The specialty chemicals group has developed a new concept for radar sensors with integrated thermal management. A combination of thermally conductive plastics with metallic cooling elements in hybrid technologyg is used.

The concept for radar sensors provides for heat dissipation from hot spots using thermally conductive plastics in combination with metallic cooling elements

Polybutylenterephthalat

Kunststoff Werkstoffe

Thermoplaste

Polyamide

Hybrid-Spritzgießen (Metall / Kunststoff)

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Spritzgießen

Radar Sensors with Integrated Thermal Management

New developments by the raw material producers are responding to current application trends. Requirements are changing due to the advent of networked and semi-automated electric vehicles and the different mobility infrastructure. Products for digitalization and energy and resource efficiency are also moving center stage.

New Mobility Forms and Digitalization Are Shaping the Development of Engineering and High-Performance Plastics

Polyetherketon

Polyacrylate

Oberflächenbeschichtung

Holz

Anlagen Additive Fertigung / 3D-Druck, Kunststoff

Anlagen für die Additive Fertigung

Hybridwerkstoffe

Andere Werkstoffe

Polyacetale

Verbundwerkstoffe / Werkstoffverbunde

Oberflächentechnik

Filamente für additive Verfahren

Werkstoffe für additive Verfahren

Oberflächenveredelung

Dienstleistungen

Lohnfertigung

Polycarbonat

Technology Made Easy

Bonding plastic to metal is an effective means of achieving economic lightweight construction with high functional integration. In this process, media-tightness is a key criterion for the quality of the bond. Deposition of a plasma layer combined with customized modification of the plastic give rise to extremely strong hybrid components. 

Further Development of the Plasma-SealTight Process and Materials for Chemically Bonded Plastic-Metal Hybrids 

Dichtungen

Aluminium

Hybridtechnik

Verbindungstechnik

Verbindungstechnik, hybride

Even Aluminum Can Not Resist 

One of the last major German chemical giants, BASF is fighting back against the weak economy with an extensive efficiency program. Its acquisition of Solvay’s polyamide business has strengthened the engineering thermoplastics value chain. The circular economy is providing most of the new impetus.

Fig. 2. The <a href="http://Futurecraft.Loop">Futurecraft.Loop</a> sneaker is a recyclable shoe made from 100 % recycled material

BASF and Its Customers Commit to Chemical Recycling

Kunststoff-Recycling

Kunststoff-Aufbereitung

Forward Together!

PA66 and PBT considerably expand the field of applications for laser sintering by showing better properties than classic PA11 and PA12 materials in most cases.

As a temperature-resistant and flame-retardant material with high mechanical properties, PA66 opens up new application possibilities for laser sintering, such as its use as a sensor holder

16:9

PA66 and PBT for Laser Sintering

Technische Kunststoffe

Selektives Lasersintern von Kunststoff, Metall, Keramik

Verfahren für die additive Fertigung

Pulverbettverfahren

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

Additive Fertigung

From Injection Molding to  Additive Manufacturing

Lanxess will transfer its High Performance Materials unit to an independent legal corporate structure.

The plastics of the High Performance Materials business unit are used primarily in the automotive, electrical and electronics industries

Kunststoff-Erzeugung

Faserverbundwerkstoffe

Herstellung von Gummi und Kunststoffwaren

Kunststoffverarbeitung

Lanxess’ Business Unit to Become Legally Independent

Electromobility in particular, but also many other electrical applications, are asking for ever higher demands regarding the electrical properties of thermoplastics. This raises the question of whether the polymers commonly used in this area can still meet these demands. The plastics manufacturer, Lanxess, has now investigated how suitable, for example, polyamide and polybutylene terephthalate are for use at higher voltages and temperatures.

How Suitable Are PA and PBT for High-Voltage Applications?

Elektronik

Elektromobilität

Mobilität

Leistungselektronik

Against the Current

DSM sells its Engineering Polymers business to Lanxess and the financial investor Advent. In return, the two companies are setting up a joint venture to which Lanxess is also contributing its PA and PBT business.

Lanxess is outsourcing its engineering plastics business to the joint venture.

Streifinger, Florian

Wirtschaft

Lanxess and Advent to Buy DSM‘s Engineering Plastics Business

Every three years, the showcase of plastics technology, the K fair, takes place, where one can deduce the current state of the industry. What is occupying the experts today, and what will still be flourishing in the future? The following article describes some of the development paths and trends. At the end of the day, there is a lot of tried-and-tested technology that is being continually refined and improved. There were also some innovative and visionary applications to be seen. 

