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Die Erfindung liegt auf dem Gebiete des Aufdampfens von Überzügen im Vakuum, beispielsweise der
Herstellung eines Überzuges aus Aluminium auf einer Papierunterlage. Auf diese Weise kann man einen glänzenden Überzug herstellen, der sowohl bestimmte technische Aufgaben erfüllen kann als auch ein ge- fälligeres Aussehen zeigt.
Man hat schon lange versucht, Papier und ähnliche Materialien im Vakuum mit Aluminium zu be- dampfen und dabei konkurrenzfähig mit Papier zu bleiben, das mit Aluminiumfolie beklebt ist, ist dabei aber auf Schwierigkeiten gestossen, weil Papier und ähnliche Materialien im Hochvakuum Dämpfe ab- geben.
Der Hauptzweck der Erfindung besteht daher darin, ein verbessertes Verfahren und die zugehörigen
Einrichtungen anzugeben, mit denen wärmeempfindliche Materialien, wie beispielsweise Papier, welche leicht flüchtige Bestandteile enthalten, mit einem glänzenden Überzug aus Aluminium versehen werden können. Das mit dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte aluminisierte Papier ist gegenüber den Folienschichtstoffen wirtschaftlich konkurrenzfähig und stellt gegenüber diesen sogar eine Verbesserung dar.
Die Erfindung wird im folgenden zwar am Beispiel der Bedampfung von Papier mit Aluminium zur Herstellung eines gut reflektierenden Materials erläutert, ist jedoch auch für andere Anwendungsgebiete brauchbar.
Zur Erzielung eines geeigneten Aluminiumüberzuges muss das Papier direkt einer grossen, unbedeckten Oberfläche von schmelzflüssigem Aluminium ausgesetzt werden, das auf etwa 12000C erhitzt ist. Um die erforderliche glänzende Oberfläche zu erzielen, muss das schmelzflüssige Aluminium in einer Hochvakuumkammer angeordnet sein und das Papier in der Kammer direkt über der Oberfläche des schmelzflüssigen Aluminiums bewegt werden.
Papier enthält aber stets einen erheblichen Prozentsatz Wasser. Stark getrocknetes Papier ist in hohem Grade brüchig und für die meisten Zwecke daher nicht brauchbar. Der Wasserdampf tritt daher aus dem Papier aus, wenn dieses einem Vakuum in der Grössenordnung von 1 Millionstel Atmosphäre ausgesetzt wird, wie es für das Aufdampfen von Aluminium im Vakuum in Betracht kommt. Grosse Wassermengen beeinträchtigen aber die Qualität der aufgedampften Überzüge und erfordern es, was noch wichtiger ist, grosse Gasmengen bei hohem Vakuum abzupumpen. Es sind auch Versuche unternommen worden, das Papier vor der Aufdampfung des Aluminiumüberzuges zu trocknen, jedoch mit ungleichmässigen Ergebnissen, so dass vielfach nachträglich wieder gewisse Wassermengen dem Papier zugeführt werden mussten.
Beim Arbeiten nach den bekannten Verfahren verhinderte die Störung durch die befreiten flüchtigen Stoffe in der Hochvakuumkammer ein wirtschaftliches Überziehen des Papiers. Es war nicht möglich, auf wirtschaftliche Weise eine Pumpleistung zu erzielen, die eine einwandfreie Evakuierung der Hochvakuumkammer gewährleistet. Daher war die Vakuumaluminisierung von Papier nur mit geringem Wirkungsgrad und hohen Kosten möglich. Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht in der bisher unerreichten Herabsetzung der freigesetzten flüchtigen Stoffe in der Hochvakuumkammer und in der hohen Arbeitsgeschwindigkeit, so dass ein billiges, hochglänzendes aluminisiertes Papier erhalten wird.
