Plasmabasierte Polymeraktivierung für die stromlose Metallisierung - Hochdurchsatz-Untersuchungen mit Mikroplasma-Arrays
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt wurde die N2/H2-Plasmabehandlung von Polymeroberflächen - insbesondere hinsichtlich Menge und Art der gebildeten funktionellen Gruppen - und eine anschließende Pd- Bekeimung im PdCl2-Bad, gefolgt von direkter chemischer Metallisierung untersucht. Für diese Untersuchungen sollte ein kombinatorischer Ansatz verfolgt werden, wobei ein Gradient aus H2 in einer N2-Entladung verwendet werden sollte. Im Verlauf des Projektes wurde festgestellt, dass sich die Gasflussrate signifikant auf die Effizienz der Plasmabehandlung auswirkt: Hohe Gasflussraten führen zu einer erhöhten Dichte an gebildeten funktionellen Gruppen. Es wurde ein Aufbau entwickelt, welcher es ermöglicht, kombinatorische Untersuchungen bei hohen Gasflüssen (Rate > 5 SLM, SLM = L/min unter Standardbedingungen) durchzuführen. Dieser Aufbau kann prinzipiell für alle Anwendungen eingesetzt werden, bei denen es darum geht, eine optimale Gasmischung im (Atmosphärendruck-)Plasma zu finden. Es wurde festgestellt, dass die Bildung von Aminogruppen (-NH2) nicht der dominierende Prozess bei der Stickstoff(-Wasserstoff)-Plasmabehandlung von Polymeren ist. Dagegen konnte nachgewiesen werden, dass N,H-plasmabehandelte Oberflächen amphiphil sind, d.h. sie reagieren sowohl mit elektrophilen Reagenzien (z.B. Aldehyden), als auch mit nukleophilen (z.B. Hydrazinen, Aminen(!)). Dies steht im Widerspruch zur vorherrschenden Meinung in der Literatur, in der oft von der „Plasmaaminierung“ der Polymeroberfläche bei Plasmabehandlung in Stickstoff(-Wasserstoff-) haltigen Gasen ausgegangen wird. Bei Experimenten mit kleinen Beimischungen von Sauerstoff wurde festgestellt, dass der Prozess der Erzeugung von nukleophilen Gruppen extrem empfindlich ist gegenüber dem Vorhandensein von Sauerstoff. So wurde u.a. gefunden, dass die verwendete chemische Metallisierung (mit vorhergehender Bekeimung in PdCl2) nicht bzw. nur unvollständig möglich ist, wenn ein Sauerstoffgehalt > 0,1 % im Plasma (bei einem H2-Gehalt von 1 %) vorliegt. Dieser Grenzwert sollte berücksichtigt werden bei der Auslegung von Beschichtungsanlagen, bei denen Folienbahnen im Rollezu-Rolle-Verfahren strukturiert beschichten werden sollen. Es wurde festgestellt, dass die Haftung der Metallschicht scheinbar unabhängig vom H 2-Gehalt ist. Der Grund dafür ist vermutlich, dass die Menge an Pd, welches bei der Bekeimung in PdCl 2 angekoppelt wird, ebenfalls unabhängig vom H2-Gehalt ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “Patterned polymer surface treatment for combinatorial studies using DBD-type microplasmas fed through porous metal electrodes”, 15th International Conference on Plasma Surface Engineering (PSE), Garmisch-Partenkirchen, 2014
S. Kotula, A. Hinze, I. Krause, N. Rodriguez-Carrillo, M. Thomas, C.-P. Klages
- “Combinatorial studies of polymer surface treatment using µ-plasma-printing” 17. Fachtagung für Plasmatechnologie, Kiel, 2015
S. Kotula, J. Philipp, M. Thomas, C.-P. Klages
- “Methods for combinatorial atmospheric-pressure plasma- printing on polymer surfaces using DBD-type microplasmas”, Workshop on Micro-Contact-Printing and Nanoimprint Technology, Dresden, 2015
S. Kotula, J. Philipp, M. Thomas, C.-P. Klages
- “Myths of chemical functional group derivatization on polymer surfaces plasma-treated in N2, NH3, and N2/H2 mixtures”, 22nd International Symposium on Plasma Chemistry, Antwerpen, Belgien, 2015
C.-P. Klages, S. Kotula, Z. Khosravi
- “On the chemical nature of polymer surfaces treated by DBDs in N2-H2 mixtures”, 1st Sino-German Symposium on "Atmospheric Pressure Gas Discharges and Plasma Applications", Peking, VR China, 2015
C.-P. Klages, Z. Khosravi, S. Kotula
- „Combinatorial investigations of atmosphericpressure plasma treatment of polymers using DBD-type microplasmas”,8th International Workshop on Microplasmas, Newark, USA, 2015
S. Kotula, M. Eichler, M. Thomas, C.-P. Klages
- “Critical remarks on chemical derivatization analysis of plasma-treated polymer surfaces and plasma polymers”, Plasma Process Polym, 2016, 1–11
C.-P. Klages, S. Kotula
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/ppap.201600210) - “Plasma nitrogenation of polymer surfaces with a new Type of combinatorial plasma-printing reactor”, Plasma Process Polym, 2016, 1–12
S. Kotula, M. Lüdemann, J. Philipp, M. Thomas, C.-P. Klages
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/ppap.201600137)
