Die Verwendung wasserbasierter Farben und Klebstoffe auf BOPP ist derzeit ohne den zusätzlichen Einsatz eines teuren Primers nur begrenzt möglich. Grund dafür ist die eingeschränkte Reaktionsfähigkeit des Substrats mit Sauerstoff, wodurch nach der Korona-Behandlung maximal eine Oberflächenspannung von 46 dyn/cm erreicht wird.
Die einzige Lösung besteht aktuell darin, bereits grundiertes BOPP oder BOPP mit integriertem Primer zu verwenden. Dies ist kostspielig, und der Primer ist lösemittelbasiert, was die Substratdicke beeinflusst. Mit der Plasma-Technologie von Vetaphone lassen sich jedoch Oberflächenspannungen von bis zu 60 dyn/cm auf BOPP erzielen – bei mit Abstand dem branchenweit niedrigsten Gasverbrauch. Dank dieser reduzierten Betriebskosten konnte in einem kommerziellen Umfeld eine Amortisationszeit von nur 12 Monaten nachgewiesen werden.
Um dies zu erklären, muss die Chemie der BOPP-Oberfläche betrachtet werden. Die Korona-Entladung ist eine elektrische Entladung mit einer typischen Leistung zwischen 30 kW und 40 kW. Dabei werden bestehende Molekülketten aufgebrochen und neue gebildet. Die neuen Molekülketten auf der Oberfläche entstehen hauptsächlich aus dem Sauerstoff im Luftspalt der Umgebungsluft. Die O2-Moleküle spalten sich in O-Atome auf, die sich dann mit den CH-basierten Gruppen auf der Oberfläche der Kunststofffolie verbinden und so die neuen Molekülketten bilden. Als Nebenprodukt entsteht Ozon (O2), das anschließend durch die obligatorische Absaugung des Korona-Behandlungsgeräts aus dem Bereich entfernt wird.
Plasma ähnelt der Korona-Behandlung, da die elektrische Entladung auf dieselbe Weise erzeugt wird. Im Gegensatz zur Korona-Behandlung, die Umgebungsluft nutzt, arbeitet Plasma jedoch mit einer streng kontrollierten Atmosphäre, die in diesem Fall auf Stickstoff basiert. Durch die vollständige Entfernung des Sauerstoffs kann Plasma spezifische Molekülketten auf die Oberfläche aufbringen. Um hohe Dyn-Werte auf BOPP zu erzielen, werden vorwiegend Amin-, Amid- und Imidgruppen als Molekülketten angestrebt. Da durch die Entfernung des Sauerstoffs aus dem Luftspalt kein Ozon entsteht, ist die Erzeugung der benötigten Molekülgruppen allein nicht ausreichend. Das Wissen, wie man die Oberfläche gleichmäßig mit minimalem Materialverbrauch auf denselben Dyn-Wert behandelt, ist entscheidend für die Herstellung eines optimalen und kostengünstigen Produkts. Das Geheimnis liegt in der Erzeugung der richtigen Mischung von Molekülgruppen auf jedem spezifischen Material in einer hochkontrollierten Atmosphäre.
Der Oxidationsgrad der Oberfläche ist begrenzt. Nach Erreichen von 46 dyn/cm mit Korona führt eine bloße Leistungserhöhung nicht zu einer weiteren Verbesserung der Oberflächenspannung. Mit Plasma Standard Grafting lassen sich jedoch 56 dyn/cm auf BOPP-Material erzielen, und durch Advanced Grafting kann die Plasmabehandlung sogar eine Oberflächenspannung von 60 dyn/cm erreichen. Es ist wichtig zu beachten, dass – genau wie bei Korona – auch bei diesen beiden Behandlungsarten eine weitere Leistungserhöhung keinen Vorteil bringt. Es herrscht die weitverbreitete Annahme, Plasma sei lediglich eine Weiterentwicklung von Korona. Dies ist aufgrund der beteiligten Variablen nicht korrekt. Bei vielen Materialien lässt sich auch mit Korona eine signifikante Oberflächenhaftung erzielen, sodass der Wechsel zu Plasma für diese Materialien kaum Vorteile brächte und die Kosten erheblich erhöhen würde.
Ein großer Vorteil der Plasmabehandlung, die nicht inline erfolgen muss, ist die Vermeidung von Alterungsprozessen. Nach der Korona-Behandlung wandern die Additive in der Kunststofffolie wieder an die Oberfläche. Aufgrund der durch die Korona-Behandlung erzeugten Molekularstruktur geschieht dies recht leicht. Je nach Additivmenge kann dieser Alterungseffekt Stunden bis Wochen dauern. Fakt ist, dass die Oberflächenrauheit (Dyn/cm) immer abnimmt (Alterung), bis ein Substrat seinen ursprünglichen Wert von 32 dyn/cm erreicht.
