Plasmabehandlung

Plasmabehandlung von biobasierten Werkstoffen

Holz zählt wegen seiner universellen Verwendbarkeit als Baumaterial zu den am häufigsten eingesetzten Werkstoffen. Neben den positiven Aspekten von Holzprodukten, wie die ökologischen (z.B. Nachhaltigkeit und CO2-Neutralität) sowie ästhetischen Eigenschaften (z.B. Optik und Haptik), physikalischen Eigenschaften (z.B. niedrige Wärmeleitfähigkeit), elastomechanische Eigenschaften (z.B. Festigkeit) oder Resistenz gegen Chemikalien, existieren einige negative Einflussfaktoren bei Kaufentscheidungen für den Verbraucher: Holz weist aufgrund seines hygroskopischen Verhaltens eine oft ungenügende Dimensionsstabilität sowie große Schwankungen bezüglich bestimmter Eigenschaften wie Elastizitätsmodul, Festigkeit, Brandverhalten und Verhalten gegenüber biologischem Abbau auf.

Obwohl viele genannte negative Erscheinungen bereits konstruktiv gelöst sind, stellen die Forschungstätigkeiten bezüglich der Eigenschaftsverbesserungen von Holzprodukten oder der Entwicklung von neuen (Komposit)Werkstoffen eine permanente Herausforderung dar. Einen Ansatz zur Verbesserung bestimmter Eigenschaften des Holzes bzw. von Holzwerkstoffen bietet eine Plasmabehandlung, bei der es beim Anlegen einer Hochspannung zwischen zwei Elektroden zu einer Gasentladung („Plasma“) kommt. Dabei werden, ähnlich wie bei einem Kondensator, metallische Leiter durch ein Dielektrikum, wie z.B. Glas oder Keramik, getrennt. Dabei entsteht im dazwischenliegenden Luftspalt ein elektrisches Feld, welches das Plasma zündet. Das zu behandelnde Material befindet sich dabei im direkten Kontakt zum Plasma und wird im Durchlauf durch die Entladungszone behandelt.

In einer Reihe von Studien konnte gezeigt werden, dass eine Plasmabehandlung unter Atmosphärendruck den polaren Anteil der Oberflächenenergie von Holz- und Holzwerkstoffoberflächen signifikant erhöht und dadurch die Benetzung und Haftung von Leimen verbessert wird. Ursache hierfür ist eine Anlagerung polarer Gruppen an bestimmte Bestandteile des Holzes (Lignin, Hemicellulose), was mittels Kontaktwinkelmessungen und XPS-Untersuchungen gezeigt werden konnte. Sauerstoff der Luft wird während der Plasmabehandlung an der Oberfläche angelagert und es bilden sich polare Hydroxyl(OH)- und Carboxyl(COOH)-Gruppen. Die Oberflächenenergie eines jeden Materials setzt sich aus polaren und dispersen Anteilen zusammen. Für die optimale Haftung zweier verschiedener Materialien untereinander, sollten sich die jeweiligen Anteile der Oberflächenenergie des Untergrundes und des Beschichtungsmittels so wenig als möglich unterscheiden. Durch eine Plasmaaktivierung kann die Oberflächenenergie des Substrats an die Oberflächenenergie des Beschichtungssystems gezielt angepasst werden.

Untersuchungen an Span- und Faserplatten zeigten, dass eine Plasmabehandlung ebenfalls die Oberflächenenergie erhöht und damit die Benetzungseigenschaften der Oberfläche verbessert. Eine verbesserte Haftung von PVAc Leimen auf den plasmabehandelten Span- und Faserplatten konnte nachgewiesen werden. Die Untersuchung der zeitabhängigen Festigkeitszunahme von PVAc Leim zeigte, dass die Plasmabehandlung die Trocknungsgeschwindigkeit des Leimes merklich steigert. Diese beschleunigte Zunahme der Festigkeit oder Beschleunigung der Trocknung nach der Plasmabehandlung ist Folge eines beschleunigten Wasserentzugs aus dem Leim in das Material. Untersuchungen an thermisch modifiziertem Buchenholz haben gezeigt, dass die Plasmabehandlung, bezüglich Oberflächenenergie und Benetzungseigenschaften, die Charakteristika der originalen, unbehandelten Buche wiederherstellt und sogar verbessert. Auf diese Weise wirkt die Plasmabehandlung mit der Erzeugung polarer Gruppen und Steigerung der Hydrophilität dem Verlust an Polarität und damit gestiegener Hydrophobität nach der Thermobehandlung entgegen. Der Effekt der Plasmabehandlung, also die gesteigerte Hydrophilität und Benetzung, ist dabei nicht von Dauer. Die durch die Plasmabehandlung verbesserte Benetzung ist lediglich temporär vorhanden, sodass die Postprozesse (Lackierung, Trocknung, Beleimung) im Idealfall direkt nach-geschaltet appliziert werden sollten.