DE10011275A1 - Verfahren zur Oberflächenaktivierung bahnförmiger Werkstoffe - Google Patents
Verfahren zur Oberflächenaktivierung bahnförmiger WerkstoffeInfo
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Abstract
Beschrieben wird ein Verfahren zur homogenen Oberflächenaktivierung bahnförmiger metallischer Werkstoffe mit einer Dicke kleiner als 100 mum oder bahnförmiger polymerer Werkstoffe, dadurch gekennzeichnet, dass man ein durch ein indirektes Plasmatron erzeugtes atmosphärisches Plasma gegebenenfalls in Gegenwart eines Gases oder Aerosols oder Gas- und/oder Aerosolgemisches auf den über Walzenpaare bewegten Werkstoff einwirken lässt.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aktivierung bahnförmiger
Werkstoffe, insbesondere von Kunststoff- und Metallfolien mittels eines atmosphäri
schen Plasmas.
Viele Veredlungsschritte, wie beispielsweise Bedrucken, Beschichten, Lackieren,
Verkleben, etc., sind bei Kunststoff- und Metallfolien nur möglich, wenn eine
ausreichende Benetzbarkeit mit lösungsmittel- oder wasserbasierten Druckfarben,
Lacken, Primern, Klebstoffen, etc. gegeben ist. Im allgemeinen wird deshalb in- oder
offline mit der Folienverarbeitung eine Corona-Behandlung vorgenommen.
Wie z. B. in den Druckschriften DE-A-42 12 549, DE-A-36 31 584, DE-A-44 38 533,
EP-A-497 996 und DE-A-32 19 538 beschrieben, werden dabei die bahnförmigen
Materialien einer gleichmäßig verteilten elektrischen Entladung ausgesetzt. Vorraus
setzung sind zwei Arbeitselektroden, von der eine mit einem dielektrischen Material
(Silikon, Keramik) ummantelt ist. Zwischen beiden Elektroden wird eine hohe
Wechselspannung mit einer Frequenz typischerweise zwischen 10 und 100 kHz ge
legt, so dass eine gleichmäßige Funkenentladung stattfindet. Das zu behandelnde
Material wird zwischen den Elektroden durchgeführt und der Entladung ausgesetzt.
Dabei kommt es zu einer "Bombardierung" der Polymeroberfläche mit Elektronen,
wobei deren Energie ausreicht, um Bindungen zwischen Kohlenstoff-Wasserstoff
und Kohlenstoff-Kohlenstoff aufzubrechen. Die gebildeten Radikale reagieren mit
dem Coronagas und bilden dabei neue funktionelle Gruppen aus.
Trotz des breiten Anwendungsspektrums und der ständigen Weiterentwicklung hat
die Corona-Behandlung deutliche Nachteile. So kommt es insbesondere bei höheren
Bahngeschwindigkeiten zu einer parasitären Rückseitencoronaentladung, wenn die
bahnförmigen Materialien nicht auf der walzenförmigen Elektrode aufliegen.
Weiterhin kommt es durch die Corona-Behandlung zu einer deutlichen elektrostatischen
Aufladung der bahnförmigen Materialien, die das Aufwickeln der Materialien
erschwert, die nachfolgende Bearbeitungsschritte, wie Lackieren, Bedrucken oder
Verkleben behindert und insbesondere bei der Herstellung von Verpackungsfolien
dafür verantwortlich ist, dass pulverförmige Materialien wie Kaffee oder Gewürze an
der Folie anhaften und im schlimmsten Fall zu undichten Siegelnähten beitragen.
Schließlich ist die Corona-Behandlung immer eine Filamententladung, die keinen
homogen geschlossenen Oberflächeneffekt erzeugt. Außerdem stellt man mit der Zeit
fest, dass ein Verlust der Oberflächeneigenschaften aufgrund der Migration von
Folienadditiven auftritt und dass eine molekularen Neuanordnung, die auf einer
Minimierung der Oberflächenenergie beruht, stattfindet.