Dies wird bei einem Verfahren zum Aufdampfen eines Überzuges, bei dem ein Substrat aus einer Zone eines mittleren Vakuums in eine Hochvakuum-Überzugskammer geführt und dort über eine Quelle von thermisch erzeugten Überzugsmaterialdämpfen bewegt wird, die eine unbedeckte Oberfläche aus schmelzflüssigem Aluminium aufweist, die auf einer Temperatur von etwa 12000C oder darüber gehal-
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ten wird und direkt zu dem Substrat hin freiliegt, so dass auf einer Fläche desselben ein Überzug abgela- gert wird und wobei das Substrat aus dieser Hochvakuum-Überzugskammer in eine Zone eines mittleren Vakuums bewegt wird, wobei das Hochvakuum in der Hochvakuumkammer von einem Vakuumsystem un- abhängig von den Überzugsmaterialdämpfen aufrechterhalten wird, erfindungsgemäss dadurch erreicht,
dass die Rückseite des Substrates mindestens während des grössten Teiles seines Aufenthaltes in der Hoch- vakuum-Überzugskammer mit einer sich bewegenden, endlosen, undurchlässigen Fläche in Berührung ge- bracht wird, und dass das Substrat, das auf der mit Aluminium zu überziehenden Seite mit einem gleich- mässigen Film überzogen ist, der für eine gewisse Zeit ein Hindernis für das Herausdiffundieren von Was- ser und von Gasen aus dem Substrat bildet, den Überzugsmaterialdämpfen und dem Hochvakuum der Über- zugskammer nicht länger als 1/5 sec ausgesetzt wird.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, bestehend aus einer Hochvakuum-Überzugskammer, einer Hochvakuumpumpe und einer Quelle für Metalldämpfe, die schmelzflüssiges Metall enthält, von dessen Oberfläche Dämpfe abgehen, ferner aus einer gekrümmten beweglichen Fläche, die einen Teil der ijberzugskammer begrenzt, weiters aus zwischen der beweglichen
Fläche und den benachbarten Begrenzungswänden der Kammer im Abstand von der ersteren angeordneten
Abdichtungen, die es gestatten, dass eine Bahn des Substrates mit der beweglichen Fläche in die Überzugskammer hinein und aus ihr herausbewegbar ist, wobei die Dampfquelle so angeordnet ist, dass sie Dämpfe direkt an den sich zwischen den Abdichtungen erstreckenden Teil der beweglichen Fläche abgibt,
und schliesslich bestehend aus einem Antriebsorgan zum Bewegen der beweglichen Fläche und der darauf befindlichen Bahn des Substrates zwischen den Abdichtungen. Diese Vorrichtung ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass mehr als die Hälfte der Länge der beweglichen Fläche zwischen den Abdichtungen längs einer Sichtlinie mit der schmelzflüssiges Metall enthaltenden Zone der Dampfquelle fluchtet, wobei diese schmelzflüssiges Metall enthaltende Zone einen Flächeninhalt hat, der mindestens ein Zehntel des Flächeninhaltes der beweglichen Fläche zwischen den Abdichtungen beträgt, und das Antriebsorgan die bewegliche Fläche mit einer Geschwindigkeit von mindestens 300 m/min anzutreiben imstande ist.
In einer Vorkammer, durch welche das Papier hindurchgeführt wird, werden beide Seiten des Papiers für nur kurze Zeit einem Vakuum von etwa 10 bis 200 Hg absolut ausgesetzt. Dies geschieht hauptsächlich zur Entfernung der Luft zwischen den einzelnen Lagen einer Papierrolle und aus den notwendigerweise in jedem Papier enthaltenen Hohlräumen. Sodann wird das Papier nach der Befreiung von der genannten Luft schnell durch die Kammer zur Herstellung eines Überzuges hindurchgeführt, die auf einem hohen Vakuum gehalten wird (nämlich auf unterhalb 20 u Hg absolut und unterhalb des Druckes in der oben erwähnten Vorkammer) und die eine Quelle von Aluminiumdampf enthält.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Unterlage durch die Hochvakuumkammer in weniger als 1/10 oder 1/20 sec, hindurcbgeführt. Während dieser sehr kurzen Zeit wird sie intensiven Aluminiumdämpfen ausgesetzt, die auf der Papierunterlage einen Aluminiumüberzug mit einer Reflexionsfähigkeit von 70% oder mehr erzeugen. Der Druck in der Vorkammer und in der Hochvakuumkammer hängt von der Natur der zu überziehenden Unterlage ab und von den gewünschten Eigenschaften des Endproduktes. In der Kammer, in welcher der Überzug hergestellt wird, muss stets ein sehr viel besseres Vakuum herrschen.
Der schnelle Durchlauf des zu bedampfenden Papiers wird durch eine hohe Fördergeschwindigkeit in der Grössenordnung von 200 bis 600 m je min und ferner dadurch erreicht, dass die zu durchlaufende Strecke kurz gehalten wird ; beispielsweise in der Grössenordnung von 30 cm beträgt. Die Zeit, während welcher sich die Unterlage in der Bedampfungskammer befindet, ist so kurz, dass praktisch kein Wasser vom Papier abgegeben wird. Man kann annehmen, dass geringe etwa freigegebene Wassermengen sofort mit dem Aluminiumdampf nahe an der Papieroberfläche reagieren. Das Papier verliert daher praktisch kein Wasser und wird auf der einen Seite mit einem Aluminiumüberzug versehen.
