Oberflächenmodifizierung von Polymethylmethacrylat durch ...

Kapitel 2: Theoretische Grundlagen 25
2.6 Wechselwirkungen von Niederdruckplasmen mit PMMA
In den nachfolgenden Ausführungen sollen Effekte diskutiert werden, die durch die
Wechselwirkung mit Niederdruckplasmen beim PMMA – dem Kunststofftyp, der im
Mittelpunkt dieser Arbeit steht – entstehen. Dabei soll speziell das Verhalten des PMMA bei
verschiedenen Plasmaeinwirkungen untersucht werden, wobei vor allem Änderungen der
Oberflächeneigenschaften von Interesse sind.
2.6.1 DC-, RF- und MW-Plasmabehandlungen von PMMA
Die Oberflächeneigenschaften von PMMA lassen sich durch Plasmabehandlungen in
unterschiedlicher Art und Weise beeinflussen.
Verschiedene Arbeiten beschreiben Plasmabehandlungen, die speziell zur Haftverbesserung
von dielektrischen und metallischen Schichten auf PMMA entwickelt wurden [84, 85, 86, 87].
PMMA, das für seine schlechte Schichthaftung bekannt ist, kann z. B. durch eine
Modifizierung der Oberfläche in einem speziell entwickelten H2O-Glimmentladungsplasma
günstige Oberflächeneigenschaften erhalten [88]. Mit einer speziellen Ar/H2O-
Plasmabehandlung konnte die Molekülstruktur des PMMA in einem breiten
Oberflächenbereich so verändert werden, dass deutliche Bandenverschiebungen in einem
FTIR-ATR-Spektrum sichtbar wurden (FTIR = Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie,
ATR = Attenuated Total Reflection). Durch diese Vorbehandlung wird die freie
Oberflächenenergie signifikant erhöht. Eine deutliche Verbesserung der Hafteigenschaften wird
dabei auf die hydrophilen Oberflächeneigenschaften, für welche die neuen OH-
Funktionalitäten verantwortlich sind, zurückgeführt. Weiterhin zeigte die chemische Analyse,
dass nach der DC-Plasmabehandlung ein Verlust der Ester–CH3-Funktionalitäten
(O-CH3, C=O, C–O) zu verzeichnen war, während neue CH2- und OH-Signale detektiert
wurden. Der Anstieg des CH2-Signals deutet dabei auf einen Abbau der PMMA-Seitenkette
mit Vernetzungseffekten in der modifizierten Schicht hin. Das mit dem H2O-
Glimmentladungsplasma modifizierte PMMA zeigte weiterhin eine von n = 1,49 auf n = 1,63
erhöhte Brechzahl [84, 85]. Auch Lian et al. [86] konnten durch eine
Glimmentladungsbehandlung mit Luft als Plasmagas eine haftfeste Beschichtung von SiO 2
erzielen. Die Oberflächenmodifikation geht dabei mit einer Erhöhung der Oberflächenenergie
von PMMA einher. Dass die chemische Struktur der PMMA-Oberfläche durch diese
Behandlung modifiziert wurde, konnte durch XPS-Analysen (Röntgen-
Photoelektronenspektroskopie) bestätigt werden. Diese zeigten eine Zunahme der C–C- und
C–H-Anteile, während die funktionellen Gruppen der Estergruppe (C–O und O=C–O) in
ihrer Häufigkeit abnahmen. Neuentstandene Funktionalitäten wurden ebenfalls detektiert,
dabei handelt es sich um an Kohlenstoff gebundenen Sauerstoff in Form von O–C–O oder
C=O. Eine Zunahme von OH-Gruppen in der Polymerkette wurde darüber hinaus festgestellt.
Duchatelard et al. [87] führten RF-Plasmabehandlungen auf PMMA durch, um die
Oberfläche zu glätten und die Oberflächenenergie zu erhöhen. Dabei wurde mit abnehmender
Rauheit des Substrats eine Zunahme der Haftung von RF-gesputterten Al2O3-Schichten auf
PMMA gefunden, womit sie die Oberflächenvergrößerung als Einflussgröße auf die
Haftfestigkeit ausschließen konnten.