Die Corona Behandlung beschränkt sich dabei auf dünne Substrate, wie Kunststoff
folien und Papiere. Bei dickeren Materialien ist der Gesamtwiderstand zwischen den
Elektroden zu groß, um die Entladung zu Zünden. Es kann dann aber auch zu
einzelnen Durchschlägen kommen. Nicht anzuwenden ist die Corona-Entladung bei
elektrisch leitfähigen Kunststoffen. Außerdem zeigen dielektrische Elektroden bei
metallischen oder metallhaltigen Bahnen oft nur eine begrenzte Wirkung. Die
Dielektrika können aufgrund der dauerhaften Beanspruchung leicht durchbrennen.
Dies trifft insbesondere bei silikonbeschichteten Elektroden auf. Keramische Elektro
den sind gegenüber mechanischen Beanspruchungen sehr empfindlich.
Neben der Corona-Entladung können Oberflächenbehandlungen auch durch
Flammen oder Licht durchgeführt werden. Die Flammbehandlung wird üblicher
weise bei Temperaturen um 1700°C und Abständen zwischen 5 und 150 mm durch
geführt. Da sich die Folien dabei kurzfristig auf hohe Temperaturen von etwa 140°C
aufheizen, muss eine effektive Kühlung vorgenommen werden. Zur weiteren Ver
besserung der ohnehin guten Behandlungsergebnisse kann der Brenner gegenüber der
Kühlwalze auf ein elektrisches Potential gebracht werden, dass die Ionen der Flamme
auf die zu behandelnde Bahn beschleunigt (polarisierte Flamme). Als nachteilig für
die Oberflächenbehandlung von Folien sind insbesondere die genau einzuhaltenden
Verfahrensparameter anzusehen. Eine zu geringe Behandlungsintensität führt zu
geringfügigen, nicht ausreichenden, Effekten. Zu starke Intensitäten führen zu einem
Aufschmelzen der Oberflächen, die funktionellen Gruppen tauchen nach innen ab
und sind somit unzugänglich. Ebenfalls als nachteilig sind die hohen Temperaturen
und die notwendigen Sicherheitsvorkehrungen zu bewerten. Die geltenden Sicher
heitsvorschriften lassen beispielsweise keinen gepulsten Betrieb einer Flammvorbe
handlungsanlage zu. Es ist bekannt, dass die Auswahl des Brennergases nur be
stimmte reaktive Spezies (Ionen und Radikale) zulässt und dass die Kosten der
Flammbehandlung deutlich höher sind als bei der Corona-Behandlung.
Der Hauptnachteil der Corona-Behandlung, die lokalisierten Mikroentladungen
(Filamente), kann durch die Anwendung eines Niederdruckplasmas umgangen
werden. Diese meist "kalten" Plasmen werden mittels Gleich-, Wechsel- oder
Hochfrequenzstrom bzw. durch Mikrowellen erzeugt. Bei nur geringer thermischer
Belastung des zu behandelnden - meist empfindlichen Materials - werden energie
reiche und chemisch aktive Teilchen bereitgestellt. Diese bewirken eine gezielte
chemische Reaktion mit der Materialoberfläche, da die Prozesse in der Gasphase bei
niedrigem Druck in besonders effektiver Weise verlaufen und sich die Entladung als
eine homogene Raumentladungswolke darstellt. Mit Mikrowellenanregungen im
Giga-Hz-Bereich lassen sich ganze Reaktorgefäße mit Plasmaentladung ausfüllen. Im
Vergleich zu nasschemischen Prozessen sind extrem geringe Mengen an Prozess
mitteln notwendig.