Industry 4.0 Comes to Injection Molding and True Innovations at K 2016 

Automatisierungstechnik

Instandhaltung

Polyethylenterephthalat

Spritzgießmaschinen

Mehrfarben-Spritzgießmaschinen

Normalien und Heißkanaltechnik

Spritzgießwerkzeuge

Spritzgieß-Sonderverfahren

Mehrkomponenten-Spritzgießen

Spritzprägen

Folientechnik (IMD, IML, FIM, u.a.)

Schäumen / Reaktive Verarbeitung

Montagetechnik

Optische Mess- und Prüftechnik

Injection Molding 4.0 – Visionary and Tried-and-Tested Solutions 

After the explosion of developments in polymer formulations over the last year, it is worth taking a closer look during Fakuma at details such as functional additives or application-specific modifications. Overall, lightweight design continues to spur development but defined surface characteristics are also in demand. The reported innovations do not just follow current consumer trends but also provide ideas for advanced product and process developments. 

Functional Modifications Characterize Developments in Additives and Compounds 

Hochleistungskunststoffe

Polypropylen

Compound

Additive

Farbstoffe

Pigmente

Füllstoffe für Kunststoffe

Medizintechnik

Compoundeure

Distribuenten

Polymers Can Be Expected Everywhere 

Digitalization, electromobility, energy and resource efficiency are making their mark on future vehicles. These trends were also reflected at this year¿s PIAE, the branch¿s get-together in Germany. Plastics are an important key to mastering ecological and economic challenges in the coming years. 

New Polymers, Efficient Processes, and Advanced Parts for the Automotive Industry 

Schaumstoffe und Vorprodukte

Polyurethan

Plastics for the Mobility of Tomorrow  

Optics play an increasingly important role in plastic components. Glossy and even surfaces are decisive for an attractive appearance. With glass fiber-reinforced polyamides (PA), these requirements can usually only be achieved with an additional coating. A PA specially developed for surface design offers an alternative approach.

For visible components, an even, glossy surface is often desired, which is often difficult to achieve with glass fiber-reinforced PA. PA Grivory G7V from EMS now solves this problem

Aliphatic High-Performance Polyamide for Plastic Surfaces

Kunststofffasern

Verstärkungsstoffe

Glossy Components without Painting

In many technical applications, laser-sintered components still have inadequate surface topology. New methods of cost-effective and geometry-independent surface finishing of the laser-sintered specimens are therefore needed.

Fig. 1. Elastic modulus and tensile strength of PA12

 Source: University of Duisburg-Essen; graphic:  © Hanser

Influence of Chemical Post-Treatment on Glass-Filled Polyamide 12 Samples

Geometry-Independent Surface Finishing

Thermoplastic tapes are expected to shape the next generation of thermoplastic composites. This calls for highly accurate tape stacking. Engel contributes this technology to achieve a breakthrough by combining high-precision control software with camera technology in tape stacking.

For high production efficiency, a tape stacking unit is best equipped with two robots and one camera station

Software-Based Tape Stacking with the Aid of Camera Technology Paves the way for Thermoplastic Composites

Anlagen zur Composite-Herstellung

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

UD-Tapes

Kameras

Fertigungsautomation

Bildverarbeitung

Optische Mess- und Prüfverfahren

Qualitätssicherung

Qualitätssicherung Kunststoff

An Eye for the Essential

Terahertz technology supports contactless inline measurement in the micrometer to centimeter range. Wall thicknesses of pipes, hoses, and other extrusion products can be verified directly in the production process. Falling below the minimum thickness is identified immediately, thereby avoiding waste.

Terahertz inspection system for the inline measurement of pipe wall thicknesses. The wall thickness of single-layer and multi-layer pipes is determined simultaneously at four positions

Contactless Measurement with Terahertz Waves in the Micrometer to Centimeter Range

Messtechnik

Mobile Koordinatenmesstechnik

Geometrische Messtechnik

Form- / Oberflächenmesstechnik

Rohr- und Profilextrusion

Extrusion

Lichtwellenmesstechnik

Inline-Messtechnik

Inline Layer Thickness Measurement

Intermolecular interactions and their influence on the adhesion between plastics and metal surfaces

Up to now, the relevant interactions between thermoplastics and metal surfaces at the interface have not been fully investigated. In this article, possible intermolecular interactions between plastics and metal surfaces are described and investigated on injection-moulded composite specimens made of polyamide 6 and polybutylene terephthalate with aluminum as a composite partner. The results of the investigation show that the composite adhesion is mainly based on intermolecular interactions between the composite partners and not on mechanical form-fit. If the polar surface of the aluminum is chemically inactivated without changing its surface topography, then no composite adhesion occurs.

