Die Verwendung von wasserbasierten Druckfarben und Klebstoffen auf BOPP ist derzeit ohne den zusätzlichen Einsatz einer teuren Primer-Grundierung nur begrenzt möglich. Der Grund dafür ist die eingeschränkte Reaktionsfähigkeit des Substrats mit Sauerstoff, wodurch nach der Coronabehandlung eine maximale Oberflächenspannung von 46 dyn/cm erreicht wird. Die einzige Lösung besteht derzeit darin, BOPP zu verwenden, das bereits grundiert ist oder über eine Inline-Grundierung für diesen Zweck verfügt. Dies ist teuer, und die Grundierung ist lösungsmittelbasiert, was sich auf die Substratdicke auswirkt. Mit der Plasmatechnologie von Vetaphone ist es jedoch möglich, bis zu 60 Dyn auf BOPP zu erreichen, und das bei dem mit Abstand niedrigsten Gasverbrauch der Branche. Mit solch reduzierten Betriebskosten hat sich in einer kommerziellen Umgebung ein ROI von nur 12 Monaten bewährt.
Um dies zu erklären, müssen wir uns die Chemie der BOPP-Oberfläche ansehen. Corona ist eine elektrische Entladung, die typischerweise zwischen 30 kW und 40 kW liegt. Durch diese Entladung werden bestehende Molekülketten aufgebrochen und neue gebildet. Die neuen Molekülketten auf der Oberfläche entstehen hauptsächlich aus dem Sauerstoff im „Luftspalt” der Umgebungsatmosphäre. Die O2-Moleküle zerfallen in O-Atome, die sich dann mit den CH-basierten Gruppen auf der Oberfläche der Kunststofffolie verbinden und so neue Molekülketten bilden. Das Nebenprodukt ist Ozon (O3), das dann durch die obligatorische Absaugung des Corona-Behandlers aus dem Bereich entfernt wird.
Stickstoff statt Umgebungsluft
Plasma ist wie Corona, wobei die elektrische Entladung auf die gleiche Weise erzielt wird. Im Gegensatz zu Corona, das Umgebungsluft verwendet, arbeitet Plasma jedoch mit einer hochgradig kontrollierten Atmosphäre, die für diese Anwendung auf Stickstoff basiert. Durch die Entfernung des gesamten Sauerstoffs kann Plasma bestimmte Molekülketten auf die Oberfläche aufbringen. Wenn hohe Dyne-Werte auf BOPP angestrebt werden, sind die gewünschten Molekülketten überwiegend Amin-, Amid- und Imidgruppen. Durch die Entfernung des Sauerstoffs aus dem Luftspalt entsteht außerdem kein Ozon. Es reicht nicht aus, nur die erforderlichen Molekülgruppen zu erzeugen. Das Wissen, wie die Oberfläche gleichmäßig auf den gleichen Dyne-Wert behandelt werden kann, und zwar mit einem möglichst geringen Verbrauch an Verbrauchsmaterialien, ist der Schlüssel zur Herstellung des besten und kostengünstigsten Produkts. Das Geheimnis liegt darin, wie man die richtige Mischung von Molekülgruppen auf jedem spezifischen Material in einer hochgradig kontrollierten Atmosphäre erzeugt.
Der Grad der Oxidation auf der Oberfläche ist begrenzt. Nach Erreichen von 46 dyn/cm mit Corona lässt sich die Oberflächenspannung durch bloße Erhöhung der eingesetzten Leistung nicht weiter verbessern. Mit Plasma Standard Grafting lassen sich jedoch 56 dyn/cm auf BOPP-Material erzielen, und mit Advanced Grafting kann durch Plasmabehandlung eine Oberflächenspannung von 60 dyn/cm erreicht werden. Es ist anzumerken, dass ebenso wie bei Corona keine der beiden Behandlungsarten von einer weiteren Erhöhung der Leistung profitiert. Es herrscht die allgemeine Auffassung, dass Plasma lediglich eine Weiterentwicklung von Corona ist. Dies ist aufgrund der beteiligten Variablen nicht zutreffend. Bei vielen Materialien ist es nach wie vor möglich, mit Corona eine signifikante Oberflächenhaftung zu erzielen, und bei diesen Materialien würde ein Wechsel zu Plasma nur geringe Vorteile bringen und die Kosten erheblich erhöhen.
Vorteil bei der Alterung
Ein großer Vorteil von Plasma, das nicht inline durchgeführt werden muss, ist der Umgang mit einem als „Alterung” bekannten Zustand. Nach der Corona-Behandlung wandern die Additive in der Kunststofffolie zurück an die Oberfläche. Mit der von Corona auf der Oberfläche erzeugten Molekülstruktur ist dies recht einfach. Je nach Menge der Additive kann dieser Alterungseffekt von Stunden bis Wochen gemessen werden. Tatsächlich kommt es immer zu einem Dyne-Verfall (Alterung), bis ein Substrat sein „natürliches” Niveau erreicht, das für BOPP bei 32 dyn/cm liegt.