Etablierte physikalische und chemische Plasmabeschichtungsverfahren wie das
Kathodenzerstäuben (Sputtern) oder die plasma-aktivierte chemische Abscheidung
aus der Gasphase (PACVD) finden in der Regel im Vakuum bei Drucken zwischen 1
und 10-5 mbar statt. Deshalb sind die Beschichtungsprozesse mit hohen Investi
tionskosten für die erforderliche Vakuumkammer und das zugehörige Pumpsystem
verbunden. Zudem werden die Prozesse aufgrund der geometrischen Begrenzungen
durch die Vakuumkammer und die notwendigen, zum Teil sehr langen Pumpzeiten in
der Regel als Batch-Prozesse ausgeführt, so dass lange Prozesszeiten und damit
verbunden hohe Stückkosten entstehen.
Um punktförmige, teilflächige Beschichtungen, wie sie bei der Corona-Beschich
tung, auftreten zu vermeiden, können atmosphärische Plasmen auch durch Licht
bogenentladungen in einem Plasmabrenner erzeugt werden. Bei herkömmlichen
Brennertypen sind aufgrund der Elektrodengeometrie mit stiftförmiger Kathode und
konzentrischer Hohlanode nur nahezu kreisförmige Ansatzflächen des austretenden
Plasmastrahls auf der zu bearbeitenden Oberfläche erreichbar. Bei großflächigen An
wendungen benötigt das Verfahren einen enormen Zeitbedarf und liefert wegen des
relativ kleinen Ansatzpunktes sehr inhomogene Oberflächenstrukturen.
In DE-A-195 32 412 wird eine Vorrichtung zum Vorbehandeln von Oberflächen mit
Hilfe eines Plasmastrahls beschrieben. Durch eine besondere Gestaltung der Plasma
düse wird ein hochreaktiver Plasmastrahl erreicht, der etwa die Gestalt und die Ab
messungen einer Kerzenflamme hat und somit auch die Behandlung von Profilteilen
mit verhältnismäßig tiefem Relief gestattet. Aufgrund der hohen Reaktivität des
Plasmastrahls genügt eine sehr kurzzeitige Vorbehandlung, so dass das Werkstück
mit entsprechend hoher Geschwindigkeit an dem Plasmastrahl vorbeigeführt werden
kann. Für eine Behandlung größerer Oberflächen ist in der genannten Veröffent
lichung eine Batterie aus mehreren versetzt angeordneten Plasmadüsen vorge
schlagen worden. In diesem Fall ist jedoch ein sehr hoher apparativer Aufwand
erforderlich. Da sich die Düsen zum Teil überschneiden, kann es bei der Behandlung
bahnförmiger Materialien außerdem zu streifenförmigen Behandlungsmustern
kommen.
In DE-A-298 05 999 U1 wird eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung von Ober
flächen beschrieben, die durch einen Rotationskopf gekennzeichnet ist, der min
destens eine exzentrisch angeordnete Plasmadüse zur Erzeugung eines parallel zur
Rotationsachse gerichteten Plasmastrahls trägt. Wenn das Werkstück relativ zu dem
mit hoher Drehzahl rotierenden Rotationskopfes bewegt wird, überstreicht der
Plasmastrahl eine streifenförmige Oberflächenzone des Werkstücks, deren Breite
dem Durchmesser des bei der Rotation von der Plasmadüse beschriebenen Kreises
entspricht. Auf diese Weise kann zwar mit einem vergleichsweise geringem appara
tivem Aufwand eine relativ große Oberfläche rationell vorbehandelt werden. Den
noch entsprechen die Oberflächenabmessungen nicht denen, wie sie üblicherweise
bei der Verarbeitung von Folienmaterialien im industriellen Maßstab vorliegen.
In DE-A-195 46 930 und DE-A-43 25 939 sind sogenannte Coronadüsen für die
indirekte Behandlung von Werkstückoberflächen beschrieben. In derartigen Corona
düsen tritt zwischen den Elektroden ein oszillierend oder umlaufend geführter
Luftstrom aus, so dass man eine flächige Entladungszone erhält, in der die zu behan
delnde Oberfläche des Werkstücks mit den Coronaentladungsbüscheln überstrichen
werden kann. Als nachteilig stellte sich bei diesem Verfahren heraus, dass zur
Vergleichmäßigung der elektrischen Entladung ein mechanisch bewegtes Bauteil
vorgesehen werden muss, welches einen hohen konstruktiven Aufwand erfordert. In
den genannten Schriften wird zudem nicht beschrieben in welchen maximalen
Breiten derartige Coronadüsen hergestellt und angewendet werden können.