Nach der Herstellung des Überzuges wird eine weitere Trocknung des Papiers durch Zurückrollen desselben in die Vorkammer innerhalb einer oder zweier Sekunden nach der Herstellung des Überzuges verhindert. Aus der Vorkammer kann das Papier auch innerhalb einiger Sekunden nach der Herstellung des Überzuges in die freie Luft gebracht werden.
Da bei dem erfindungsgemäss vorgeschlagenen Verfahren verschwindend wenig flüchtige Bestandteile in der Hochvakuumkammer entstehen, ist auch das erforderliche Hochvakuum viel leichter aufrechtzuerhalten.
Für die Herstellung eines Aluminiumüberzuges mit hoher Reflexionsfähigkeit ist es wichtig, dass das Papier eine glatte und gleichmässige Oberfläche besitzt. Der durch Bedampfen im Vakuum hergestellte Aluminiumüberzug hat nämlich nur eine Dicke von einigen Hunderttausendstel Millimetern, so dass er
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sich der Papieroberfläche eng anschmiegt.
Es wurde festgestellt, dass ein sehr gut reflektierendes metallisiertes Papier hergestellt werden kann, ohne dass das Papier einer vorherigen nennenswerten Trocknung bedarf oder eine andere komplizierte Vor- behandlung erfordert. Die Herstellung des metallisierten Papiers wird noch dadurch unterstützt, dass man die mit Aluminium zu überziehende Seite mit einem gleichmässigen Film uberzieht. Dieser bewirkt zu- nächst die Entstehung einer glatteren Oberfläche und stellt ausserdem zumindest für eine gewisse Zeit ein
Hindernis für das Herausdiffundieren von Wasser und von Gasen aus dem Papier dar. Dieser Überzug kann beispielsweise aus Polyvinylacetat, aus Milchsaft od. dgl. hergestellt werden, die beide in Wasser gelöst aufgetragen und dann getrocknet werden.
Aus der USA-Patentschrift Nr. 2, 562, 182 ist zwar schon bekannt, das Substrat durch eine Hochva- kuum-Überzugskammer längs einer langen Bahn, die durch insgesamt sechs in der Überzugskammer an- geordnete lose Rollen gegeben ist, wandern zu lassen. Auf etwa 4/5 dieser Bahn in der Hochvakuumkam- mer sind jedoch beide Oberflächen des Substrates dem Hochvakuum ausgesetzt. Bei Verwendung dieser
Vorrichtung ohne der gemäss der USA-Patentschrift verwendeten Vorerhitzung könnten also die flüchtigen
Stoffe von beiden Seiten des Substrates in die Hochvakuumkammer eintreten und die Bildung einer glän- zenden Oberfläche beim Aufdampfen des Aluminiums verhindern.
Bei dem bekannten Verfahren wird dieses
Problem dadurch vermieden, dass beide Seiten des Substrates einer ausgedehnten Heizzone ausgesetzt werden, für die zusätzliche Rollen und Heizeinrichtungen erforderlich sind, damit die flüchtigen Stoffe vor dem Eintritt in die Hochvakuumkammer ausgetrieben werden. Ausserdem wird gemäss dem bekannten
Vorschlag das Substrat über eine unbeweglich in der Kammer befestigte Platte gezogen. Die Platte bewegt sich somit nicht mit dem Substrat. Die Arbeitsweise der bekannten Vorrichtung ist somit gegenüber dem erfindungsgemässen Vorschlag mit wesentlichen Nachteilen behaftet und erlaubt keine rationelle Herstel- lung.
Bei den erfindungsgemäss erforderlichen hohen Geschwindigkeiten würde die feststehende Platte zu einem Reissen oder andern Beschädigungen des Papiers führen, so dass ein einwandfreies Arbeiten unmög- lich wäre.
Bei der aus der DDR-Patentschrift Nr. 11722 bekannten Vorrichtung ist die Rolle mit dem zu überziehenden Substrat vollständig in der einzigen Hochvakuum-Überzugskammer angeordnet und die aus dieser Rolle entweichenden Gase erschweren die Aufrechterhaltung eines Vakuums in der Kammer beträchtlich, wodurch der Wirkungsgrad des Überzugsverfahrens begrenzt wird. Es kann mit Sicherheit festgestellt werden, dass diese Anordnung, wenn sie überhaupt verwendbar ist, eine so hohe Hochvakuumpumpleistung erfordern würde, dass die Erzielung der erfindungsgemässen Zwecke auf jeden Fall unmöglich wäre. Ferner ist es angesichts der Menge der in der Kammer verbleibenden Gase zweifelhaft, ob ein glänzender Überzug erhalten werden kann.
