DE10034737C2 - Verfahren zur Herstellung einer permanenten Entformungsschicht durch Plasmapolymerisation auf der Oberfläche eines Formteilwerkzeugs, ein nach dem Verfahren herstellbares Formteilwerkzeug und dessen Verwendung - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer permanenten Entformungsschicht durch Plasmapolymerisation auf der Oberfläche eines Formteilwerkzeugs, ein nach dem Verfahren herstellbares Formteilwerkzeug und dessen Verwendung

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer permanenten Entfor­ mungsschicht durch Plasmapolymerisation auf der Oberfläche eines Formteilwerkzeugs.
In der Technik ist es von entscheidender Bedeutung, daß Formteile, die in einem Formteil­ werkzeug ausgeformt werden, leicht aus diesem entnehmbar sind, wobei selbstverständlich eine unbeschädigte Entnahme des Formteils möglich sein soll.
Zur Erleichterung der Entformung werden daher üblicherweise Trennmittel verwendet.
Aus dem Stand der Technik sind Trennmittelsysteme, beispielsweise in Form vorn Lösungen oder Dispersionen bekannt, die normalerweise auf die Oberfläche des Formteilwerkzeugs aufgesprüht werden. Diese Trennmittelsysteme bestehen aus trennaktiven Wirkstoffen und einem Trägermedium, in der Regel organische Lösungsmittel, wie beispielsweise Kohlenwas­ serstoffe (teilweise auch chloriert), und Wasser. Solche aufgesprühten Trennmittelsysteme trennen im wesentlichen immer das Formteil von dem Formteilwerkzeug durch eine Mi­ schung aus einem Kohäsionsbruch und einem Adhäsionsbruch, wobei jedoch meistens Trennmittel auf dem zu trennenden Formteil verbleibt. Dies kann vielfach zu Schwierigkeiten bei der Weiterverarbeitung, z. B. beim Kleben, Kaschieren, Lackieren oder Metallisieren des Formteils, führen. Es muß daher ein Reinigungsschritt zwischengeschaltet werden, was zu­ sätzliche Kosten hervorruft. Zudem muß vor jeder Ausformung (oder zumindest regelmäßig) Trennmittel auf die Oberflächen der Formgebungswerkzeuge aufgetragen werden, was eben­ falls kostspielig ist und zu ungleichmäßigen Entformungsergebnissen führen kann. Schließ­ lich emittieren diese Trennmittelsysteme erhebliche Mengen von Lösungsmitteln in die Um­ welt.
Aus dem Stand der Technik sind auch sogenannte semipermanente Trennmittel bekannt, die im Vergleich zu den herkömmlichen, bereits oben beschriebenen Trennmittelsystemen eine verlängerte Standzeit bereitstellen und demnach etwas kostengünstiger sind. Jedoch muß auch bei diesen semipermanenten Trennmitteln von Zeit zu Zeit Trennmittel nachgegeben werden, und es ist ebenfalls nicht auszuschließen, daß Trennmittel auf dem zu trennenden Formteil verbleibt. Am Markt erhältliche Produkte trennen darüberhinaus Polyurethan-Formteile nicht oder nur schlecht.
Bekannt sind ebenfalls Trennmittelkompositionen, die den zu formenden Formmassen intern zugegeben werden können, innerhalb der Formmassen an deren Grenzflächen wandern und an diesen Grenzflächen den Trennprozeß auslösen. Durch diese internen Trennmittelsysteme entfällt das ständige Auftragen des Trennmittels auf die Formteilwerkzeuge, wodurch zum einen Kosten gespart werden können, und zum anderen die Produktivität gesteigert werden kann. Bei Verwendung interner Trennmittelsysteme ergeben sich üblicherweise aber Schwie­ rigkeiten beim Kleben, Kaschieren, Lackieren oder Metallisieren der entformten Formteile durch das Vorhandensein bzw. Austreten des internen Trennmittels.