Für die vorliegende Erfindung bestand die Aufgabe, ein Verfahren zu entwickeln, das
Kunststoff- und Metallfolien homogen so aktiviert und deren Oberflächenspannung
so erhöht, dass sich anschließende Veredlungsschritte, wie beispielsweise Bedrucken,
Beschichten, Lackieren, Verkleben, etc. ohne Benetzungsprobleme und mit guten
Hafteigenschaften durchführen lassen.
Dabei wurde das Ziel verfolgt ein Verfahren anzubieten, die durch Niederdruck
plasmen (Batchbetrieb, Kosten), Corona (filamentförmige Entladung, Rückseiten
behandlung, elektrostatische Aufladung, etc.) und Plasmadüsen (streifenförmige
Oberflächenbehandlung) gegebenen Nachteile zu umgehen.
Erfindungsgemäß gelingt dies durch ein Verfahren, das ein durch ein indirektes
Plasmatron erzeugtes atmosphärisches Plasma auf den über Walzenpaare bewegten
bahnförmigen metallischen Werkstoff mit einer Dicke kleiner als 100 µm oder den
bahnförmigen polymeren Werkstoff einwirken lässt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann z. B. mit einem indirekten Plasmatron durch
geführt werden, wie es in der EP-A-851 720 beschrieben wird (incorporated by
referenc):
Der Brenner zeichnet sich durch zwei koaxial in größerem Abstand angeordnete
Elektroden aus. Zwischen diesen brennt ein Gleichstrombogen, der durch eine
kaskadierte Anordnung frei einstellbarer Länge wandstabilisiert wird. Durch ein An
blasen transversal zur Bogenachse, kann ein seitlich abströmender, bandförmiger
Plasmastrahl austreten. Dieser Brenner, auch Plasmabreitstrahlbrenner genannt, ist
auch dadurch gekennzeichnet, dass ein Magnetfeld auf den Lichtbogen eine Kraft
ausübt, die der durch die Strömung des Plasmagases auf den Lichtbogen ausgeübten
Kraft entgegenwirkt. Dem Brenner können zudem verschiedene Arten an Plasma
gasen zugeführt werden.
Dieses Verfahren ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass ein indirektes
Plasmatron mit einer länglichen Plasmakammer, die in kaskadiertem Aufbau eine
Mehrzahl von elektrisch gegeneinander isolierten Neutroden umfasst, wobei die zur
Erzeugung des Plasma-Lichtgas erforderlichen Elektroden koaxial zur Längsachse
der Plasmakammer angeordnet sind und die Plasmastrahl-Austrittsöffnung parallel
zur Längsachse der Plasmakammer verläuft, verwendet wird.
Dabei wird insbesondere zumindest eine Neutrode mit einem Permanentmagneten-
Paar zur Beeinflussung der Form und der Position des Plasma-Lichtbogens versehen.
Durch die Anzahl, Plazierung und Feldstärke der eingesetzten Magnete kann auf
Betriebsparameter wie beispielsweise Gasmenge und Gasgeschwindigkeit Rücksicht
genommen werden.
Weiterhin können zumindest einzelne Neutroden mit einer Möglichkeit, z. B. einem
Kanal zur Zuführung eines Gases in die Plasmakammer versehen werden. Dadurch
kann dieses Plasmagas dem Lichtbogen besonders gezielt und homogen zugeführt
werden. Durch ein Anblasen transversal zur Bogenachse kann ein seitlich
abströmender, bandförmiger Plasmafreistrahl austreten.
Durch die Anwendung eines Magnetfeldes wird eine Auslenkung und der daraus
resultierende Abriss des Lichtbogens verhindert.
