Einfluss der Wechselwirkungen auf die Substratanbindung von Atmosphärendruck-Plasmaschichten

Abstract

Viele Eigenschaften von Elastomeren werden bereits bei der Verarbeitung des Kautschuks mit diversen Inhaltsstoffen festgelegt bzw. gesteuert. In dieser Arbeit wird gezeigt wie sich die Oberflächeneigenschaften von EPDM und NBR verändern, wenn diese einer Plasmabehandlung unterzogen werden. Dies beinhaltet die reine Aktivierung mit einem Plasma im ersten Schritt und die anschließende Plasmapolymerisation mit siliziumorganischen „Precursoren“(Hexamethyldisiloxan HMDSO bzw. Tetraethylorthosilicat TEOS) im zweiten Schritt, die eine Applizierung einer nanoskaligen Polymerschicht auf dem Elastomer bedeutet. Die Plasmaschichten wurden im PE-CVD-Verfahren (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) auf die selbst hergestellten Elastomere abgeschieden und untersucht. Die Untersuchung umfasst neben der Charakterisierung mittels REM, AFM und FTIR insbesondere die Ermittlung der Oberflächenenergien und die Untersuchung der tribologischen Eigenschaften. AFM und FTIR sind Methoden um Rückschlüsse auf die Haftung zwischen Plasmapolymer und Elastomer zu ziehen und diese durch weitere Berechnungen vorherzusagen und zu korrelieren. Die Vorhersage über eine kovalente Anbindung zwischen Plasmapolymeren auf Elastomeren soll durch die Bestimmung der Flory-Huggins-Wechselwirkungsparameter geschehen. Der Parameter muss für die Materialpaarung, also für Plasmapolymer und Elastomer berechnet werden. Die Differenz beider Wechselwirkungsparameter gibt Aufschluss über die Wechselwirkung beider Komponenten zueinander. In der Theorie wird eine Abhängigkeit zwischen dem Wechselwirkungsparameter und der Oberflächenenergie von Polymeren aufgezeigt, die in dieser Arbeit für die Vorhersage einer Haftung der Plasmapolymere auf Elastomere herangezogen wird. Die Bestimmung der Oberflächenenergie erfolgte ausschließlich über Kontaktwinkelmessungen. Um zu verizifieren ob die Plasmaschicht auf dem Elastomer hält, wurden zusätzlich tribologische Belastungsexperimente durchgeführt. Es konnte festgestellt werden, dass die Oberflächenenergien der Plasmaschichten mit denselben „Precursoren“ auf unterschiedlichen Substraten zu unterschiedlichen Ergebnissen führten. Dabei spielt offenbar die Zusammensetzung der verwendeten Kautschukmischungen eine große Rolle. Weiter konnte beobachtet werden, dass der Reibkoeffizient nahezu aller beschichteten Elastomere stark gesenkt werden konnte und mitWerten von Gleitlacken durchaus vergleichbar sind. Die tribologischen Belastungexperimente haben jedoch gezeigt, dass einzig die Plasmaschichten auf der „upside down“ gemischten EPDM-Probe nicht optimal haften und über den Belastungstest erhöhte Reibkoeffizienten wiedergibt. Dies spiegelt sich in den Korrelationsdiagrammen zwischen Wechselwirkungsparameter und Haftung entsprechend wieder.