Multifunktionale plasmabasierte SiOx-Nanobeschichtungen auf PVC-Bahnenwaren

Ausgangssituation

PVC ist eines der wichtigsten Kunst­stoff­produkte der chemi­schen Industrie und kann sowohl als starres hart-PVC oder flexibles Weich-PVC herge­stellt werden. Zur Erzeu­gung von Weich-PVC müssen Weich­macher in die Polymer­matrix inklu­diert werden. Für Weich-PVC wurden in der Vergangen­heit Phthalat­weich­macher genutzt. Durch alter­native unbedenk­liche Weich­macher kann zum Teil ganz auf Phthalate verzichtet werden. Bei PVC-Bahnen­waren werden simultan lösungs­mittel­basierte Deck­lacke vermehrt durch wasser­basie­rende Lack­systeme ersetzt, da umwelt­schäd­liche Lösungs­mittel und Prozess­gase aufwändig aufge­fangen, aufbe­reitet und entsorgt werden müssen. Durch die Substi­tution von eigentlich etablierten Systemen wie Phthalat-Weich­machern und lösungs­mittel­basierenden Lacken ergeben sich zeit­gleich zwei signifi­kante Veränderungen im Herstell­prozess für PVC-Bahnen­waren. Die Problem­stellung für die PVC-Verarbeiter ergibt sich aus den veränderten Wechsel­wirkungen der alternativ einge­setzten Weich­macher mit der Polymer­matrix und den Lack­systemen. Zumeist unter­scheidet sich das Gebrauchs- und Migrations­verhalten deutlich von dem der bisherigen Produkte, wodurch die Gebrauchs­eigen­schaften der Folien­materialien zum Teil erheb­lich leiden. Es ist daher ein neu­artiges Konzept wünschens­wert, mit dem die unge­wünschte individuelle Migrations­neigung verschie­dener Weich­macher­systeme in einfacher und preis­werter Art und Weise inhibiert werden kann.

Projektziel

Ziel des Projektes war die Erarbeitung eines Konzeptes zur spezi­fischen Vermin­derung der Weich­macher­migration aus PVC-Bahnen­waren durch die Applikation silizium­orga­nischer Nano­beschich­tungen mittels Atmosphären­druck­plasma auf diesen Waren. Zusätzlich sollten die Beschich­tungen durch gezielte Funktionali­sierung als Haft­vermittler für wasser­basierte Deck­lack­systeme dienen.

Unter Variation von Precursoren und Prozess­parametern sollten silizium­orga­nische Nano­beschich­tungen appliziert und eingehend analy­siert werden. In den Unter­suchungen sollten spezi­fische Barriere­wirkungen der silizium­orga­nischen Nano­schichten gegen eine Viel­zahl von Weich­machern bestimmt werden. Das Ziel der Arbeiten lag in der Erarbeitung von maßge­schnei­derten Vorgehens­weisen zur Eindämmung der spezi­fischen Weich­macher­migration um 80 %. Folglich sollte der PVC-verarbeitenden Industrie ein neues Konzept zur Verhinderung unge­wünschter Weich­macher­migration zur Verfügung gestellt werden. Als Folge der Barriere­funktion wurde erwartet, dass gleich­zeitig die Diffusion von äußeren Fremd­stoffen wie z. B. Fetten in die PVC-Matrix erfolg­reich unter­bunden werden kann. Durch ange­passte chemische Funktionali­sierung der silizium­orga­nischen Barriere­schichten sollte es gleich­zeitig möglich werden, diese als Haft­vermittler insbesondere für wasser­basierte Deck­lacke zu nutzen.

Lösungsweg

Es wurden sowohl selbst herge­stellte weich-PVC-Folien als auch von PA-Mitgliedern zur Verfügung gestellte Muster von Kunst­ledern und Schwimm­bad­folien unter­sucht. Als Weich­macher wurden in den Folien DEHP, DINP und Citrofol Bll eingesetzt. ln den Industrie­mustern waren neben DINP noch DIDP, Pevalen und weitere phthalat­freie Weich­macher verarbeitet. Mittels Dielektrischer Barrieren­ent­ladung (DBE), Plasma­düse und Kalt­plasma­anlage wurden unter Atmosphären­druck SiOx-Schichten auf den Proben erzeugt. Als Precursoren kamen HMDSO, TEOS, HMDSN, OMCTS und APTMS zum Einsatz.

Ergebnisse | Nutzen

Die besten Barriereschichten wurden mit DBE erzeugt. Mit HMDSO konnten Sperr­effi­zienzen von 95 % erreicht werden. Praktisch keine Sperr­effizienz wurde mit APTMS erzielt. Die hohen Sperr­wirkungen traten gegen­über den Phthalat­weich­machern auf. Die Wirkung gegen­über phthalat­freien Weich­machern war deut­lich geringer. Proble­matisch bleibt die Funktion des Haft­vermittlers. Die verwendeten Lacke (auf PU- und Acrylat-Basis) konnten nicht haft­fest auf den SiOx-Schichten aufge­tragen werden. Dies offen­barten die durch­ge­führten Abrieb- und Knick­beständig­keits­prüfungen. Hier ist eine Anpassung des Lackes an die Sperr­schicht erfor­der­lich. Unabhängig davon konnte nach­ge­wiesen werden, dass mit entsprechend opti­mierten Systemen aus PVC, Weich­macher, für die Sperr­schicht verwendetem Precursor und Decklack migrations­arme Waren herge­stellt werden können.

Da die Beschichtung mit DBE bei Atmosphären­druck geschehen kann, halten sich die Anschaffungs- und Betriebs­kosten der Plasma­anlagen in Grenzen. Damit ist das Verfahren auch für KMU einsetzbar.

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