Up to now, the relevant interactions between thermoplastics and metal surfaces at the interface have not been fully investigated.

In this article, possible intermolecular interactions between plastics and metal surfaces are described and investigated on injection-moulded composite specimens made of polyamide 6 and polybutylene terephthalate with aluminum as a composite partner. The results of the investigation show that the composite adhesion is mainly based on intermolecular interactions between the composite partners and not on mechanical form-fit. If the polar surface of the aluminum is chemically inactivated without changing its surface topography, then no composite adhesion occurs.

Prof. Dr.-Ing. Achim Frick1; Dennis Jahn, B.Eng.1; Prof. Dr. Hans-Dieter Junker2;

1Institute of Polymer Science and Processing iPSP, Hochschule Aalen

Intermolekulare Wechselwirkungen und deren Einfluss auf die Haftung zwischen Kunststoffen und Metalloberflächen

Bislang sind die für eine Haftung zwischen thermoplastischen Kunststoffen und Metalloberflächen relevanten Wechselwirkungen in der Grenzfläche nicht vollständig erforscht. In diesem Beitrag werden mögliche, intermolekulare Wechselwirkungen zwischen Kunststoffen und Metalloberflächen beschrieben und an spritzgegossenen Verbundprobekörpern aus Polyamid 6 und Polybutylen-terephthalat mit Aluminium als Verbundpartner untersucht. Die Untersuchungsergebnisse zeigen, die Verbundhaftung basiert maßgeblich auf intermolekularen Wechselwirkungen zwischen den Verbund-partnern und nicht auf mechanischem Formschluss. Wird die polare Oberfläche des Aluminiums chemisch inaktiviert, ohne Veränderung seiner Oberflächentopographie, dann entsteht keine Verbundhaftung.

A. Frick, D. Jahn, H. D. Junker, M. Spadaro

Kunststoff-Metall-Verbunde, wie z.B. Steckverbinder, elektrische Gehäuse-durchführungen oder Elemente für die Energie- und/oder Datenübertragung werden in vielen verschiedenen Anwendungsbereichen, beispielsweise in der Automobilindustrie, Elektrotechnik/Elektronik, Medizintechnik oder Kommunikations- und Energietechnik, eingesetzt [1, 2]. In diesen Anwen-dungen werden in hybriden Bauteilen die elektrische Leitfähigkeit von Metallen mit der elektrisch isolierenden Eigenschaft von Kunststoffen kombiniert [2]. Kunststoff-Metall-Verbunde werden bevorzugt durch Verbundspritzgießen hergestellt [1]. Hierbei wird in der Regel das Metall (Einleger) in ein Spritzgießwerkzeug eingelegt und mit aufgeschmolzenem Kunststoff umspritzt. Diese Fertigungstechnologie erlaubt die effiziente Herstellung komplexer Geometrien. Technisch und wirtschaftlich erlangen deshalb spritzgegossene Kunststoff-Metall-Verbunde eine immer größere Bedeutung [1, 2]. Eine wesentliche Anforderung an solche hybriden Bauteile ist eine haftfeste Grenzfläche zwischen Kunststoff und Metall, die für einen langlebigen und sicheren Einsatz in der Anwendung sorgt. Die Frage die sich folglich stellt ist, welche Voraussetzungen müssen erfüllt sein, dass eine Grenzfläche eines hybriden Bauteils haftfest hergestellt werden kann? Der vorliegende Beitrag befasst sich eingehend mit den möglichen Wechselwirkungen zwischen Kunststoffen und Metalloberflächen im Hinblick auf eine Herstellung stoffschlüssiger und haftfester Kunststoff-Metall-Verbunde.