Corona-behandeltes BOPP verfällt innerhalb von Wochen auf sein „natürliches” Niveau von 32 dyn/cm zurück. Bei der Plasma-Standard-Grafting ist die Geschwindigkeit ähnlich, jedoch von einem höheren Ausgangsniveau zu einem höheren Endniveau, etwa 46 dyn/cm nach sechs Monaten, wo es sich stabilisiert. Beim Plasma-Advanced-Grafting gibt es überhaupt keine Alterung. Die auf BOPP erreichten 60 dyn/cm bleiben auch nach 18 Monaten auf diesem Niveau. Wie bei Corona benötigen Sie bei der Verwendung unterschiedlicher Materialien eine unterschiedliche Leistung pro Flächeneinheit, auch bekannt als Materialfaktor, der in Watt·min/m² gemessen wird, um den gewünschten Dyn-Wert zu erreichen. Dieser Faktor ist für jedes Material unterschiedlich, und selbst dasselbe Material von verschiedenen Lieferanten kann je nach der genauen Chemie, die der Hersteller zur Herstellung des Produkts verwendet, zu unterschiedlichen Materialfaktor-Anforderungen führen.
Einzigartig für Plasma ist, dass es möglich ist, den Materialfaktor und die Atmosphäre zu verändern, um hohe und dauerhafte Dyn-Werte zu erzielen. Durch Veränderung der Gasmischung, die überwiegend auf Stickstoff basiert, ist es möglich, die Menge der verschiedenen Molekülgruppen anzupassen. Die genaue Gasmischung lässt sich im Vetaphone-Labor leicht herstellen, und alle benötigten Gase sind bei jedem Lieferanten erhältlich. Die typischen zusätzlichen Betriebskosten liegen im Vergleich zu Corona zwischen 0,30 und 0,50 ¢/m². Der Gasverbrauch eines Vetaphone-Plasmasystems beträgt weniger als die Hälfte des Verbrauchs anderer derzeit auf dem Markt erhältlicher Systeme. Das System verbraucht nicht nur weniger Gas, sondern das Gas ist auch lizenzfrei, sodass es von einem Lieferanten der Wahl des Kunden bezogen werden kann.
Höhere Dyne-Werte mit Plasma
Bis heute hat Vetaphone mit Plasma höhere Dyne-Werte auf PP, OPP, BOPP, PVC, PET und PVDC erzielt. Außerdem wurden mit Plasma auf BOPP, fluorierten Polymeren (FEP, ETFE, ECTFE), PE, PLA, COC und COP länger anhaltende Dyne-Werte erzielt. Dies ist jedoch erst der Anfang, denn in Zukunft werden weitere Materialien hinzukommen, da die Chemiker von Vetaphone ihre Forschungs- und Entwicklungsarbeit in der Branche fortsetzen.
Die Plasmatechnologie ist kein neues Phänomen, da sie bereits seit den 1990er Jahren in Laboren eingesetzt wird. Der Unterschied besteht nun darin, dass sie in kommerzielle Produktionsmaschinen Einzug gehalten hat. In der Vergangenheit bestand die größte Einschränkung darin, dass die Geräte die Atmosphäre nicht genau kontrollieren konnten. Eine Lösung bestand darin, den Gasverbrauch zu erhöhen, was sich bei kleinen Maschinen, niedrigen Geschwindigkeiten und kurzen Laufzeiten als teilweise erfolgreich erwies. Das Problem bei dieser Methode war jedoch, dass sie keine Rendite brachte und die Geräte im Rahmen von Verträgen verkauft wurden, bei denen der Nutzer Gas vom Maschinenlieferanten kaufen musste, oft nicht zum Marktpreis. Dies gab den Technologieherstellern keinen Anreiz, die Systeme gaseffizienter zu gestalten. Das andere große Problem war die schlechte Atmosphärenkontrolle, sodass selbst bei hohem Gasverbrauch die Behandlung ungleichmäßig war. Aus diesem Grund war diese Art von Geräten in einer kommerziellen Produktionsumgebung nie erfolgreich.
Das ist nun Geschichte, denn die heutige Vetaphone-Plasmatechnologie bietet eine Lösung für diese bekannten Probleme. Nicht nur der Gasverbrauch ist deutlich geringer, sondern die Atmosphäre wird während des gesamten Produktionsprozesses kontrolliert, wobei die Einflussfaktoren überwacht und der Durchfluss und die Gasmischung entsprechend angepasst werden. Als Qualitätsnachweis kann der Kunde heute Protokolle über den Verbrauch, die Leistungsmessungen, die Gasmischung und andere entscheidende Faktoren einsehen, die sicherstellen, dass die Atmosphäre genau kontrolliert wird und der Prozess innerhalb der Spezifikationen liegt. Ohne Einschränkungen hinsichtlich der Geschwindigkeit oder Breite der Behandlung bietet Vetaphone Plasma den Anwendern nun die Möglichkeit, die Funktionsweise sowohl auf kleinen Labormaschinen als auch in der kommerziellen Produktion in Originalgröße zu sehen.