Plasmabewitterung von Oberflächen – ultraschnelles Screening für Lacke und Polymere

Um Produktinnovationen schneller auf den Markt bringen zu können, hat das Fraunhofer IGB gemeinsam mit Partnern aus der Industrie im Rahmen verschiedener Forschungsprojekte ein plasmabasiertes Schnelltestverfahren zur Prüfung der Bewitterungsstabilität von Lacken und Polymeren entwickelt. Damit können innerhalb kürzester Zeit und unter geringem Energieeinsatz Schadbilder an Polymeroberflächen erzeugt werden, die mit denen der zertifizierten Verfahren vergleichbar sind. Wir bieten Kunden aus der Automobilindustrie, Herstellern von Lacken und Polymeren und Rohstofflieferanten eine künstliche Testbewitterung an unseren hauseigenen Anlagen und die Entwicklung kundenspezifischer Plasma-Bewitterungsverfahren zum Screening geeigneter Polymere, Additivpakete und Rezepturen.

Unternehmen der Automobil‑, Lack‑ und Kunststoffindustrie stehen vor der Aufgabe, Farb- und Funktionsstabilität über Jahre abzusichern – bei gleichzeitig möglichst kurzen Entwicklungszyklen. Diese Verfahren sind für Freigaben unverzichtbar, aber zeit‑ und energieintensiv.

Übliche Bewitterungsketten kombinieren dazu:

• Klimakammer- und Xenon-Schnellbewitterungen (z. B. DIN EN ISO 16474, SAE J2527) über 1000–5000 h
• Freibewitterung (z. B. Florida, Dachauslagen) über 12–24 Monate

Aufwendige Freibewitterung für neue Materialien zur Prüfung der Witterungsbeständigkeit

So sind vor allem die derzeitigen Test- und Prüfverfahren dafür verantwortlich, dass Produktentwicklungszyklen für neue Lacke und andere polymere Materialien aufwendig, teuer und langwierig sind. Materialoberflächen für Außenanwendungen müssen beispielsweise auf Freibewitterungsständen über mehrere Monate oder Jahre, alternativ über mehrere tausend Stunden in Klimakammern mit Strahlquellen hinsichtlich ihrer Witterungsbeständigkeit geprüft werden.

Handelt es sich um zertifizierte Freibewitterungsstände, so sind die dafür notwendigen Prüfeinrichtungen quasi ständig mit Proben belegt und es ist für die Entwickler schwierig, kurzzeitig Prüfplätze für Neuentwicklungen zu erhalten. Alternativ dazu gibt es am Markt Bewitterungsgeräte, mit denen diese Tests schneller durchgeführt werden können. Dennoch betragen die Testzyklen auch hier einige tausend Stunden. Zudem fallen währenddessen erhebliche laufende Kosten für Strom und Strahlquellen an. In beiden Fällen entstehen große Verzögerungen in der Materialentwicklung.

Testergebnis der künstlichen Bewitterung nach bereits einer Stunde

In den BMBF‑Projekten UltraPlaSt und BeWiPlas und nachfolgenden Industrieprojekten konnten wir zeigen, dass plasmabasierte künstliche Bewitterungsverfahren typische Schadensbilder konventioneller Bewitterung stark beschleunigt nachstellen können. Beispielhaft wurden an PUR-Automobillacken nach ca. 60 Minuten Wasserdampfplasma ähnliche Farb- und Glanzänderungen erzielt wie nach > 1000 Stunden Xenon-Schnellbewitterung (SAE J2527).

Plasmabewitterung zum vorgelagerten Screening von Polymeren und Additiven

Die Plasmabewitterung kombiniert in einem kompakten Prozessschritt:

• Intensive elektromagnetische Strahlung im UV-Vis-Bereich
• Radikal- und Ionenbelastung
• Definierte Gasatmosphären (z. B. H_₂O, N_₂, O_₂, Ar)
• Einstellbare Temperaturführung.

Damit eignet sich das Verfahren als Screening-Stufe vor Xenon- und Freibewitterung – insbesondere zur schnellen Vorauswahl von Polymeren, Additivpaketen und Rezepturen.

Prinzip der Plasmabewitterung

Das Plasma dient als Strahlungs- und Teilchenquelle. Die Einwirkung von Strahlung, Temperatur, Erosion und Feuchte sowie die dadurch induzierten Veränderungen auf den Oberflächen von Polymeren (Oberflächenrauheit/Glanz, Farbe) können mit Plasmaverfahren in einem einzigen Prozessschritt eingestellt werden. Die zu testenden Oberflächen befinden sich zur Behandlung in einer zuvor gezielt eingestellten Atmosphäre. Durch das Zünden eines Plasmas werden Atome und Moleküle in der Gasphase angeregt und teilweise ionisiert, vorhandene Moleküle werden fragmentiert und somit chemisch aktiviert. Viele Teilchen werden im Plasma angeregt und relaxieren unter Lichtemission, sodass ein breites elektromagnetisches Spektrum erhalten wird. Es finden radikalchemische sowie photochemische Reaktionen in der Plasmaphase und auf der Oberfläche der Proben statt, die dem Plasma ausgesetzt sind. Des Weiteren können, falls erwünscht, Plasmaionen eingesetzt werden, um die Oberfläche zu erodieren. Die Zusammensetzung der Plasmen kann über die Prozessparameter (Druck, eingekoppelte Plasmaleistung, Gasfluss und Gasart, Behandlungszeit) gesteuert werden.

Auf Basis der Projekte und anschließender Arbeiten liegt bereits ein breites Datenfundament vor, u. a. für:

• Verschiedene Automobil-Klarlacke und Modelllacksysteme (mit/ohne UV-Schutz)
• Polycarbonate (PC) und PMMA
• Gefüllte und eingefärbte Polymersysteme
• Farbstandards (z. B. Orwet/Irgalith)

Für mehrere dieser Systeme konnten wir zeigen, dass eine Plasmabewitterung die Reihenfolge der Materialperformance in vielen Fällen konsistent zu Xenon- bzw. Freibewitterung abbildet – bei drastisch reduzierter Prüfzeit und Energieaufnahme. Gleichzeitig ist klar: Korrelationen sind material- und parameterabhängig und müssen für jede Materialklasse gezielt geprüft werden.