Das Fügen von Kunststoff und Metall im Spritzgießprozess kann auch als Schmelzkleben betrachtet werden. Der thermoplastische Kunststoff wird beim Verbundspritzgießen aufgeschmolzen, benetzt das Metall und fungiert dabei, im Falle einer haftfesten Grenzfläche als Schmelzklebstoff, der sich bei entsprechenden werkstofflichen und prozesstechnischen Voraussetzungen mit der Metalloberfläche des Einlegers stoffschlüssig verbindet. Der Kunststoff erfüllt dabei sowohl die Funktion der polymeren Strukturkomponente als auch eines Klebstoffes [2]. In der Klebetechnik werden chemische und physikalische Wechselwirkungen zwischen den Fügepartnern untersucht und angepasst, um eine optimale Verbindung von Materialien zu erzeugen [3]. Es ist bekannt, dass Klebstoffe mit polaren Gruppen besser auf polaren Festkörpern haften, als auf unpolaren [3]. Die Erkenntnisse aus der Klebetechnik sollen auch beim Umspritzen von Metallen mit Kunststoff beachtet werden. Ein Verständnis der Wechselwirkungen in der Grenzfläche zwischen Kunststoff und Metall bzw. den Metalloxiden der Oberfläche ist notwendig für die Interpretation einer möglichen Haftung bei Kunststoff-Metall-Verbunden und deren Langlebigkeit in einer Anwendung [4]. Chemische (kovalente) Bindungen zwischen Kunststoffen und Metallen sind schwierig zu erzeugen und oft nur mit Haftvermittler möglich [5]. Im Folgenden liegt der Fokus daher auf den möglichen, intermolekularen Wechselwirkungen in der Grenzfläche zwischen Kunststoffen und Metallober-flächen, worüber die Erkenntnisse noch immer begrenzt sind und es bislang keine umfassenden Darstellungen gibt [6]. Der recherchierte, derzeitige Stand des Wissens wird im Folgenden beschriebenen. Die Berücksichtigung von Grundlagen der Chemie, Polymerchemie und Oberflächenchemie der Metalle kann bei der Werkstoffauswahl für die Herstellung stoffschlüssiger, Kunststoff-Metall-Verbunde helfen und zur Weiterentwicklung langlebiger, gut haftender und damit mediendichter Grenzflächen solcher Verbunde beitragen.

1 WERKSTOFFLICHE GRUNDLAGEN – KUNSTSTOFF-METALL-VERBUNDE

Für eine elektrische Energie- oder Signalübertragung, ist ein elektrischer Leiter notwendig. Metalle haben aufgrund einer großen, zur Verfügung stehenden Elektronenkonzentration, im Vergleich zu anderen Materialien, eine gute elektrische Leitfähigkeit [7]. Bei Normaltemperatur liegt deren elektrische Leitfähigkeit zwischen 106 und 108 S?m-1 [8].

Zur elektrischen Isolierung von Leitern können Kunststoffe eingesetzt werden [2]. Sie zeichnen sich durch gute elektrische Isolationseigenschaften aus. Der spezifische Durchgangswiderstand von Kunststoffen, durch den das elektrische Isolationsverhalten charakterisiert wird, liegt zwischen 108 und 1018 ?·cm. In der Anwendung werden Kunststoffe ab einem Durchgangswiderstand von 106 ?·cm für elektrische Isolationen eingesetzt [9]. Kunststoffe sind deshalb als Isolationswerkstoffe prädestiniert und werden aus diesem Grund als isolierende und gleichzeitig strukturbildende Komponente in Kunststoff-Metall-Verbunden verwendet. Der Kunststoff soll den metallischen Leiter isolieren, zugleich vor äußeren Umwelteinflüssen wie Korrosion schützen und möglichst fest auf der Metalloberfläche haften [2].

Um mögliche intermolekulare Wechselwirkungen zwischen Kunststoffen und Metalloberflächen beschreiben zu können, ist die Kenntnis des chemischen Aufbaus der Kunststoffe und die chemische Zusammensetzung der Metalloberflächen notwendig.

1.1 Werkstoffe für die Übertragung elektrischer Energie

Kupfer und Aluminium haben nach Silber die höchste elektrische Leitfähigkeit aller technisch genutzten Metalle und werden daher abhängig von den elektrischen und mechanischen Anforderungen sowie den Umweltbedingungen für elektrisch leitende Komponenten eingesetzt [7].