Korona-behandeltes BOPP erreicht innerhalb weniger Wochen wieder seinen ursprünglichen Wert von 32 dyn/cm. Bei der Standard-Plasma-Pfropfung ist die Rate ähnlich, jedoch mit einem höheren Ausgangswert und einem höheren Endwert von etwa 46 dyn/cm nach sechs Monaten, wo sich der Wert stabilisiert. Bei der Advanced-Plasma-Pfropfung tritt keine Alterung auf. Die erreichten 60 dyn/cm auf BOPP bleiben auch nach 18 Monaten konstant. Wie bei der Korona-Entladung benötigt man auch bei der Plasma-Entladung je nach Material unterschiedliche Leistungen pro Quadratmeter, den sogenannten Materialfaktor, der in Watt·min/m2 gemessen wird, um den gewünschten Dyn-Wert zu erreichen. Dieser Faktor variiert je nach Material, und selbst dasselbe Material von verschiedenen Herstellern kann unterschiedliche Anforderungen an den Materialfaktor stellen, abhängig von der genauen chemischen Zusammensetzung des Produkts.
Einzigartig bei der Plasma-Entladung ist die Möglichkeit, den Materialfaktor und die Atmosphäre zu verändern, um hohe und dauerhafte Dyn-Werte zu erzielen. Durch die Anpassung des Gasgemisches, das hauptsächlich auf Stickstoff basiert, lässt sich die Menge der verschiedenen Molekülgruppen feinjustieren. Das exakte Gasgemisch kann problemlos im Vetaphone-Labor hergestellt werden, und alle benötigten Gase sind von jedem Lieferanten erhältlich. Die typischen zusätzlichen Betriebskosten im Vergleich zur Korona-Entladung liegen zwischen 0,30 und 0,50 Cent/m2. Der Gasverbrauch eines Vetaphone-Plasmasystems ist weniger als halb so hoch wie der jedes anderen derzeit auf dem Markt befindlichen Systems.
Das System verbraucht nicht nur weniger Gas, sondern dieses ist auch lizenzfrei, d.h. es kann von jedem beliebigen Lieferanten bezogen werden. Bisher hat Vetaphone mit Plasma höhere Dyn-Werte bei PP, OPP, BOPP, PVC, PET und PVDC erzielt. Zudem wurden mit Plasma länger anhaltende Dyn-Werte bei BOPP, fluorierten Polymeren (FEP, ETFE, ECTFE), PE, PLA, COC und COP erreicht. Dies ist erst der Anfang, denn die Rezeptur für viele weitere Materialien wird in Zukunft verfügbar sein, da die Chemiker von Vetaphone ihre Forschung und Entwicklung in der Industrie fortsetzen.
Die Plasmatechnologie ist kein neues Phänomen und wird seit den 1990er Jahren in Laboren eingesetzt. Der Unterschied besteht nun darin, dass sie in kommerziellen Produktionsanlagen Anwendung findet. In der Vergangenheit lag die Hauptbeschränkung darin, dass die Anlagen die Atmosphäre nicht präzise steuern konnten. Eine Lösung bestand darin, den Gasverbrauch zu erhöhen, was sich bei kleinen Maschinen, niedrigen Drehzahlen und kurzen Produktionsläufen als teilweise erfolgreich erwies. Das Problem dieser Methode war jedoch, dass sie keine Rendite abwarf. Hinzu kam, dass die Anlagen vertragsbasiert verkauft wurden, sodass der Anwender das Gas vom Maschinenlieferanten beziehen musste, oft nicht zum Marktpreis. Dies gab den Technologieherstellern keinen Anreiz, die Systeme gaseffizienter zu gestalten. Ein weiteres Hauptproblem war die mangelhafte Atmosphärenkontrolle. Selbst bei hohem Gasverbrauch war die Behandlung ungleichmäßig, weshalb sich diese Anlagenart in der kommerziellen Produktion nie durchsetzen konnte.
Doch all das gehört nun der Vergangenheit an, denn die heutige Vetaphone-Plasma-Technologie bietet eine Lösung für diese bekannten Probleme. Der Gasverbrauch ist nicht nur deutlich geringer, sondern die Atmosphäre wird während des gesamten Produktionsprozesses kontrolliert. Einflussfaktoren werden überwacht und Durchfluss sowie Gasmischung entsprechend angepasst. Als Qualitätsnachweis kann der Kunde heute Verbrauchsprotokolle, Leistungsmessungen, Gasmischung und weitere entscheidende Faktoren einsehen, die eine präzise Atmosphärenkontrolle und die Einhaltung der Prozessspezifikationen gewährleisten. Da es keine Einschränkungen hinsichtlich Behandlungsgeschwindigkeit oder -breite gibt, ermöglicht Vetaphone Plasma Anwendern, die Technologie sowohl an kleinen Labormaschinen als auch in der kommerziellen Produktion im vollen Umfang zu testen. (Bildquelle: Vetaphone)
