Metallisierung von Kunststoffen und Verbundmaterialien mit innovativen Atmosphärendruckplasmatechnologien. Schlussbericht

Zurzeit stellt die Metallisierung von Polymeroberflächen ein komplexes Fertigungsverfahren dar, welches aus mehreren nasschemischen Badprozessen zur entsprechenden Oberflächen-vorbehandlung und darauffolgenden elektrolytischen oder stromlosen Galvanisierung besteht. Hierbei basiert die Oberflächenvorbehandlung meist auf toxischen, umweltbedenklichen Chemikalien, wie zum Beispiel CR(VI)-Verbindungen, deren Verwendung durch die Regularien der Europäischen Union stark eingeschränkt oder gar verboten sind. Vor diesem Hintergrund sind alternative, badfreie Vorbehandlungs- und Metallisierungsverfahen vom großen Interesse für die Industrie. Im Rahmen des Projektes METAPLAST wurden zwei technologische Ansätze erforscht, die die konventionelle nasschemische Vorbehandlung von Polymeroberflächen vor der Metallisierung durch einen trockenen, umweltfreundlichen Atmosphärendruck-Plasmaprozess ersetzten sollen. Beide Ansätze basieren auf kompakten, kommerziell erhältlichen Atmosphärendruck-Plasmaquellen, die sich in ihrem Plasmaentladungstyp unterscheiden. Bei dem einen Verfahren wurde in eine bogenähnliche Plasmaentladung ein metallischer Draht (z. B. aus Palladium) eingespeist. Dieser Draht diente als eine Verlängerung der geerdeten Elektrode und zugleich als ein Metalltarget zur Erzeugung metallische Nanopartikel im Plasma. Die Nanopartikel wurden dabei als katalytische Zentren für die anschließende stromlose Galvanisierung (z. B. mit Nickel) auf polymere Oberflächen abgeschieden. Beim zweiten Ansatz wurden metallische Pulver (z. B. aus Kupfer, Zinn oder Zink) direkt in einen atmosphärischen Mikrowellen-Plasma-Jet eingespeist. Die im Plasma geschmolzenen Pulver wurden anschließend auf die polymeren Substrate in Form einer möglichst geschlossenen Metallschicht flächig appliziert. Die eingesetzten Plasmaquellen sowie die Prozessparameter wurden iterativ angepasst und entwickelt, um die Metallisierung verschiedener, auch temperaturempfindlicher Polymere und Verbundwerkstoffe zu ermöglichen. Dabei wurden die behandelten Polymeroberflächen sowie die resultierenden Metallbeschichtungen mit Hilfe von oberflächenanalytischen Verfahren umfassend charakterisiert, um eine gezielte, materialspezifische und anwendungsorientierte Anpassung der durchgeführten Prozesse zu erzielen. So konnten beispielsweise gut haftende, defektfreie Nickelbeschichtungen mit einem geringen spezifischen elektrischen Widerstand um 1 O/cm auf verschiedenen, technisch relevanten Polymeren abgeschieden werden. Je nach Anwendungsfall können diese eine Endbeschichtung oder auch eine tragfähige Basisschicht für eine weitere Metallisierung darstellen. Neben der Behandlung von flachen Polymersubstraten konnten die erforschten Atmosphärendruck-Plasmaprozesse auch anhand von verschiedenen 3D-Strukturen erfolgreich validiert werden. So wurde ein Polycarbonat-Rohr mit einem Außendurchmesser von ca. 20 mm mit Palladium-Nanopartikeln bekeimt und anschließend chemisch vernickelt. Ferner wurden auch deutlich kleiner dimensionierte 3D-Strukturen herangezogen, wie zum Beispiel ein Polymer-gewebe mit sehr feinen Fasern bzw. Bündeln in einer Größenskala unterhalb 100mm. Aus wirtschaftlicher Perspektive stellen beide erforschten technischen Ansätze eine attraktive Alternative zu herkömmlichen, nasschemischen Verfahren dar. Dies gilt sowohl für die Vorbehandlung von Polymeren vor einer vollflächigen Metallisierung, als auch für spezielle Anwendungen, in denen polymere Komponente lokal metallisiert werden sollen. Anhand der erzielten Projektergebnisse wurden die angestrebten Projektziele aus Sicht der Mitglieder des projektbegleitenden Ausschusses erfolgreich erreicht.