Effekte einer Atmosphärendruck-Plasmabehandlung auf luftfahrtspezifische Beschichtungsstrukturen
Lahidjanian, Daniel
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Einfluss der Atmosphärendruck-Plasmabehandlung auf verschiedene luftfahrtspezifische Vorbeschichtungssysteme (Grundanstrich, Antistatiklack und Anti-erosionslack), die als Substrate im Bereich der Außenlackierung von Flugzeugbauteilen fungieren. Der Einfluss unterschiedlicher Prozessgrößen der Plasmabehandlung auf die chemische und strukturelle Oberflächenbeschaffenheit der Substrate wurde untersucht, um geeignete Behandlungsparameter für eine Anwendung in der industriellen Praxis zu bestimmen. Die Modifikation der Substratoberflächen nach einer Plasmabehandlung wurde mittels diverser Messmethoden analysiert und deren Einfluss auf die Haftung und die Welligkeitsstrukturen nachfolgend aufgebrachter Lackschichten dargestellt. Randwinkelmessungen an den Substratoberflächen haben gezeigt, dass eine Plasmabehandlung zu einer Erhöhung des polaren Teils der Oberflächenenergie und damit zu einer Erhöhung der gesamten Oberflächenenergie führt. Ferner konnte durch chemische Rasterkraftmikroskopieuntersuchungen an einer ausgewählten Substratoberfläche eine signifikante Hydrophilisierung der Oberfläche nach einer Plasmabehandlung aufgezeigt werden. Die Erhöhung des polaren Teils der Oberflächenenergie und die Oberflächenhydrophilisierung konnten durch Röntgen-Photoelektronenspektroskopie-Analysen anhand des Anstiegs der Konzentration sauerstoffhaltiger funktioneller Gruppen an der Oberfläche wie C-O-R- (Hydroxyl- oder Ether-), C=ORR- (Carbonyl-) oder C=OOR- (Ester- oder Carboxyl-) Gruppen erklärt werden. Weiterhin konnte durch Randwinkelmessungen an einem ausgewählten Substrat dargestellt werden, dass dessen Oberflächenenergie in einer gewöhnlichen Luftatmosphäre bis zu 24 h, in einer stark lösemittelhaltigen Umgebungsatmosphäre bis zu 2 h unverändert bleibt. Als ein möglicher geeigneter Prozessparametersatz für eine industrielle Vorbehandlung der untersuchten Substratoberflächen wurden mit einer rotierenden Plasmadüse der Firma Plasmatreat (Typ RD 1004, Durchmesser 20 mm) eine Rotationsgeschwindigkeit der Plasmadüse von 2890 U/min, ein Abstand zwischen den Behandlungsbahnen von 20 mm, ein Behandlungsabstand von 8 mm und eine Verfahrgeschwindigkeit der Plasmadüse von 20 m/min ermittelt. Verschiedene Haftungstestmethoden haben gezeigt, dass die Wahl der genannten Plasmaprozessparameter zu Haftungsergebnissen führt, die denen beschichteter Substrate nach einer konventionellen Vorbehandlung per Schleifen entsprechen und die damit den industriellen Qualitätsanforderungen genügen. Untersuchungen zum Einfluss der Plasmabehandlung von Substratoberflächen auf das optische Erscheinungsbild nachfolgender Decklackschichten haben gezeigt, dass bei geringen Lackschichtdicken die Welligkeitsstrukturen der Decklackschicht auf geschliffenen Substratoberflächen überwiegend schwächer ausgeprägt sind als auf unbehandelten oder plasmabehandelten Oberflächen. Durch die Applikation höherer Decklackschichtdicken, die immer noch deutlich innerhalb des vom Lackhersteller empfohlenen Schichtdickenbereichs liegen, kann aber dieser Effekt ausgeglichen werden. Anzumerken sei hier, dass auch ohne solch eine Maßnahme die industriell geforderte Qualität hinsichtlich des optischen Erscheinungsbildes erreicht werden würde. Insgesamt konnte mit den durchgeführten Untersuchungen aufgezeigt werden, dass eine Atmosphärendruck-Plasmabehandlung zur industriellen Vorbehandlung der getesteten luftfahrtspezifischen Lacksysteme prinzipiell möglich ist.
This study discusses the effects of atmospheric-pressure plasma treatment on different aerospace-specific, preliminary coating systems (primer, anti-static paint and anti-erosion paint) which act as the substrate surfaces for the exterior paint applied to aircraft components. The influence of different plasma-treatment process variables on the chemical and structural characteristics of the substrate surfaces was examined in order to determine process parameters that are suitable for industrial-scale treatment. The modification of the substrate surfaces was characterized using various analytical procedures, and its influence on adhesion and waviness structures of subsequently applied coatings (external primer and top coat) was described. Contact angle measurements on the substrate surfaces showed that the plasma treatment resulted in an increase of the polar part of the surface energy and thus in an increase of the total surface energy. Moreover, chemical atomic force microscopy of a selected substrate surface revealed significant hydrophilization of the surface after plasma treatment. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analyses brought results that explained the increase in the polar part of the surface energy and the surface hydrophilization by the increase in the concentration of oxygen-containing functional groups at the surface. The functional groups can be C-O-R (hydroxyl or ether), C=ORR (carbonyl) or C=OOR (ester or carboxyl) groups. Furthermore, contact angle measurements on a selected substrate established that the substrate's surface energy remained unchanged for up to 24 hours in a normal air atmosphere, and up to 2 hours in an ambient atmosphere with a high concentration of solvents. Using a rotating plasma nozzle produced by Plasmatreat (type RD 1004, diameter 20 mm), a rotation speed of the plasma nozzle of 2890 RPM, a track spacing of 20 mm, a treatment distance of 8 mm and a travel speed of the plasma nozzle of 20 m/min were determined as a potential, suitable set of process parameters for industrial pretreatment of the substrate surfaces under investigation. Different adhesion test methods applied to coated substrates showed that the above plasma process parameters delivered adhesion results that were similar to those of coated substrates after conventional pretreatment by grinding and which meet the industrial quality requirements. Tests regarding the effect of plasma treatment of substrate surfaces on the visual appearance of subsequently applied top coats revealed that with thin paint coats the waviness structures of the top coat on ground substrate surfaces were less pronounced than on untreated or plasma-treated surfaces. However, by applying thicker top coats which are still clearly within the coating thickness range recommended by the paint manufacturer, this effect can be compensated. It should be noted that the industrially required quality of the visual appearance would also be achieved without such action. On the whole, the tests performed showed that atmospheric-pressure plasma treatment for industrial pretreatment of the investigated aerospace-specific paint systems is possible in principle.