In der brit. Patentschrift Nr. 593, 468 ist eine Vorrichtung zur Verwendung mit Zink und andern niedrigsiedenden Metallen geoffenbart. Es wird ein Kessel oder Behälter verwendet, in dem das Metall zum Sieden gebracht wird, so dass ein Dampfdruck von 5 bis 15 mm erhalten wird. Aus diesem Kessel treten die Dämpfe durch einen schmalen Schlitz mit einer Breite von nur 0, 76 mm, welcher zu Düsenwänden ausgebildet ist, welche die Dämpfe auf ein Substrat richten. Trotz dem unbestimmten Hinweis, dass ein Metall wie Aluminium in diesem Kessel zum Sieden gebracht und zum Überziehen eines Substrates verwendet werden könnte, steht ausser Zweifel, dass diese bekannte Vorrichtung für die Zwecke der Erfindung völlig ungeeignet ist.
Schon aus der Tatsache, dass die Bewegung der Dämpfe von dem schmelzflüssigen Metall in dem Kessel durch einen schmalen Schlitz behindert wird, zeigt, dass die erfindungsgemässen Zwecke nicht erzielt werden könnten. Ferner wäre die Dampferzeugungseinrichtung nach der brit. Patentschrift nicht geeignet, schmelzflüssiges Aluminium mit der erforderlichen Temperatur von 12000C einwandfrei zu halten. Die brit. Patentschrift schlägt die Verwendung von Molybdän oder eines schwer schmelzbaren Stoffes wie Aluminiumoxyd oder Berylliumoxyd zur Bildung des Behälters vor. Beim Erhitzen eines aus einem dieser Materialien gebildeten Behälters auf die erforderliche Temperatur von 1200 oder 13000C wird er von dem schmelzflüssigen Aluminium angegriffen, was zu einer Verunreinigung der reinen Aluminiumdämpfe und zu einer Zerstörung des Behälters führen würde.
Weiters ist mit der bekannten Vorrichtung beispielsweise selbst bei Verwendung mit dem leicht aufdampfbaren Zink nur eine Überzugsbildung mit einer Höchstgeschwindigkeit von 2700 m pro Stunde bzw. 45 m/min erreichbar.
Diese Geschwindigkeit ist jedoch für die erfindungsgemässen Zwecke völlig unzureichend. Ferner ist nach der brit. Patentschrift vorgesehen, innerhalb der Düsenwände geeignete Bedingungen durch die Reflektion von Dampfteilchen herzustellen, die zunächst auf dem Substrat auftreffen und dann durch die Öffnung treten. Es ist jedoch vollkommen unmöglich, dass ein Strom von Aluminiumdämpfen nach dem Auftreffen auf einer Fläche mit einer solchen Geschwindigkeit reflektiert werden könnte, dass eine Bewegung von
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flüchtigen Stoffen durch die Öffnung in die Düse verhindert werden würde. Diese Bewegung würde aber die Ausbildung des erforderlichen Hochvakuum verhindern.
Auch die aus der Schweizer Patentschrift Nr. 315606 bekannte Einrichtung ist für eine wirtschaftliche
Erzeugung von aluminisiertem Papier nicht geeignet. Es wird bei dieser Einrichtung das Substrat weder direkt in eine Hochvakuumkammer eingeführt noch unmittelbar nach dem Austritt aus der Hochvakuum- kammer in einerZwischenkammer wiederaufgerollt. Das Substrat wandert längs einer Bahn über verschie- dene Führungselemente, so dass lange Wege vorhanden sind, auf denen das Substrat unnötigerweise einem
Vakuum ausgesetzt ist. Es sind somit wieder übermässig grosse Vakuumkammern und Pumpleistungen er- forderlich.
In der Zeichnung ist eine Einrichtung dargestellt, welche eine Vorkammer 10 enthält, die durch ein leistungsfähiges Pumpensystem 12 evakuiert wird. Diese Vorkammer 10 besitzt einen vakuumdichten Abschlussdeckel 14, der zum Einsetzen und zur Entnahme von Papierrollen 16 abgenommen werden kann. Die Einrichtung enthält ferner eine Hochvakuumkammer 18, in welcher die Überzüge hergestellt werden. Diese letztere Kammer enthält eine Aluminiumdampfquelle 20, welche vorzugsweise aus einem durch Wirbelströme geheizten Graphit gefäss besteht. Eine geeignete Heizstromquelle 22 ist über die Leitungen 24 angeschlossen. Zwischen der Vorkammer 10 und der Hochvakuumkammer 18 liegt eine grosse für Gase und Dämpfe undurchlässige Trommel 26,. welche durch eine Kühlschlange 27 gekühlt wird.
