AT238350B - Verfahren zum Überziehen von Oberflächen mit Kunststoffen - Google Patents

Description

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  Verfahren zum Überziehen von Oberflächen mit Kunststoffen 
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überziehen von Oberflächen mit Kunststoffen. Im heutigen modernen Verpackungswesen überwiegen in zunehmendem Masse mit Kunststoff überzogene Behälter. Ein Blick auf die Regale der Supermarkets zeigt plastiküberzogene Milchgefässe, Kühlschrankbehälter, Molkereiproduktbehälter, Verpackungen für Reinigungsmittel und weitere mehr. Bisher wurden derartige Behälter nach den wohlbekannten Verfahren wie durch Tauchen, Spritzen, Walzen oder Bürsten des Behälters mit einer Lösung des Kunststoffes überzogen. Die meisten dieser Verfahren besitzen den Nachteil, dass der resultierende Überzug verhältnismässig dick sein muss, um ausreichend glatt und gleichförmig zu sein.

   Auf Grund der hohen Anzahl der auf diese Weise erzeugten Stücke stellt die Aufbringung eines dikken Überzuges zur Erzielung der geforderten Gleichmässigkeit ein kostspieliges Verfahren'dar. Darüber hinaus schälen sich dicke Überzüge leicht ab und verunreinigen hiedurch den Inhalt des Behälters. 



   Aufdampfverfahren sind seit langem zur Aufbringung eines Metallüberzuges auf eine Oberfläche bekannt. Diese beinhalten im allgemeinen das Erhitzen eines Metalles im Vakuum auf eine ausreichend hohe Temperatur, um seine Verdampfung herbeizuführen. Die im Vakuum entstehenden Metalldämpfe werden hierauf auf der zu überziehenden Oberfläche niedergeschlagen. Es ist bekannt, dass dieses Verfahren der Aufbringung eines Metallüberzuges einen ausserordentlich befriedigenden, dünnen und gleichmässig verteilten Metallfilm ergibt. Auf Grund der hohen Zuverlässigkeit der   Vakuum-Aufdampf- und     Überzugsverfahren wäre   es natürlich ausserordentlich wünschenswert, diese auf das Überziehen mit Kunststoffen anzuwenden.

   Es zeigte sich indessen, dass ein Erhitzen bei den meisten Kunststoffen, üblicherweise hochmolekulare Polymere, deren Molekulargewichte in der Grössenordnung von 1 Million und mehr liegen können, deren Zersetzung hervorruft, bevor eine für Überzugszwecke ausreichende Verdampfung erfolgt. Es ist ja bekannt, dass ein für Kunststoffüberzugszwecke hauptsächlich interessantes Polymer selbst im Vakuum unterhalb seiner Zersetzungstemperatur keinerlei nennenswerten Dampfdruck besitzt. Eine Wiedervereinigung der Bruchstücke kann durch die resultierenden Sekundärelektronen und Röntgenstrahlen aus dem Elektronenbeschuss, oder durch einen Elektronenbeschuss des abgelagerten Überzuges möglich sein, doch ist der quantitative Effekt dieser Faktoren zum gegenwärtigen Zeitpunkt unbekannt.

   Bei Erreichen der Zersetzungstemperatur bilden die Zersetzungsprodukte auf der Unterlage einen unerwünschten Niederschlag, soferne sie bei der Temperatur der Unterlage überhaupt kondensierbar sind. In den meisten Fällen bilden sie überhaupt keinen Niederschlag, da sie bei dieser Temperatur Gase sind. Es wurde daher in der einschlägigen Technik stets angenommen, dass Vakuumaufdampfverfahren auf die Herstellung von Kunststoffüberzügen nicht anwendbar sind. 



   Gegenüber diesen obigen Erfahrungen wurde nun ganz überraschend gefunden, dass eine besondere Technik des Vakuumbeschusses eines Kunststoffes die Entwicklung von Dämpfen verursacht, welche erfolgreich auf eine Unterlage niedergeschlagen werden können. Das erfindungsgemässe Verfahren umfasst den Beschuss eines in einem Vakuum unterhalb seiner Zersetzungstemperatur gehaltenen Kunststoffmaterials. Es wird ein Elektronenstrahl verwendet, der ausreichende Intensität besitzt, um aus dem Kunststoffmaterial Dämpfe in einem für die Beschichtung der Unterlage ausreichenden Mass zu entwickeln. Die Unterlage wird innerhalb des Vakuums angeordnet, um diese sich darauf niederschlagenden Dämpfe 

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 aufzunehmen. Dieses Verfahren ermöglicht die verlässliche Bildung eines dünnen gleichförmigen Kunststoffüberzuges auf der Unterlage. 



