Aufbau einer verunreinigten Oberfläche

Ein oberflächenunabhängiger Faktor, der bei der Benetzung von Oberflächen eine wichtige Rolle spielt, ist die Grenzflächenenergie der Flüssigkeit, mit der eine Oberfläche benetzt werden soll. Voraussetzung für eine gute Benetzbarkeit ist, dass die Oberflächenenergie höher als die Grenzflächenenergie ist.

Reinigung und Vorbehandlung lassen sich als Verfahren nicht scharf trennen, da meist beide Effekte (Entfernung von Verunreinigungen und Veränderung von Oberflächeneigenschaften) in unterschiedlich starker Ausprägung parallel erzielt werden. Um zu verstehen, wo Vorbehandlung in die Oberfläche eingreift und bis wohin Reinigung erfolgt, ist es notwendig, die Oberflächenbeschaffenheit eines Bauteils im atomaren Bereich zu betrachten (siehe Bild unten).

Die Grenzfläche des Grundmaterials ist häufig durch eine fest gebundene Reaktionsschicht und eine darüber befindliche schwächer gebundene Adsorptionsschicht (z.B. Wasser, Sauerstoff) bedeckt, auf der Verunreinigungen wie Staub, Partikel, Salze, Öle und Fette anhaften. Diese oberste Schicht wird auch als Kontaminationsschicht bezeichnet. In der Summe bilden die genannten Schichten die äußere Grenzschicht, die eine niedrige Oberflächenenergie besitzt. Die Reaktionsschicht ist chemisch fest an den Werkstoff, d.h. an die innere Grenzschicht gebunden. Sie besteht aus Reaktionsprodukten des Werkstoffs wie z.B. Oxiden, welche sich schwer und meist nur durch mechanische Verfahren oder chemische Ätz- und Beizverfahren abtrennen lassen. Die über der Reaktionsschicht liegende Adsorptionsschicht besteht aus werkstofffremden Stoffen mit einer höheren Bindungsenergie als die Fremdstoffe aus der Schicht der Verunreinigungen. Ein Problem bei der Entfernung der Adsorptionsschicht ist, dass direkt nach der Entfernung wieder Gase und Wasserdampf aus der Umgebung adsorbiert werden, d. h. die Entfernung dieser Schicht hat nur einen kurzzeitigen Effekt. Abhilfe kann eine Konservierung durch den Schutz vor leicht adsorbierbaren Stoffen schaffen (die nun ihrerseits wieder eine Verunreinigung darstellen kann) oder die Vermeidung adsorbierbarer Stoffe durch einen Reinigungsprozess unter Vakuumbedingungen, der diesen Vorteil in der Regel vor Vakuum-Beschichtungsprozessen ausspielt. Für die Entfernung der Adsorptions- und Reaktionsschicht sind oberflächeneigenschaftsverändernde Verfahren notwendig. Dies können abrasive mechanische Verfahren wie Bürsten, Schleifen oder Strahlverfahren, bei denen mit den unerwünschten Schichten abhängig von dem Härte- und Festigkeitsunterschied im Allgemeinen auch ein Teil des Grundwerkstoffes abgetrennt wird, aber auch chemische Vorbehandlungsverfahren wie Beizen und Ätzen sein. Ebenso existieren physikalisch-chemische Vorbehandlungen wie Abflammen, Corona-, Plasma-, Elektronenstrahl- oder Laserstrahlverfahren.

Für eine Aktivierung der Oberfläche eignen sich meist Plasmaverfahren, die chemische und physikalische Wechselwirkung ionisierter und angeregter Gase mit der Oberfläche der Materialien nutzen, um deren Eigenschaften zu verändern. Als reaktive Bestandteile wirken dabei unter anderem freie Elektronen, UV-Licht und angeregte oder radikalische Gasmoleküle (meist Sauerstoff). D.h., im Wesentlichen führen die reaktiven Bestandteile des Plasmas zum Einbau von Sauerstoff in die behandelte Oberfläche. Dadurch entstehen funktionelle Gruppen, die eine kovalente Bindung zu den Molekülen einer Beschichtung ermöglichen. Speziell die bei Atmosphärendruck arbeitenden Plasma-Verfahren sind interessant, da sie sich leicht in Fertigungslinien integrieren lassen. Hierzu gehören Flächenentladungen und die Verwendung von Plasmadüsen, den so genannten Plasma-Jets. Niederdruck-Plasmaverfahren spielen eine größere Rolle für die Vorbehandlung vor Vakuum-Beschichtungsprozessen. Hier überwiegt meist die Nutzung des physikalischen Effekts mit einem mechanischen Schichtabtrag durch das Bombardement der Bauteiloberfläche mit schweren Argon-Ionen.

Abhängig von der gewählten Aktivierungsmethode ist der Aktivierungseffekt mehr oder weniger zeitlich begrenzt. Angeregte Oberflächenatome kehren in den Grundzustand zurück und Oberflächenradikale reagieren mit Reaktionspartnern aus der Umgebung. So beginnen die Oberflächen ihre veränderten physikalischen Eigenschaften wieder zu verlieren.