Zusammenhang zwischen Oberflächenenergie und ...· Zusammenhang zwischen Oberflächenenergie und

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  • Zusammenhang zwischen Oberflächenenergie und Adhäsionsvermögen von

    Polymerwerkstoffen am Beispiel von PP und PBT und deren Beeinflussung durch

    die Niederdruck-Plasmatechnologie

    Von der Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abteilung Maschinenbau der

    Universität Duisburg-Essen

    zur Erlangung des akademischen Grades

    DOKTOR-INGENIEUR

    genehmigte Dissertation

    von

    Henning Gleich aus

    Duisburg

    Referent: Prof. Dr.-Ing. Horst Nowack Korreferent: Prof. Dr. sc. nat. Claus Bischof Tag der mündlichen Prüfung: 14. April 2004

  • Vorwort

    Vorwort

    Die vorliegende Arbeit entstand in der Zeit von Oktober 1987 bis Januar 1993 im Rahmen

    meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachgebiet Werkstofftechnik des Fach-

    bereiches Maschinenbau an der Universität Duisburg-Gesamthochschule.

    Herrn Prof. Dr.-Ing. H. Nowack gilt mein besonderer Dank für die Übernahme des Referates, für

    seine stetigen sehr engagierten Bemühungen und Anregungen zu dieser Arbeit, insbesondere

    jedoch für seine Betreuung in der Zeit nach meiner Zeit als Mitarbeiter des Fachgebietes

    Werkstofftechnik während meiner industriellen Tätigkeit bei INPRO mbH und für sein persön-

    liches Engagement auch außerhalb dieser Arbeit. Vielen Dank !

    Herrn Prof. Dr. sc. nat. C. Bischof, ehemals Akademie der Wissenschaften der DDR, danke ich

    nicht nur für seine gutachterliche Tätigkeit, sondern besonders auch für die persönliche Be-

    gleitung meiner Forschungsarbeiten über mehr als 10 Jahre. Dankeschön !

    Posthum sei an dieser Stelle Herrn Prof. em. Dr.-Ing. H. G. Moslé (� 1994) für die Möglichkeit

    gedankt, meine wissenschaftliche Weiterqualifikation als wissenschaftlicher Mitarbeiter im

    Fachgebiet Werkstofftechnik beginnen zu dürfen.

    Ebenfalls danken möchte ich meinem derzeitigen Arbeitgeber, der Fa. INPRO mbH, stellver-

    tretend den Herren Dr.-Ing. K.-V. von Schöning und Dr.-Ing. U. Bethke, die mir die Möglichkeit

    gaben, auch einige meiner industriellen Entwicklungsergebnisse im Rahmen der vorliegenden

    Arbeit nutzen zu dürfen.

    Mein Dank gilt weiterhin dem Wissenschftlichen Beirat der Swiss-Bonding, namentlich ihrem

    Präsidenten, Herrn Academicien E. H. Schindel-Bidinelli, für seine stets fachliche und konstruk-

    tive Unterstützung und Diskussion zum Verständnis der Klebtechnik.

    Bedanken möchte ich mich auch bei den Firmen, die meine Arbeiten begleiteten und mir stets

    unkompliziert Material und Know-how zur Verfügung stellten.

    Dank gilt dann vor allem den fleißigen Helfern während meiner Tätigkeit im Fachgebiet Werk-

    stofftechnik. Stellvertretend seien hier mein langjähriger Bürokollege Herr Prof. Dr.-Ing. H.

    Hansmann und Herr Dr.-Ing. R. M. Criens genannt, die mich bereits im Rahmen meiner Diplom-

    arbeit für die Plasmatechnik begeisterten. Einen ganz herzlichen Dank auch den vielen Stu-

    denten/-innen, die mir bei der Findung der wichtigen Ergebnisse im Rahmen der vorliegenden

    Arbeit halfen.

    Es gab viele positive Umstände, die zum Gelingen der vorliegenden Arbeit beigetragen haben.

    Persönlich danken möchte ich an dieser Stelle meinen Eltern, die mir durch ihre finanzielle Un-

    terstützung mein Studium und meine wissenschaftliche Ausbildung ermöglichten und insbeson-

    dere meiner lieben Frau Martina, die mich während der Fertigstellung der vorliegenden Arbeit

    uneingeschränkt persönlich unterstützte und sehr viel Geduld aufgebracht hat.