Das erfindungsgemäß beschriebene Verfahren zur Oberflächenaktivierung lässt sich
sowohl im Anschluss an eine Folienfertigung als auch vor der Weiterverarbeitung,
d. h. vor dem Bedrucken, Laminieren, Beschichten, etc. von Folien durchführen. Die
Dicke der polymeren Folienmaterialien ist im wesentlichen nicht maßgeblich und
bewegt sich im Dickenbereich von 0,5 µm und 2 cm, vorzugsweise im Bereich
zwischen 10 und 200 µm.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die
Oberflächenaktivierung der bahnförmigen Werkstoff sowohl vollflächig als auch
teilflächig ausgeführt werden kann.
Das erfindungsgemäß beschriebene Verfahren zur Oberflächenaktivierung kann auf
polymeren Werkstoffen, jedoch auch zur Behandlung von metallischen Substraten,
insbesondere aber auf Kunststoff- und Metallfolien angewendet werden. Insbeson
dere kann das erfindungsgemäße Verfahren auch auf polymere bahnförmige Werk
stoffe angewandt werden, die gegebenenfalls mit Metall, Metalloxiden oder SiOX
bedampft sind.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden unter Kunststofffolien insbesondere
diejenigen verstanden, die aus einem thermoplastischen Material, insbesondere aus
Polyolefinen wie Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP), aus Polyester wie Poly
ethylentherephthalat (PET), Polybutylenterephthalat (PBT) oder flüssigkristllinen
Polyestern (LCP), aus Polyamiden wie Nylon 6,6; 4,6; 6; 6,10; 11; 12; aus Poly
vinylchlorid (PVC), aus Polyvinyldichlorid (PVDC), aus Polycarbonat (PC), aus
Polyvinylalkohol (PVOH), aus Polyethylvinylalkohol (EVOH), aus Polyacrylnitril
(PAN), aus Polyacryl-Butadien-Styrol (ABS), aus Polystyrol-Acrylnitril (SAN), aus
Polyacrylester-Styrol-Acrylnitril (ASA), aus Polystyrol (PS), aus Polyacrylaten, wie
Poylmethylmetacrylat (PMMA), aus Zellglas, oder aus Hochleistungsthermoplasten
wie Fluorpolymeren, wie Polytetrafluorethylen (PTFE) und Polyvinyldifluorid
(PVDF), aus Polysulfonen (PSU), aus Polyethersulfonen (PES), aus Polyphenyl
sulfiden (PPS), aus Polyimiden (PAI, PEI), aus Polyaryletherketonen (PAE) be
stehen, insbesondere aber auch diejenigen die aus Mischungen oder aus Co- oder
Terpolymeren Materialien und diejenigen die durch Coextrusion von Homo-, Co-
oder Terpolymeren hergestellt werden.
Unter Kunststofffolien werden aber auch diejenigen verstanden, die aus einem
thermoplastischen Material bestehen und mit einem Metall der 3. Hauptgruppe bzw.
der 1. oder 2. Nebengruppe oder mit SiOX oder einem Metalloxid der 2. oder 3.
Hauptgruppe bzw. der 1. oder 2. Nebengruppe bedampft sind.
Unter Metallfolien werden verstanden Folien, die aus Aluminium, Kupfer, Gold,
Silber, Eisen (Stahl) oder aus Legierungen der genannten Metalle bestehen.
Unter der Oberflächenaktivierung durch ein atmosphärisches Plasma wird im
Rahmen der vorliegenden Erfindung verstanden, dass durch die Wechselwirkung mit
dem Plasmagas eine Erhöhung der Oberflächenspannung der Werkstoffoberfläche
stattfindet.
Die Aktivierung der Oberfläche führt zu einer Erhöhung der Oberflächenspannung.
