Peter Crimmann

Grenzflächenmodifizierung und -analyse im Polpropylen-Kupfer-Verbund

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 18.02.2003

Abstract
Die Oberflächenmodifizierung von Polypropylen (PP) ist unumgänglich, um eine haftfeste Verbindung mit Kupfer zu erzeugen. Dabei bildet die Niederdruckplasmabehandlung (sowohl Hochfrequenz- als auch Mikrowellenanregung) einen zentralen Aspekt. Hierbei fanden die Plasmagase Sauerstoff, Stickstoff und Helium Verwendung. Für das System Polypropylen-Kupfer (PP-Cu) kamen außerdem polymere Zwischenschichten zur Haftvermittlung zum Einsatz. Neben dem selbstleitenden Polymer Polythiophen (PT) wurde das über einen Plasmapolymerisationsprozeß aufgetragene Diaminocyclohexan (DACH) verwendet. Die Metallisierung mit Kupfer erfolgte mittels Vakuumbedampfen und bei den mit Polythiophen beschichteten Substraten außerdem über die galvanische Verkupferung.
Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit lag neben der Analyse der Oberflächenmodifizierungen (mittels Randwinkelmessung, AFM, XPS und REM) in der Bestimmung und Beurteilung der Festigkeit im Verbund. Hierfür wurde der Abreißversuch verwendet. Die Untersuchungen des Verbundes PP-PT-Cu ergaben, daß nur mit einer stark aufgerauhten Substratoberfläche eine ausreichend hohe Festigkeit erzielt werden konnte. Dagegen ermöglichte die Verwendung des DACH als polymere Zwischenschicht eine haftfeste Metallisierung von unpolarem PP, wobei auf eine Aufrauhung der Substratoberfläche verzichtet werden konnte. In Abhängigkeit von der Plasmabehandlung und den Parametern der Plasmapolymerisation betrug die Abreißfestigkeit max. 4,2 N/mm2. Neben einem Adhäsionsbruch (in der Grenzfläche PP / DACH) wurde bei diesem Verbund teilweise auch ein Kohäsionsbruch (in der polymeren Zwischenschicht) festgestellt. Dieser Umstand und die hohe Festigkeit ließen vermuten, daß zwischen Polypropylen und Diaminocyclohexan neben physikalischen auch chemische Wechselwirkungen bestehen.

The surface modification of polypropylene (PP) is inevitable in order to produce an adhesive connection with copper. The low pressure plasma treatment (both high frequency and microwave excitation) represents a central aspect. The plasma gases oxygen, nitrogen and helium were used. In addition used for the system polypropylene-copper (PP-Cu) polymeric intermediate layers were. Beside the intrisically conductive polymer polythiophen (PT) was this the diaminocyclohexane (DACH), which was deposited by a plasma polymerization process. The metallization with copper took place by the vacuum evaporation and in addition by electroplating (however only the subtrates coated with polythiophene).
The main focus of this work was the analysis of the surface modifications (by contact angle measurement, AFM, XPS and SEM) and the determination and evaluation of the bonding strength. For this the pull-off test was used. The investigations of the compound PP-PT-Cu resulted, that only with a strongly roughen polypropylene surface a sufficiently high strength could be obtained. On the other side the use of the DACH as polymeric intermediate layer made possible an adhesive metallization of the nonpolar PP, whereby without a graining of the substrate surface could be done. The pull-off strength amounted max. 4,2 N/mm2 subject to the plasma treatment and the parameters of the plasma polymerization. Beside an adhesion break (in the boundary layer PP / DACH) also partly a coherence break (in the polymeric intermediate layer) was determined in this compound. This case and the high strength let assume that between polypropylene and diaminocyclohexane physical and also chemical interactions exist.

Keywords:
Polypropylen, Polythiophen, Diaminocyclohexan, Niederdruckplasma, Plasmapolymerisation, Metallisierung, Polypropylen-Kupfer-Verbund, AFM, XPS, Abreißfestigkeit

polypropylene, polythiophene, diaminocyclohexane, low pressure plasma, plasma polymerization, metallization, polypropylene-copper compound, AFM, XPS, pull-off strength

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Inhaltsverzeichnis
Titelblatt, Inhaltsverzeichnis, Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung (1-2)
2 Aspekte der Adhäsion (3-10)
3 Oberflächenmodifizierung (11-18)
4 Haftvermittlerschichten (19-28)
5 Metallisieren von Kunststoffen (29-32)
6 Analyseverfahren (33-41)
7 Probenmaterial (42)
8 Probenpräparation (43-51)
9 Ergebnisse (52-81)
10 Diskussion (82-97)
11 Zusammenfassung (98-100)
12 Conclusion (101-103)
13 Literatur (104-112)
Anhang (A1-A19)