Spezies) als auch von Hydroxylionen stammen, die aus ionisiertem Wasserdampf entstehen.
Die funktionellen Gruppen , die sich an der Oberfläche des Polymers befinden und zur Benetzbarkeit des Materials beitragen, sind hauptsächlich:
- Carbonylgruppen (-C=O)
- Carboxylgruppen (-COOH)
- Hydroxylgruppen (-OH)
- Peroxide (-OOH).
Diese Beimischungen erhöhen die Oberflächenenergie des Materials erheblich und verbessern dadurch die Haftung von Druckfarben, Klebstoffen und Beschichtungen.