Kupfer wird aufgrund seiner sehr guten elektrischen Leitfähigkeit zur Herstellung von elektrischen Leitern und Kontaktelementen verwendet [7, 10]. Bei Kontakt der metallischen Kupferoberfläche mit Sauerstoff bildet sich Kupfer (I)-Oxid (Cu2O), wodurch sich die Kupferoberfläche charakteristisch rot färbt [10, 11]. An trockener Luft erreicht diese Oxidschicht schon nach wenigen Stunden eine Dicke von 2 bis 4 µm [12]. Bei höheren Temperaturen bildet sich schwarzes Kupfer (II)-Oxid (CuO) auf der Kupferoberfläche. An feuchter Luft bildet sich langsam (je nach Umgebungsbedingungen) basisches Sulfat CuSO4?Cu(OH)2, basisches Chlorid CuCl2?Cu(OH)2 und basisches Carbonat CuCO3?Cu(OH)2 [10]. Dieser Überzug wird auch als Patina bezeichnet [11]. Durch eine thermische Behandlung von Kupferoberflächen können die Hafteigenschaften verbessert werden. So zeigen die Untersuchungen von Cho et al. [13] nach einer thermischen Behandlung einer Kupferoberfläche einen Anstieg von Kupfer (II)-Oxid (CuO), was zu einer besseren Benetzbarkeit der Oberfläche und Haftung zwischen Kupfer und Epoxidharz führt. Die Festigkeit der Verbunde steigt bereits nach wenigen Minuten Behandlungsdauer bei einer Temperatur von 175°C stark an, wobei das Maximum der Festigkeit nach einer Behandlungsdauer von 60 Minuten beobachtet wurde.

Unlegiertes Aluminium wird aufgrund seiner guten elektrischen Leitfähigkeit häufig in der Elektrotechnik eingesetzt. Aluminium hat eine hohe Affinität zu Sauerstoff. Bei Kontakt mit Sauerstoff bildet sich auf der Aluminiumoberfläche eine Schicht (Sperrschicht) aus Aluminiumoxid (Al2O3). Die Dicke der Sperrschicht erreicht an trockener Luft ihr Maximum bereits nach einer Stunde [14, 15].

Werden Aluminiumoberflächen für längere Zeit einer höheren Luftfeuchtigkeit ausgesetzt, bilden sich eine Vielzahl von Oxidationsprodukten an der Aluminiumoberfläche (Deckschicht). Es bildet sich hauptsächlich Aluminiumoxid (Al2O3) und Aluminiumhydroxid bzw. Aluminiumtrihydroxid (Al(OH)3, Al(O)OH)) [16]. Die Aluminiumhydroxide werden auch als Bayerit (?-Al(OH)3), Gibbsit (?-Al(OH)3) und Böhmit (?-AlOOH) bezeichnet [17]. Diese Hydroxide unterscheiden sich z.B. in der Struktur und den chemischen Eigenschaften [17, 18]. Bei höheren Temperaturen wird Aluminiumhydroxid durch Dehydration zu Aluminiumoxid umgewandelt. Bei dieser Reaktion wird Wasser freigesetzt [19]. Die Temperatur, bei der sich das Aluminiumhydroxid zu Aluminiumoxid umwandelt, ist von der chemischen Struktur des Hydroxids abhängig. In der Arbeit von Digne et. al [17] beschreiben die Autoren die Umwandlung von Gibbsit (?-Al(OH)3) zu Aluminiumoxid (?-Al2O3) bei einer Temperatur von kleiner 300°C. Die Umwandlung von Böhmit (?-AlOOH) zu Aluminiumoxid (?-Al2O3) findet bei einer Temperatur von 450°C statt. Die Umwandlung von Bayerit (?-Al(OH)3) zu Aluminiumoxid (?-Al2O3) erfolgt bei einer Temperatur von 230°C [17].

Die Aluminiumoxidschicht, die sich unter atmosphärischen Bedingungen bildet, hat eine unregelmäßige Oberflächentopographie mit großer Oberflächenrauheit und Porosität. Die Ursache dafür ist eine stark variierende Dicke der Oxid-schicht und eine sehr unterschiedliche Oberflächenchemie. Bei Alterung wächst die Oxidschicht durch das Eindiffundieren von Sauerstoff langsam weiter. Die Oberflächeneigenschaften des Oxids sind daher kaum reproduzierbar [16].

Es gibt einfache Verfahren zur Modifizierung einer Aluminiumoberfläche [20, 21]. Beim sogenannten Hot-Water-Treatment (HWT) nach Zhao et al. [20] wird Aluminium zunächst mit einer Natriumhydroxidlösung (NaOH-Lösung) behandelt, um die bestehende Oxidschicht von der Aluminiumoberfläche zu entfernen. Anschließend wird das von der Oxidschicht befreite Aluminium in heißes Wasser getaucht. Das Aluminium reagiert mit dem Wasser und bildet Aluminiumhydroxide. Dieses Verfahren ist z.B. geeignet, die Haftung zwischen Aluminium und Polybutylenterephthalat (PBT) zu verbessern, wie die Autoren zeigen konnten [20].