Die Trommel 26 füllt eine Öffnung 28 zwischen beiden Vakuumkammern fast vollständig aus. Diese Öffnung wird durch zwei gekrümmte Wände 30 gebildet, die zusammen mit der Oberfläche der Trommel Durchlassöffnungen von hohem Widerstand für das in der Vorkammer 10 befindliche Gas besitzen. Es können also keine gro- ssen Gasmengen in die Hochvakuumkammer 18 einströmen. Die Trommel 26 wird zu zwei Führungsrollen 32 so angeordnet, dass die Papierbahn 16, welche auf die Trommel 26 aufläuft, bei Drehung dieser Trommel in die Hochvakuumkammer 18 gefördert wird, dort den mit 20a angedeuteten Aluminiumdampfstrahlen ausgesetzt wird und die Hochvakuumkammer dann wieder verlässt. Dabei muss also das Papier die Durchtrittsöffnungen hohen Strömungswiderstandes durchlaufen.
Um einen sehr hohen Strömungswiderstand zu erzielen, muss der Abstand zwischen den Innenflächen der gebogenen Wände 30 und der Oberfläche der Trommel 26 sehr klein sein, wobei jedoch noch genügend Zwischenraum bestehen muss, um einen Transport des Papiers ohne Reibung an den Innenseiten der Wände 30 zu ermöglichen.
Ferner muss, um auch eine Stossstelle zwischen zwei Papierbahnen metallisieren zu können, der genannte Abstand gross genug sein, um die doppelte Papierdicke ohne Störung hindurchzulassen. Vorzugsweise soll der Abstand zwischen den Wänden 30 und der Trommel einstellbar gemacht werden, um bei verschiedenen Papierstärken jeweils auf den optimalen Abstand einstellen zu können.
Um ein gut reflektierendes Endprodukt zu erhalten, wird, wie bereits oben bemerkt, das Papier zunächst mit einem Überzug oder Film versehen, welcher dem Papier eine gleichmässige, glänzende Oberfläche erteilt, die erst dann mit Aluminium bedampft wird. Das Papier wird nach Anbringung dieses vor der Metallisierung anzubringenden Überzuges so aufgerollt, dass dieser Überzug sich auf der Aussenseite der Vorratsrolle befindet, so dass es auch in der Vorkammer 10 möglichst wenig Wasserdampf abgibt. Gewünschtenfalls können auch die Stirnflächen der Papierrollen mit eng anschliessenden metallischen Endplatten abgedichtet werden. Nach der Metallisierung wird die Papierbahn ebenfalls mit der metallisierten Seite nach aussen in der Vorkammer 10 wieder aufgewickelt.
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mechanische Vakuumpumpen grosser Saugleistung oder Dampfstrahlpumpen.
Die Pumpe 12 soll vorzugsweise den Druck in der Kammer 10 zwischen 10 und 200 fil halten, wobei dieses Vakuum in erster Linie dazu dient, die zwischen den einzelnen Windungen in der Vorratsrolle eingeschlossene Luft zu entfernen, sowie die in den Hohlräumen des Papiers eingeschlossenen Luftmengen. In der Hochvakuumkammer 18 wird durch die Pumpe 19 ein Druck von vorzugsweise weniger als 10 aufrechterhalten. Ein wesentlich tieferer Druck als 10 li ist nicht notwendig, wenn die Dampfquelle nahe an der Papieroberfläche angebracht wird und die Flächengrösse der Dampfquelle verhältnismässig gross gegenüber der zu überziehenden Fläche gewählt wird.
Wenn beispielsweise die Aluminiumdampfquelle einen Abstand von etwa 15 cm vom Papier besitzt und die Fläche des heissen Aluminiums etwa 20-5calo der jeweils in der Hochvakuumkammer befindlichen und zu bedampfenden Papierfläche ist, kann man bei 15-20 u in der Hochvakuumkammer noch einen glänzenden und gut haftenden Metallbelag erzeugen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die Hochvakuumkammer 18 einen abnehmbaren Boden 36, welcher die elektrischen Anschlüsse und die Befestigungsvorrichtungen für das Gefäss 20 enthält. Man kann also das Verdampfergefäss 20 dadurch sehr schnell auswechseln, dass man einen zweiten Boden 36 mit einem bereits vorbereiteten zweiten Verdampfergefäss bereitstellt. Ausserdem ist
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