FRAUNHOFER-ANWENDUNGSZENTRUM FÜR PLASMA UND PHOTONIK OBerflächeNmOdifizieruNg vON hOlz uNd hOlzwerKsTOffeN 1 2 Atmosphärendruck-plasmen zur Modifizierung von Holz und Holzwerkstoffen Einheimische Holzarten sind in vielen Bereichen sehr attraktiv, allerdings weisen die meisten auch material-technologische Nachteile auf, wie geringe Dimensionsstabilität bei Feuchteund Temperaturwechseln, UV-Empfindlichkeit sowie eine geringe natürliche Dauerhaftigkeit. Insbesondere für den langzeitstabilen Einsatz im Außenbereich, wie z. B. als Terassenboden sind viele deutsche Hölzer im Gegensatz zu Tropenhölzern bisher nicht geeignet. Die Weiterentwicklung von Holz und Holzwerkstoffen als Bauund Konstruktionsmaterial sowie neue Produktionsverfahren sind permanente Ziele der Materialforschung. Als Naturwerkstoff ist Holz verschiedenen natürlichen Diffusions- und Alterungsprozessen ausgesetzt, die spätere Veredelungs- und Bearbeitungsschritte und damit Anwendungsmöglichkeiten beschränken. Hier setzen Atmosphärendruck-Plasmabehandlungen an und ermöglichen langzeitstabile, fehlerfreie, sichere sowie effiziente Beschichtungs- und Behandlungsprozesse. Oberflächenbehandlungen mit Atmosphärendruckplasmaverfahren ermöglichen neue Einsatzfelder und erhöhen gleichzeitig die Qualität der Hölzer. Effekte der Plasmabehandlung Erhöhung und Einstellung der Oberflächenenergie Erhöhung der Aufnahme von Modifikationsmitteln Modifikation der Oberfläche durch Plasma-Polymerisation Vorteile von Plasmabehandlungen bei Atmosphärendruck Steigerung der Haftfestigkeit von Lacken und Farbaufträgen Homogene Verteilung von flüssigen Beschichtungsmitteln auf Oberflächen Verbesserte Penetration von Modifikationsmitteln im Holzkörper Erhöhung der Witterungsbeständigkeit Erzeugung funktionaler Schichten auf Holzoberflächen Generelle Vorteile der Atmosphärendruck-Plasmatechnologie Emissionsarm Leicht skalierbar Hohe Ökoeffizienz Geringe Betriebskosten Unser Angebot Analytik, z. B. Kontaktwinkelmessungen, Adhäsionstests, künstliche Bewitterung Machbarkeitsstudien zur Optimierung der Eigenschaften von Holzoberflächen mittels Plasmabehandlung Hydrophilisierung und Hydrophobisierung mittels Plasma Prozessoptimierung von Füge- und Imprägnierungsprozessen nach individuellen Anforderungen Entwicklung, Konstruktion und Umsetzung von Plasma-Behandlungsgeräten, -Versuchsanlagen und -Systemkomponenten Experimentelle Beschichtungen von Holzoberflächen mittels Plasma-Schichtsynthese 3 Unsere Anwendungsfelder Holz Imprägnierung von Holzfurnieren Das Anschleifen der Holzoberflächen ist eine gebräuchliche Viele heimische Holzarten mit geringer natürlicher Dauer- Methode der Vorbehandlung für weitere Produktions- haftigkeit besitzen gleichzeitig eine schlechte Tränkbarkeit schritte. Geschliffene Holzoberflächen weisen eine erhöhte mit flüssigen Modifikations- bzw. Imprägnationsreagenzien. Benetzbarkeit im Vergleich zu ungeschliffenen oder Voraussetzung für Veredelungs- und Langzeitschutzschichten gealterten Holzoberflächen auf. Untersuchungen zeigten, ist jedoch die gleichmäßige und tiefreichende Verteilung der dass Plasmabehandlungen einen größeren Einfluss auf die eingesetzten Reagenzien im Holzkörper. Eine beschleunigte oberflächenenergetischen Charakteristika haben als das Tränkbarkeit der untersuchten Holzfurniere kann mittels Schleifen der Oberflächen. Eine Plasmabehandlung ersetzt Plasmabehandlung erreicht werden, so dass eine weitaus damit bisher übliche Anschleifprozesse zur »Auffrischung« von homogenere Verteilung der Modifikationsreagenzien auf Holzoberflächen für nachfolgende Beschichtungen. der Oberfläche stattfindet und die Feststoffaufnahme von eingesetzten Modifikationsreagenzien im Holzkörper um bis Lösungsaufnahme und WPG-Bestimmung von Melamin und zu 60 Prozent erhöht werden kann. Lösungsaufnahme / Feststoffaufnahme [%] DMDHEU getränkten Buchenfurnieren. Imprägnierung von Holzfurnieren 40 35 30 1 Schematische Darstellung 25 der Plasmaanlage zur Be 20 handlung von Holzfurnieren. 15 2 Plasmaanlage zur 10 Behandlung von Massivholz 5 0 (bis 30 mm Dicke). Melamin DMDHEU Lösungsaufnahme Referenz Melamin DMDHEU Feststoffaufnahme 10s Plasma 3 Sperrholzplatten aus thermisch behandelten Buchenholzfurnieren nach künstlicher Bewitterung, unbehandelt (oben) und plasmabehandelt (unten). 