   Die Gründe für den überraschenden Erfolg des Elektronenbeschussverfahrens gemäss der Erfindung sind nicht zur Gänze klar. Eine mögliche Erklärung ist, dass ein Aufspaltungsprozess erfolgt. Die Analyse des niedergeschlagenen Materials zeigt deutlich, dass der Überzug kein gewöhnliches Zersetzungsprodukt ist. Darüber hinaus wird der Kunststoff unterhalb seiner Zersetzungstemperatur, gewöhnlich durch Kühlen des den Kunststoff enthaltenden Schmelztiegels gehalten. Es ist möglich, dass der Beschuss durch energiereiche Elektronen chemische Bindungen im grossen Kunststoffmolekül aufspaltet. Es bilden sich kurze Kettenbruchstücke, die aktive Endradikale besitzen, die miteinander reagieren, wodurch eine Wiedervereinigung der verdampften Molekülteilstücke auf der Unterlage zu hochmolekularen Polymeren verursacht wird.

   Diese Polymere besitzen in vielen Fällen die gleiche oder im wesentlichen die gleiche Molekularstruktur, wie das ursprüngliche Kunststoffmaterial. In andern Fällen bilden die wiedervereinigten Molekülbruchstücke ein vom Ausgangsmaterial verschiedenes Polymer. 



   Zur Durchführung der Erfindung sind die meisten allgemein bekannten filmbildenden Kunststoffmaterialien geeignet. Diese umfassen Polymethylmethacrylat, Polytetrafluoräthylen, Polyäthylen, Polypropylen, Polychlortrifluoräthylen, Polyvinylchlorid, Celluloseacetat, Polyvinylfluorid, Nylon, Polystyrol und zahlreiche andere. Eine bemerkenswerte Ausnahme bildet der aus Vinylidenchlorid bestehende Kunststoff sowie sein Vinylchloridcopolymer ; dies vermutlich infolge der schnellen Zersetzung des Vi-   nylidenchlorids durch Brechen   einer schwachen Bindung, wodurch nicht kondensierbarer Chlorwasserstoff in Freiheit gesetzt wird. Die Entwicklung anderer nicht kondensierbarer Gase, wie Wasserstoff, Methan u. ähnl. wurde beim erfindungsgemässen Verfahren beobachtet.

   Bis zu einem gewissen Grad kann dies dadurch kompensiert werden, dass in das System überschüssige Mengen an diesen Gasen zur Wiedervereinigung mit den aktiven Radikalen an der Unterlage eingeblasen werden. Nichtsdestoweniger wurde gefunden, dass der überwiegende Anteil der filmbildenden Kunststoffe für das erfindungsgemässe Verfahren geeignet ist. Sie bilden einen wünschenswerten Überzug von hochmolekularen Polymeren auf der Unterlage, trotz der Tatsache, dass dieses Polymer unterhalb seiner Zersetzungstemperatur keinen nennenswerten Dampfdruck besitzt. Die tatsächliche Auswahl des Kunststoffes wird von der Farbe, Natur, Stärke oder Art des geforderten Überzuges abhängen. Es ist auch möglich, mehr als eine Kunststoffart zur Herstellung eines Überzuges heranzuziehen, welcher dann eine Kombination der verwendeten Ausgangsstoffe sein wird. 



   Die im Einzelfall ausgewählte Unterlage ist kein kritisches Merkmal der Erfindung. DieAuswahl hängt fast zur Gänze von den Anforderungen, die an das überzogene Produkt gestellt werden, ab. Gewöhnlich werden Glas, Papier, verschiedene Kunststoffe, Metalle, Holz usw. verwendet. Weiters können bereits überzogene Gegenstände mit den gleichen oder andern Substanzen zur Bildung geschichteter Materialien nochmals überzogen werden. Wird beispielsweise ein aluminiumbeschichtetes Papier mit Kunststoff überzogen, wird das Aluminium durch diesen geschützt und ein haltbares Produkt geschaffen. 



   Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, in welcher die einzige Figur eine zeichnerische Darstellung einer für das erfindungsgemässe Verfahren geeignete Apparatur ist. Eine evakuierte Kammer 21 wird durch die Vakuumeinrichtung 22 auf niedrigem Druck gehalten. Dieser Druck ist gewöhnlich geringer als   1 tel   und vorzugsweise nach Möglichkeit weniger als   0,     dz   Der Schmelztiegel 23 ist innerhalb der Kammer 21 angeordnet. Das für das Aufdampfen zu verwendende Kunststoffmaterial 24 befindet sich im Schmelztiegel 23. Auf die Oberfläche dieses Kunststoffes wird durch Beschuss mit Elektronen Hitze aufgebracht, wobei aus den Elektronenquellen 26 Elektronenstrahlen 27 auf die obere Fläche des Kunststoffes 24 gerichtet werden. Die Lage dieser Elektronenstrahlquellen 26 ist nicht von Bedeutung.

   Im dargestellten Beispiel sind diese Quellen sowohl oberhalb als auch unterhalb des Schmelztiegels 23 angeordnet. Geeignete Strahlablenkeinrichtungen 28, schematisch dargestellt, dienen zur Ablenkung der unteren Strahlen auf die Kunststoffsubstanz 24. Diese Strahlablenkeinrichtungen sind von üblicher Bauart und gewöhnlich magnetische Felder, die den Weg des Elektronenstrahls krümmen. Natürlich kann gewünschtenfalls auch eine geringere Anzahl an Strahlquellen eingesetzt werden. Die erforderliche Strahlintensitätvariiert mit der Art des Kunststoffes. In der Praxis zeigte es sich, dass die Strahldichte am Kunststoff zumindest 150   W/cm   betragen soll, um eine vernünftige Aufdampfgeschwindigkeit zu erzielen.

   In der Praxis wird ein Elektronenstrahl mit einer Spannung von etwa 30 bis 20000 V, vorzugsweise   1000 - 15000   V, verwendet, um auf dem Kunststoff eine Strahldichte von etwa 0, 8 bis   2, 3 kW/cm'l. zu   erzielen. Es können auch höhere Strahlstärken verwendet werden, jedoch erzeugen diese gewöhnlich Röntgenstrahlen, die eine Abschirmung zum Schutz des Bedienenden notwendig machen. Darüber hinaus muss darauf geachtet werden, dass der Strahl keine Erhitzung des Kunststoffes bis zu dessen Zersetzung- 

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 temperatur verursacht. Dies verhindert man gewöhnlich dadurch, dass man eine zu hohe Strahlstärke vermeidet und übliche Kühlmassnahmen für den Schmelztiegel wie Wasserkühlschlangen 29 vorsieht. 



   Die entstehenden Dämpfe steigen vom Kunststoff 24 auf und lagern sich auf der unteren Fläche der wie in der Zeichnung angeordneten Unterlage 30 ab. Der Abstand zwischen Unterlage und Kunststoff ist nicht kritisch. Natürlich soll dieser Abstand ausreichend sein, damit die Unterlage nicht den Weg des Elektronenstrahls behindert. Es bringt keinen Vorteil, wenn die Unterlage in verhältnismässig grossem Abstand vom Kunststoff angeordnet wird, da eine solche Anordnung lediglich die Verwendung einer unnötig grossen Kammer erforderlich macht. 



   Wenn gewünscht, kann die Unterlage 30 vor, während oder nach der Aufdampfung erhitzt werden, um die Eigenschaften oder die Ablagerungsgeschwindigkeit des Kunststoffes zu verändern Dies kann entweder durch Verwendung zusätzlicher Elektronenstrahlen oder reflektierter Anteile der gleichen Elektronenstrahlen, die auf die Unterlage 30 gerichtet werden, oder durch andere in der Technik bekannte Heizmethoden bewerkstelligt werden. Die Zusammensetzung des Kunststoffüberzuges kann manchmal durch diese Elektronenstrahlen beeinflusst werden. 



   Bei einigen Kunststoffen wurde gefunden, dass während der Verdampfung gasförmige Nebenprodukte gebildet werden. In den meisten Fällen sind diese von solcher Art, dass sie von der Unterlage nicht angezogen werden. Sie werden daher durch die Vakuumanlage 22 abgesaugt. 



     Als spezifische Erläuterung-der   erfindungsgemässen Massnahmen seien die nachfolgenden Beispiele angeführt. Beispiel 1 zeigt, dass die vorbekannten Aufdampfverfahren bei Kunststoffen unwirksam sind. 



