Produktion/Automation Verklebung von Rezyklat? Kein Problem

Rezyklat kommt in immer mehr Bauteilen zum Einsatz, die dekoriert oder verklebt werden. Je nach Polymer ist eine Aktivierung notwendig, um die notwendige Haftfestigkeit zu erzielen. Wie sich eine haftfeste Verbindung auf einer PA6.6-Oberfläche erzielen lässt, wurde in einem Forschungsprojekt von SKZ und Fraunhofer IFAM untersucht.

Während die Adhäsionseigenschaften bei Kunststoffen als Neumaterial überwiegend durch den Polymertyp, Additive, Füllstoffe und den Feuchtegehalt beeinflusst werden, kommen bei Rezyklaten zusätzliche Abbauprodukte, Verunreinigungen und weitere Additive hinzu. Speziell in der Weiterverarbeitung auf der Oberfläche werden Klebungen dadurch erschwert. Im Rahmen eines Projekts konnte demonstriert werden, dass sich mithilfe von Atmosphärendruckplasma stabile und reproduzierbare adhäsionsvermittelnde Oberflächen und Plasmabeschichtungen erzeugen lassen, die selbst auf mit Wasser gesättigten Substraten eine hohe Beständigkeit aufweisen. In diesem Beitrag wird die Kombination von Plasmabehandlung und Feuchteeinfluss auf die Haftfestigkeit von Klebungen näher erläutert.

Warum das Projekt wichtig ist: verbesserte Klebbarkeit von Rezyklat

In der EU fallen jedoch jährlich etwa 25 Mio. t Kunststoffabfälle an, von denen weniger als 30 % recycelt werden [1]. Das EU-Ziel, bis 2030 eine Recyclingquote von 50 % für Verpackungskunststoffe zu erreichen, stellt somit eine anspruchsvolle Herausforderung dar, die jedoch zugleich wichtige Impulse für technologische Innovationen entlang der Wertschöpfungskette bietet [2].

Der Vorschlag zur Altfahrzeugverordnung (COM/2023/451) sieht aktuell als Zielgröße mindestens 25 % Post‑Consumer Rezyklat (PCR) in Neufahrzeugen 10 Jahre nach Inkrafttreten der Verordnung vor [3]. Der European Green Deal und der Circular Economy Action Plan streben eine umfassende Kreislaufwirtschaft für Kunststoffe an, flankiert durch verbindliche Regeln zur Steigerung der Rezyklatnutzung [4]. Dabei sind die gleichen bauteilspezifischen Anforderungen an Rezyklate zu erfüllen wie sonst an Neuware.

Studien zeigen, dass Rezyklate durch veränderte Polymerkettenlänge, fehlende beziehungsweise vermehrte Additive oder Kontamination deutlich unterschiedliche Materialeigenschaften als Neuware aufweisen, was insbesondere an der Oberfläche die Klebbarkeit beeinträchtigt [5–7]. Während zahlreiche Publikationen Verarbeitung und Eigenschaftsänderungen technisch beschreiben, fehlt es häufig an Oberflächenanalysen, obwohl gerade diese für Klebprozesse entscheidend sind.

Im Rahmen des Projekts „Verbesserung der Weiterverarbeitbarkeit von Kunststoffrezyklaten im Hinblick auf anschließende Oberflächenprozesse“ (IGF-Projekt Nr. 22619 N) wurde untersucht, ob Post‑Consumer- und Post‑Industrial-Rezyklate mittels gezielter Oberflächenvorbehandlung eine vergleichbare Verarbeitbarkeit bei strukturellen Verklebungen wie Neuware erzielen. Zum Einsatz kam die etablierte Atmosphärendruck-Plasmatechnologie (ADP), die eine kontrollierte Aktivierung und Beschichtung der Oberfläche ermöglicht. Das Kleben diente dabei als praxisnaher Prüfprozess für die verschiedenen Kunststoffe und erlaubte eine quantitative Analyse der Prozesse. 

Plasmabehandlung und Plasmabeschichtung

Die Plasmabehandlungen erfolgten mit Anlagen von Plasmatreat, Steinhagen. Konkret wurden für die reine Aktivierung Plasmageneratoren des Typs FG5001 und Plasmaerzeuger RD2004 und RD1004 mit Druckluft als Ionisationsgas eingesetzt. Zur Plasmabeschichtung mit Acetylen mit Schichtdicken unter 50 nm wurde eine modifizierte Plasmaplus Anlage mit Generator FG5005S zusammen mit der Einzeldüse PFW10 und Stickstoff genutzt.

Kleben und Prüfen

Resultierende Haftkräfte aus den Materialscreenings und Plasmaversuchen wurden mittels Zugscherversuch in Anlehnung an DIN EN 1465 durchgeführt, wobei mithilfe von Abstandshaltern die Klebschichtdicke eingestellt wurde. Anschließend wurden die Probekörper in einer Universalprüfmaschine Z250 beziehungsweise Z020 von Zwick Roell in Normklima bis zum Bruch geprüft. Die qualitative Bewertung der Brüche erfolgte in Anlehnung der in DIN EN ISO 10365:2022 aufgeführten Klassifizierung von Bruchbildern.

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