1.2 Werkstoffe für die Isolation elektrischer Leiter

Für spritzgegossene Kunststoff-Metall-Verbunde und die elektrische Isolierung der metallischen Komponenten werden häufig thermoplastische Kunststoffe wie Polyamide (PA) oder Polybutylenterephthalat (PBT) eingesetzt.

Polyamide besitzen generell eine hohe Steifigkeit und Festigkeit, einen hohen Verschleißwiderstand gegen Abrasion, eine hohe Beständigkeit gegen Kraftstoffe und Schmiermittel und ein sehr gutes elektrisches Isolations-vermögen im niederfrequenten Bereich [22]. Durch Zugabe von Glasfasern lassen sich die Steifigkeit und Festigkeit erhöhen und das Erstarrungsverhalten beschleunigen [23].

Die Amidgruppe, auch Carbonamidgruppe genannt, ist charakteristisch für alle Polyamide, Bild 1. Die Gebrauchseigenschaften der Polyamide werden stark durch die Amidgruppe CO–NH beeinflusst [9, 22, 23, 24].

Bild 1: Chemische Struktur einer Amidgruppe [24]

Durch den Abstand der Amidgruppen in der Molekülkette werden die intermolekularen Kräfte beeinflusst. Mit steigendem Abstand zwischen den Amidgruppen und der damit verbundenen Zunahme an CH2-Gruppen nehmen die intermolekularen Kräfte ab [9]. PA12 beispielsweise weist im Vergleich zu PA6 einen größeren Abstand zwischen den Amidgruppen auf, wodurch die intermolekularen Wechselwirkungen hier schwächer ausgeprägt sind, was sich dementsprechend auch auf die Wasseraufnahme auswirkt [22]. Daher werden, aufgrund ihrer hohen Polarität, für Kunststoff-Metall-Verbunde oft die teilkristallinen Polyamide PA66 oder PA6 verwendet [2, 25]. PA66 weist im Vergleich zu PA6 eine ca. 6-fach höhere Kristallisationsgeschwindigkeit auf [26]. Die deutlich geringere Kristallisationsgeschwindigkeit von PA6 kann sich bei der Fertigung von Kunststoff-Metall-Verbunden im Spritzgießprozess positiv auswirken, die Kunststoffschmelze bleibt vergleichsweise länger niederviskos und kann die Metalloberfläche umfließen, bevor die Kristallisation einsetzt und der Kunststoff erstarrt. Im Folgenden liegt der Fokus daher auf dem aliphatischen PA6, Bild 2.

PBT, Bild 3, ist ein aromatischer, teilkristalliner Thermoplast aus der Gruppe der Polyester. PBT hat aufgrund der guten Isoliereigenschaften (hoher Durchgangs- und Oberflächenwiderstand), der guten Kriechstromfestigkeit und einer hohen Durchschlagfestigkeit eine große Bedeutung in der Elektrotechnik und Elektronik. Der Werkstoff besitzt eine hohe Steifigkeit und Festigkeit bei günstiger Zähigkeit, sowie eine gute Wärmeformbeständigkeit bei gutem Gleit- und Verschleißverhalten. Durch die Zugabe von Glasfasern lassen sich die Steifigkeit und Festigkeit erhöhen [9, 22, 23, 24].

2 MÖGLICHE INTERMOLEKULARE WECHSELWIRKUNGEN ZWISCHEN KUNSTSTOFFEN UND METALLOBERFLÄCHEN

Im folgenden Abschnitt werden theoretische Grundlagen zu intermolekularen Wechselwirkungen beschrieben und mögliche Wechselwirkungen zwischen ausgewählten Kunststoffen und Metalloberflächen dargestellt und erläutert. Eigene Untersuchungsergebnisse zu existierenden Wechselwirkungen und einer erreichbaren Haftung zwischen Kunststoffen und verschiedenen Oberflächen von Aluminium folgen und bestätigen die Theorie.