  Die übrigen Beispiele zeigen die nach dem erfindungsgemässen Verfahren erhaltenen Ergebnisse. 



   Beispiel 1 : In einem Vakuum von   0. 3/l wurde unter Verwendung eines Tantalwiderstandshei-   zers Polyäthylen zur Entwicklung von Dämpfen erhitzt. Vor Erreichen der Verdampfungstemperatur begann der Kunststoff Blasen zu werfen, aufzusprudeln und sich zu zersetzen. Auf der etwa 250 mm oberhalb des Kunststoffes angeordneten Unterlage lagerte sich ein ungleichmässiges braunes Zersetzungsprodukt ab. Dieser Überzug war gänzlich unbrauchbar. 



   Dieses Beispiel zeigt, dass die vorbekannten Verfahren einen Kunststoffüberzug durch Aufdampfen aufzubringen zu keinem Erfolg führten. 
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 film wurde hierauf vom Glas abgezogen und chemisch untersucht. Er erwies sich chemisch als das gleiche Polyäthylen, welches verdampft worden war. 



   Unter Verwendung des erfindungsgemässen Verfahrens wurden ähnliche transparente Überzüge unter Verwendung von Polypropylen, Nylon, Polytetrafluoräthylen und Polychlortrifluoräthylen als Kunststoff hergestellt. 



   Beispiel 3 : Nach den herkömmlichen Methoden wurde zunächst ein Stück Papier mit Polyäthylen und danach mit einer Aluminiumoberfläche überzogen. Ein Stück dieses Papiers wurde in gleicher Weise und unter Verwendung der Apparatur des Beispiels 2 mit einem Überzug von   13/l   Nylon versehen. 



  Ein zweites Stück wurde in gleicher Weise mit einem Überzug gleicher Stärke von Polymethylmethacrylat versehen. Ein drittes Stück wurde mit keinem weiteren Überzug versehen und als Kontrollprobe aufbewahrt. Alle drei Proben wurden einem Abriebtest unterworfen. Dieser Abreibversuch wird üblicherweise angewendet, um das Ausmass eines durch einen bestimmten Überzug   einer Oberfläche vermittelten Schut-   zes festzustellen. Bei diesem Versuch wird das überzogene Material mit einem gewöhnlichen Bleistiftradiergummi unter Verwendung eines konstanten Reibdruckes radiert. Die Anzahl an Reibstrichen. die zur Entfernung des Überzuges erforderlich sind, wurden gezählt. 



   Bei Verwendung der Kontrollprobe wurde der Aluminiumüberzug vom Polyäthylen in zwei Strichen (Reibungen) entfernt. Die mit Nylon nach dem erfindungsgemässen Verfahren überzogene Probe erforderte   6 - 7   Striche zur Entfernung des Aluminiums und die nach dem   erfindungsgemässen Verfahren   mit Polymethylmethacrylat überzogene Probe erforderte 25 Striche zur Entfernung des Aluminiums. Dieses Beispiel zeigt'deutlich die Vorteile eines Überziehens von Gegenständen mit Kunststoff nach dem erfindungsgemässen Verfahren. 



   Wie dem Fachmann klar sein wird, sind viele weitere Verbesserungen und Abänderungen   des erfin-   dungsgemässen Verfahrens, wie es oben beschrieben ist, möglich, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE : 1. Verfahren zum Überziehen einer Unterlage mit einem Kunststoffüberzug, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kunststoff im Hochvakuum mit einem Elektronenstrahl zur Entwicklung von Dämpfen aus dem Kunststoff beschossen wird und dass innerhalb des Vakuums in den Weg der genannten Dämpfe eine Unterlage angeordnet wird, auf der sich der verdampfte Kunststoff als dünner Film niederschlägt.

   2. Verfahren nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Kunststoffes während der Verdampfung unterhalb der Zersetzungstemperatur gehalten wird.

   3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff mit einem oder mehreren Elektronenstrahlen beschossen wird, wobei zumindest etwa 150 W/cm2 Leistung angelegt wird.

   4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff mit Energiedichten des Elektronenstrahls von etwa 0, 8 bis 2, 3 kW/cm2 beschossen wird.

   5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet. dass der Kunststoff aus der Gruppe : Polymethylmethacrylat, Polytetrafluoräthylen, Polyäthylen, Polypropylen, Polychlortrifluoräthylen, Polyvinylchlorid, Celluloseacetat, Polystyrol, Polyvinylfluorid und Nylon ausgewählt wird.