Dadurch wird eine vollständige Benetzung mit polaren Flüssigkeiten wie beispiels
weise Alkoholen oder Wasser ermöglicht. Die Aktivierung tritt auf, wenn Atome
oder Molekülfragmente - angeregt durch das Plasma - mit Oberflächenmolekülen
reagieren und infolgedessen in die Oberfläche eingebaut werden. Da dies meist
sauerstoff oder stickstoffhaltige Fragmente sind, spricht auch von einer Oberflächen
oxidation.
Das Plasmagas das im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt wird, ist dabei
dadurch gekennzeichnet, dass dieses aus Mischungen aus reaktiven und inerten
Gasen besteht. Durch die hohe Energie im Lichtbogen kommt es zur Anregung,
Ionisation, Fragmentierung oder Radikalbildung des reaktiven Gases. Aufgrund der
Strömungsrichtung des Plasmagases werden die aktiven Spezies aus dem Brenner
raum herausgetragen und können gezielt zur Wechselwirkung mit der Oberfläche von
Kunststoff- und Metallfolien gebracht werden.
Das oxidierend wirksame Prozessgas kann in Konzentrationen von 0 bis 100%,
vorzugsweise zwischen 5 und 95% zugegen sein.
Als oxidierende Plasmagase werden vorzugsweise sauerstoffhaltige Gase und/oder
Aerosole wie Sauerstoff (O2), Kohlendioxid (CO2), Kohlenmonoxid (CO), Ozon
(O3), Wasserstoffperoxid-Gas (H2O2), Wasserdampf (H2O), verdampftes Methanol
(CH3OH), stickstoffhaltige Gase wie nitrose Gase (NOX), Distickstoffoxid (N2O),
Stickstoff (N2), Ammoniak (NH3), Hydrazin (H2N4), schwefelhaltige Gase wie
Schwefeldioxid (SO2), Schwefeltrioxid (SO3), fluorhaltige Gase wie Terafluorkoh
lenstoff (CF4), Schwefelhexafluorid (SF6), Xenondifluorid (XEF2), Stickstoff
trifluorid (NF3), Bortrifluorid (BF3), Siliciumtetrafluorid (SiF4), Wasserstoff (H2)
oder Mischungen aus diesen Gasen eingesetzt. Inertgase sind vorzugsweise Edelgase,
besonders bevorzugt ist Argon (Ar).
Vorzugsweise wird in einer Vorstufe das aktive und das inerte Gas gemischt und
anschließend in die Zone der Bogenentladung eingebracht.
Derartige im erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Plasmen sind dadurch ge
kennzeichnet, dass ihre Temperaturen im Bereich des Bogens bei mehreren 10.000
Kelvin liegen. Da das austretende Plasmagas noch Temperaturen im Bereich von
1000 bis 2000 Kelvin aufweist, ist eine ausreichende Kühlung der temperatur
empfindlichen polymeren Materialien notwendig. Dies kann im allgemeinen durch
eine effektiv arbeitende Kühlwalze erfolgen.
Die Kontaktzeit von Plasmagas und Folienmaterial hat eine große Bedeutung. Vor
zugsweise sollte diese auf ein Minimum reduziert werden, damit eine thermische
Schädigung der Materialien ausbleibt. Eine minimale Kontaktzeit wird stets durch
eine erhöhte Bahngeschwindigkeit erreicht. Die Bahngeschwindigkeiten der Folien
ist üblicherweise höher als 1 m pro Minute, sie liegt vorzugsweise zwischen 20 und
600 m pro Minute.
Da die Lebenszeit der aktiven Spezies (Radikale und Ionen) unter Atmosphärendruck
eingeschränkt ist, ist es vorteilhaft die Kunststoff- und Metallfolien in sehr geringem
Abstand an der Brenneröffnung (Düse) vorbeizuführen. Vorzugsweise geschieht dies
im Abstand von 0 bis 40 mm, besonders bevorzugt im Abstand von 1 bis 15 mm.
Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern:
Durch den Einsatz des im erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Plasmabreit
strahlbrenners gelang es Oberflächen von Kunststoff- und Metallfolien im
atmosphärischen Plasma zu aktivieren. Dies gelang mit einem - verglichen mit
anderen Verfahren - nur geringem apparativem Aufwand, bei gleichzeitig niedrigen
Prozesskosten. Da im Beispiel jede Neutrode des Plasmabrenners eine Austritts
öffnung für das Plasmagas vorsieht kann dieses dem Lichtbogen gezielt und
homogen zugeführt werden. Der seitlich abströmende, bandförmiger Plasmafreistrahl
führt deshalb zu einer besonders homogenen Bearbeitung der Oberfläche.
Überraschenderweise konnten mittels des oben beschriebenen Brenners bei
Atmosphärendruck auf verschiedenen Substraten Oberflächenspannungen erreicht
werden, die sonst nur im Niederdruckplasma möglich sind.
Überraschenderweise zeigte sich auch, dass trotz der Anwendung eines durch eine
Lichtbogenentladung erzeugten "heißen" Plasmas bei ausreichender Kühlung und
angemessener Kontaktzeit keine thermische Schädigung der bearbeiteten Kunststoff-
und Metallfolien auftrat.
Dazu wurden die relevanten Eigenschaften der nachfolgenden Folienmuster wie folgt
gemessen. Die thermische Schädigung der Folienabschnitte wurde visuell bzw. durch
Mikroskopische Untersuchungen beurteilt. Die Bestimmung der Oberflächen
spannung erfolgte mit handelsüblichen Testtinten der Fa. Arcotec Oberflächen
technik GmbH nach DIN 53364 bzw. ASTM D 2587. Die Angabe der Oberflächen
spannung erfolgte in mN/m. Die Durchführung der Messungen erfolgte unmittelbar
nach der Behandlung. Die Messfehler betragen ±2 mN/m.
Folgende Folienmaterialien wurden in unterschiedlichen Beispielen unter Anwen
dung des erfindungsgemäßen Verfahren aktiviert und auf ihre Oberflächeneigen
schaften hin untersucht:
PE 1: Einschichtige, 50 µ Dicke, einseitig corona-vorbehandelte, transparente
Blasfolie aus einem Ethylen-Buten-Copolymeren (LLDPE, < 10% Buten) mit einer
Dichte von 0,935 g/cm3 und einem Melt-Flow-Index (MFI) von 0,5 g/10 min (DIN
ISO 1133 Bed. D).
PE 2: Einschichtige, 50 µ Dicke, einseitig corona-vorbehandelte, transparente
Blasfolie aus einem Ethylen-Vinylacetat-Copolymeren (3,5% Vinylacetat) mit ca.
600 ppm Gleitmittel (Erucasäureamid (ESA)) und ca. 1000 ppm Antiblockmittel
(SiO2), mit einer Dichte von 0,93 g/cm3 und einem Melt-Flow-Index (MFI) von 2 g/10 min
(DIN ISO 1133 Bed. D).
BOPP 1: Einschichtige, 20 µ Dicke, einseitig corona-vorbehandelte, transparente,
biaxial orientierte Folie aus Polypropylen mit ca. 80 ppm Antiblockmittel (SiO2), mit
einer Dichte von 0,91 g/cm3 und einem Melt-Flow-Index (MFI) von 3 g/10 min bei
230°C.
BOPP 2: Coextrudierte, dreischichtige, 20 µ Dicke, einseitig corona-vorbehandelte,
transparente, biaxial orientierte Folie aus Polypropylen mit ca. 2500 ppm
Antiblockmittel (SiO2) in den Außenschichten), mit einer Dichte von 0,91 g/cm3 und
einem Melt-Flow-Index (MFI) von 3 g/10 min bei 230°C.
PET: Handelsübliche, einschichtige, 12 µ Dicke, einseitig corona-vorbehandelte,
biaxial orientierte Folie aus Polyethylenterephthalat.
PA: Handelsübliche, einschichtige, 15 µ Dicke, einseitig corona-vorbehandelte,
biaxial orientierte Folie aus Nylon 6.