2.1 Grundlagen intermolekularer Wechselwirkungen

Intermolekulare Wechselwirkungen basieren auf elektrostatischen Wechsel-wirkungen zwischen Molekülen mit elektrisch unterschiedlich geladenen Atomen. Innerhalb einer chemischen, nämlich kovalenten Verbindung haben Atome die Eigenschaft Valenzelektronen anzuziehen. Diese Eigenschaft hängt hauptsächlich von der Kernladung und dem Atomradius ab und ist je nach Atom unterschiedlich stark. Durch die Elektronegativität (EN) kann diese Anziehungs-kraft der Elemente auf die Valenzelektronen quantitativ beschrieben werden. Die EN ist ein relativer Wert, welcher sich nicht experimentell bestimmen lässt. Der Wert kann über verschiedene Modelle berechnet werden [27]. In Tabelle 1 werden Elektronegativitätswerte nach Pauling [27] für verschiede Elemente aufgezeigt.

Tabelle 1: Elektronegativitätswerte nach Pauling [27]

Je größer die EN eines Elements in einer kovalenten Verbindung ist, desto stärker ist seine Anziehungskraft auf die beteiligten Bindungselektronen. Bei einer Differenz der Elektronegativität (Elektronegativitätsdifferenz ?EN) der Bindungspartner führt dies zu einer Verschiebung der Bindungselektronen in Richtung des elektronegativeren Elements. Dadurch entsteht eine negative Partialladung am elektronegativeren Element und eine positive Partialladung am Element mit der geringeren EN [27]. Die Partialladungen werden auch als Pole bezeichnet. Am Beispiel einer Carbonylgruppe, Bild 4, entsteht am elektronegativeren Sauerstoff eine negative Partialladung (negativer Pol) und am Kohlenstoff mit der geringeren EN eine positive Partialladung (positiver Pol). Die Ladungen werden üblicherweise mit ?- für eine negative Partialladung oder ?+ für eine positive Partialladung dargestellt. Eine kovalente Bindung mit einem positiven und einem negativen Pol wird als Dipol bezeichnet [27].

Bild 4: Ausbildung von Partialladungen am Beispiel einer Carbonylgruppe (>C=O) [28]

Mit der ?EN der Bindungspartner kann die Polarität einer kovalenten Bindung beschrieben werden. Bei gleicher EN oder geringer ?EN der Bindungspartner werden die Bindungselektronen gleich stark bzw. schwach vom elektro-negativeren Bindungspartner angezogen. Solche Bindungen sind unpolar bzw. schwach polar [27]. Eine Einteilung der Bindungen nach Polarität entsprechend dem vorhandenen ?EN-Wert zeigt Tabelle 2.

Tabelle 2: Richtwerte zur Einteilung der Polarität von Bindungen [29]

Polyethylen (PE) ist aufgrund eines geringen ?EN-Werts von 0,3 zwischen den Bindungselementen Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H) in der Methylengruppe (CH2) schwach polar oder wird oft als unpolar beschrieben [24]. Durch die ?EN von 0,9 zwischen Kohlenstoff (C) und Sauerstoff (O) ist eine Carbonylgruppe, Bild 4, hingegen stark polar. Neben der Carbonylgruppe sind Bindungen in Hydroxyl- (-OH), Nitril- (-CN) oder Aminogruppen (-NH2) Beispiele für polare Bindungen [28].

Dipole, die auf der Elektronegativitätsdifferenz der Bindungselemente basieren werden als permanente Dipole bezeichnet. Temporäre Dipole basieren auf der Beweglichkeit der Elektronen in ihren Aufenthaltsräumen (Orbitale), wodurch es zu kurzzeitigen Ladungsverschiebungen kommt, Bild 5 [27].

Bild 5: Zeitliches Mittel der Elektronenverteilung im Orbital eines Atoms (links) und Momentaufnahme der Elektronenverteilung im Orbital, die einen temporären Dipol erzeugt (rechts) [27]

02032022_Kunststofftechnik.pdf

Intermolecular interactions through hydrogen bonds between a carbonyl group in polyamide and a metal hydroxide surface.

02032022_FIN 343 Frick

Authors Prof. Dr.-Ing. Achim Frick, Dennis Jahn, B.Eng., Institute of Polymer Science and Processing IPSP, Hochschule Aalen;

Prof. Dr. Hans-Dieter Junker; Fakultät Chemie, Hochschule Aalen

Published in Zeitschrift Kunststofftechnik / Journal of Plastics Technology 18 (2022) 3, page 146–172 © Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG ISSN 1864 – 2217