    Duisburg, im April 2004 Henning Gleich

  • Inhaltsverzeichnis

    i

    Inhaltsverzeichnis

    1 Einleitung und Problemstellung.................................................................... 1

    2 Grundlagen und derzeitiger Stand der Technik auf dem Gebiet ..................

    der Klebtechnologie ....................................................................................... 3

    2.1 Grundlagen der Haftung ................................................................................... 3

    2.1.1 Ursachen für das Phänomen Haftung ..................................................................... 3

    2.1.2 Bedeutung der Ober- und Grenzflächenschichten................................................... 5

    2.1.2.1 Wechselwirkungskräfte und Bindungsarten ................................................................ 5

    2.1.2.2 Oberfläche und Rauhigkeit ......................................................................................... 8

    2.1.3 Zusammenfassung ................................................................................................. 9

    2.2 Adhäsionstheorien .......................................................................................... 10

    2.2.1 Mechanisches Adhäsionsmodell ........................................................................... 12

    2.2.2 Polarisationstheorie nach De Bruyne .................................................................... 12

    2.2.3 Diffusionstheorie nach Vojuzkij ............................................................................. 13

    2.2.4 Elektrostatische Theorie nach Derjagin................................................................. 13

    2.2.5 Thermodynamische Adhäsionstheorie .................................................................. 14

    2.2.5.1 Oberflächen-/Grenzflächenenergie und Young-Dupré' sche .........................................

    Randwinkelgleichung................................................................................................ 14

    2.2.5.2 Grenzflächenenergie und Wechselwirkungsparameter ............................................. 16

    2.2.5.3 Bestimmung der Oberflächenenergie fester Körper .................................................. 17

    2.2.5.4 Kritische Bemerkungen zur thermodynamischen Adhäsionstheorie.......................... 20

    2.2.6 Chemisches Adhäsionsmodell .............................................................................. 21

    2.2.7 Zusammenfassung ............................................................................................... 22

    2.3 Klebgerechte Oberflächenvorbehandlung ...................................................... 22

    2.3.1 Einige grundlegende Aussagen / Festellungen ..................................................... 22

    2.3.2 Klebflächen-Vorbehandlungsverfahren und ihre Wirkungen.................................. 24

    2.3.2.1 Mechanische Vorbehandlung.................................................................................... 24

    2.3.2.2 Chemische Vorbehandlungsverfahren ...................................................................... 25

    2.3.2.3 Physikalische Vorbehandlungsverfahren .................................................................. 25

    2.4 Verbundfestigkeit beim Kleben ....................................................................... 27

    3 Experimentelle Untersuchungen................................................................. 29

  • Inhaltsverzeichnis

    ii

    3.1 Werkstoffe der Fügeteile................................................................................. 29

    3.1.1 Polypropylen ......................................................................................................... 29

    3.1.2 Polybutylenterephthalat......................................................................................... 31

    3.2 Klebstoffsysteme ............................................................................................ 32

    3.2.1 Epoxidharz-Klebstoffsysteme................................................................................ 33

    3.2.2 Polyurethan-Klebstoffsysteme............................................................................... 34

    3.3 Charakterisierungsmethoden für die Bestimmung der Oberflächenenergie ... 35

    3.3.1 Randwinkelmessung............................................................................................. 35

    3.3.2 Tensiometermessung ........................................................................................... 39

    3.4 Niederdruck-Plasmatechnologie zur Klebflächenvorbehandlung.................... 41

    3.4.1 Der Plasmazustand............................................................................................... 42

    3.4.2 Niederdruck-Plasmaanlagen................................................................................. 43

    3.4.3 Durchführung der Untersuchungen ....................................................................... 45

    3.4.3.1 Steuerung der internen Prozessparameter ............................................................... 45

    3.4.3.1.1 Behandlungszeit...................................................................................... 45

    3.4.3.1.2 Bedeutung der eingesetzten Leistung ..................................................... 47

    3.4.3.1.3 Wirkung des Prozessdruckes.................................................................. 48

    3.4.3.1.4 Prozessgas bzw. Gasgemisch ................................................................ 49

    3.4.3.2 Externe Prozessparameter ....................................................................................... 50

    3.4.3.2.1 Einfluss