Der Plasmabehandlung wurden nur die unbehandelten Folienseiten unterzogen. Zum
Einsatz kamen die Plasmagase Sauerstoff- und Stickstoff, jeweils in Verbindung mit
Argon als inertem Trägergas. Innerhalb der Versuchsreihen wurde die Gaskonzen
tration und der Abstand zum Plasmabrenner variiert. Die Folien wurden visuell auf
ihre thermische Schädigung hin untersucht. Die Oberflächenspannungen wurden
mittels Testtinten bestimmt. Eine zusammenfassende Übersicht über die Ergebnisse
gibt Tabelle 1.
Am Beispiel des PE 1 (Nr. 4 bis 7, Tabelle 1) konnte gezeigt werden, dass bis zu
einem Abstand (Folie-Brenneröffnung) von 10 mm vergleichbare Vorbehandlungs
effekte erzielt werden. Erst oberhalb von 15 mm Abstand fällt das Vorbehandlungs
niveau deutlich ab.
Die in Tabelle 1 aufgeführten Materialien wurden darüber hinaus auch mittels
Corona-Entladung gemäß Stand der Technik aktiviert und unmittelbar nach der
Behandlung auf ihre Oberflächenspannung hin mit Testtinten untersucht. Dabei
wurden Energiedosen im Bereich von 0,1 bis 10 J/m2 - wie sie in industriell einge
setzten Coronaanlagen üblich sind - verwendet.
Die Ergebnisse der Coronaentladung und der Plasmabehandlung sind in Tabelle 2
(Vergleichsversuche) gegenübergestellt.
Insbesondere beim Polypropylen wurde eine deutlich höhere Oberflächenspannung
bei Anwendung des atmosphärischen Plasmas erzeugt. Aber auch beim PE wurden
im Vergleich zur Coronavorbehandlung höhere Werte ermittelt.
Claims (10)
1. Verfahren zur homogenen Oberflächenaktivierung bahnförmiger metallischer
Werkstoffe mit einer Dicke kleiner als 100 µm oder bahnförmiger polymerer
Werkstoffe, dadurch gekennzeichnet, dass man ein durch ein indirektes
Plasmatron erzeugtes atmosphärisches Plasma gegebenenfalls in Gegenwart
eines Gases oder Aerosols oder Gas- und/oder Aerosolgemisches auf den über
Walzenpaare bewegten Werkstoff einwirken lässt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein indirektes
Plasmatron mit einer länglichen Plasmakammer, die in kaskadiertem Aufbau
eine Mehrzahl von elektrisch gegeneinander isolierten Neutroden umfasst,
wobei die zur Erzeugung des Plasma-Lichtgas erforderlichen Elektroden
koaxial zur Längsachse der Plasmakammer angeordnet sind und die Plasma
strahl-Austrittsöffnung parallel zur Längsachse der Plasmakammer verläuft,
eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein indirektes
Plasmatron, bei dem zumindest eine Neutrode mit einem Permanent
magneten-Paar zur Beeinflussung der Form und der Position des Plasma-
Lichtbogens versehen ist, eingesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass ein indirektes Plamatron, bei dem zumindest eine Neutrode mit einer
Möglichkeit zur Zuführung eines Gases in die Plasmakammer versehen ist,
eingesetzt wird.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Oberflächenaktivierung voll- oder teilflächig ausgeführt ist.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die polymeren Werkstoffe gegebenenfalls mit Metall, Metalloxid oder
SiOX bedampfte Kunststofffolien sind.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Oberflächenaktivierung eine Erhöhung der Oberflächenspannung ist.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass man im Gemisch mit einem Inertgas ein oxidierend wirkendes Gas
und/oder Aerosol, zuführt.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die bahnförmigen polymeren oder metallischen Werkstoffe mit einer
Geschwindigkeit im Bereich zwischen 1 und 600 m pro Minute bewegt
werden.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass man das atmosphärische Plasma in einem Abstand von 0 bis 40 mm auf
den polymeren oder metallischen Werkstoff einwirken lässt.
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