4 5 Holzwerkstoffe Mobile Plasmaquellen Bei den Span- und Faserplatten ist ein deutlicher Anstieg der Durch bestimmte Anordnungen der dielektrisch behinderten Oberflächenenergie nach der Plasmabehandlung zu verzeich- Entladung kann das Behandlungsgut auch unabhängig von nen. Daraus resultiert u. a. das beschleunigte Eindringen von der Materialdicke plasmabehandelt werden. Mit derartigen Wasser in plasmabehandelte Span- und Faserplatten. Ein Anordnungen wurden unter anderem Plasma-Handgeräte am beschleunigter Wasserentzug von z. B. PVAc-Klebstoff führt zu Fraunhofer-Anwendungszentrum für Plasma und Photonik einer schnelleren Aushärtung und Festigkeitszunahme verk- entwickelt, die eine kleinflächige Behandlung von stark profili- lebter Bauteile. Das zeitnahe Aushärten von wasserbasierten erten Oberflächen ermöglichen. Die Stromversorgung erfolgt Klebstoffen kann zu einer Senkung der Prozesszeiten und zu hier über einen Akku, so dass größtmögliche Flexibilität und einer Erhöhung der Produktion führen. Mobilität gewährleistet sind. Dadurch ist es auch für Handwerker und Bastler möglich kleinere Flächen für nachfolgende Polarer Anteil der Oberflächenenergie von Buche, Eiche, Klebungen und Beschichtungen vorzubereiten. Fichte und Kiefer. Oberflächenenergie polar [mNm-1] 40 30 20 10 0 gealtert 4 Buche geschliffen Eiche Plasma Fichte Kiefer geschliffen + Plasma Plasmabehandlung von Holzspänen auf einer Förderbandanlage. 5 Handgerät zur Plasmabe- handlung von Holz. unbehandelt 6 plasmabehandelt 7 Holz-Kunststoff-Komposite − WPC Experimentelle Plasmabeschichtung Holz-Kunststoff-Komposite zeigen beim Verkleben oder Um die Beständigkeit von Holz zu erhöhen, wird üblicherweise Beschichten im Allgemeinen oft ungenügende Hafteigen- mittels Lackierung eine protektive Schicht aufgebracht. Ziel schaften. Die schwach ausgeprägten Adhäsionseigenschaften des Fraunhofer-Anwendungszentrums ist es, alternative sind auf die Kunststoffkomponenten des Materials zurück- Schutzschichten mittels Atmosphärendruck-Plasmen zu zuführen, die die Oberflächeneigenschaften wesentlich entwickeln, wie z. B. eine Beschichtung aus Metallpartikeln bestimmen. Die Oberflächenenergie wird durch die Plasma- mit protektiven Eigenschaften, die im Plasma aufgeschmolzen behandlung bei z. B. PP-basiertem WPC und bei PE-basiertem bzw. aktiviert und auf Holzoberflächen aufgebracht werden WPC signifikant erhöht. Die Steigerung der Oberflächenener- kann. Eine weitere Methode ist die plasmagestützte Polymeri- gie hat eine Erhöhung der Haftfestigkeit zur Folge. sation, bei der ein Monomer im Plasma zu langkettigen Molekülen polymerisiert und auf der Holzoberfläche abgeschieden Änderung der Oberflächenenergie von WPC wird. Dadurch können u.a. hydrophobe Schichten erzeugt nach Plasmabehandlung. werden, die das Eindringen von Wasser in das Holz verhindern. Oberflächenenergie [mNm-1] 60 50 40 30 20 10 0 dispers WPC-PP WPC-PP polar unbehandelt WPC-PE WPC-PE plasmabehandelt 6 Holz in der Plasma- Entladung. 7 Zugversuch WPC. Fraunhofer-Anwendungszentrum für Plasma und Photonik Das Göttinger Anwendungszentrum des Fraunhofer-Instituts für Schicht- und Oberflächentechnik IST hat sich zum Ziel gesetzt, Innovationen der modernen Plasmatechnologie in den Geschäftsfeldern Umwelt, Hygiene, Gesundheit, Produktion und Energie sowohl für die Industrie als auch für kleine und mittelständische Unternehmen nutzbar zu machen und maßgeschneiderte Konzepte für die Wirtschaft zu entwickeln. Ein besonderer Fokus des Anwendungszentrums liegt neben der Beschichtung und Behandlung organischer Oberflächen auf der neuartigen Laser-Plasma-Hybridtechnologie. KONTAKT Fraunhofer-Anwendungszentrum für Plasma und Photonik des Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST Von-Ossietzky-Str. 99 37085 Göttingen Prof. apl. Prof. Dr. Wolfgang Viöl Leiter des Fraunhofer-Anwendungszentrum für Plasma und Photonik [email protected] Telefon +49 551 3705-218 Dr. Bernd Schieche Innovationsmanager Telefon +49 551 3705-219 [email protected] www.ist.fraunhofer.de
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