In der EP 084 11 40 A2 wird ein Verfahren zur Verbesserung des Lösens des Formteils aus dem Formteilwerkzeug beschrieben, bei dem durch eine Plasmabeschichtung die Oberflächen­ energie herabgesetzt ist. Solche plasmapolymeren Schichten mit niedriger Oberflächenenergie sind bereits bekannt, wie beispielsweise in der DE 195 43 133 C2 beschrieben. Solche Schichten lassen sich derart einstellen, daß ausgehärtete Kunststoffgegenstände keine chemische Reaktion mit der Oberfläche der plasmapolymeren Schichten eingehen. Dennoch sind recht hohe Adhä­ sionskräfte zu verzeichnen, was dazu führen kann, daß bestimmte Formteile erst entformt werden können, wenn die entsprechenden Formmassen vollständig ausgehärtet sind, da anson­ sten eine Schädigung der Oberfläche der entformten Gegenstände auftreten kann. Die Trenn­ wirkung und die Produktivität bei der Verwendung solcher plasmapolymeren Schichten ist demnach nicht zufriedenstellend.
Aus der DE 44 17 235 A1 sowie der DE 196 14 557 A1 ist es bekannt, durch Plasmapolyme­ risation gezielt Schichten mit unterschiedlichen Eigenschaften herzustellen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu über­ winden und das gattungsgemäße Verfahren dahingehend weiterzubilden, daß auf den Form­ teilwerkzeugen durch Plasmapolymerisation eine niederenergetische und trennaktive Oberflä­ che geschaffen wird, die derart stabil ist, daß ihre Eigenschaften permanent erhalten bleiben.
Ferner besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine entsprechende perma­ nente Entformungsschicht bereitzustellen und deren Verwendung zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß durch zeitliche Variation der Po­ lymerisationsbedingungen ein Gradientenschichtenaufbau in der Entformungsschicht erzeugt wird.
Dabei wird vorgeschlagen, daß als Precursor der Polymerisationsreaktion vorzugsweise Sili­ konverbindungen, fluorierte Silikonverbindungen, Kohlenwasserstoffe oder zumindest teil­ weise fluorierte Kohlenwasserstoffe, bevorzugt wenigstens ein Siloxan, besonders bevorzugt Hexamethyldisiloxan (HMDSO) und/oder Octamethyltrisiloxan verwendet wird.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird auch vorgeschlagen, daß bei der Plasmapoly­ merisation Sauerstoffgas oder sauerstoffhaltiges Gas, wie z. B. Luft, CO2, N2O, etc., einge­ setzt wird, wobei vorzugsweise die Konzentration des Sauerstoffgases während der Plas­ mapolymerisation verringert wird.
Auch ist vorgesehen, daß die Bedingungen so gewählt werden, daß weniger Energie in das Plasma eingekoppelt wird, als zur vollständigen Fragmentierung der Precursor der Polymeri­ sationsreaktion notwendig ist.
Erfindungsgemäß wird außerdem vorgesehen, daß die Bedingungen so gewählt werden, daß eine im wesentlichen geschlossene Beschichtung der Oberfläche des Formteilwerkzeugs er­ reicht wird.
Vorzugsweise wird eine Schichtdicke der Entformungsschicht von zwischen 1 nm und 10 µm, bevorzugter von zwischen 10 nm und 5 µm und höchst bevorzugt von zwischen 100 nm und 1 µm gebildet wird.
Ferner kann vorgesehen sein, daß die Plasmapolymerisation in einer Zeitdauer von 1 Sekunde bis 1 Stunde, bevorzugt von 30 Sekunden bis 30 Minuten und höchst bevorzugt von 3 Minu­ ten bis 20 Minuten durchgeführt wird.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß die Oberfläche des Formteilwerkzeugs zur Reini­ gung und/oder Aktivierung derselben vor der Plasmapolymerisation mit einem Gasplasma behandelt wird.
Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer permanenten Entformungsschicht auf der Oberfläche eines Formteilwerkzeuges, wobei vorzugsweise an der Oberfläche der Entfor­ mungsschicht keine stark wechselwirkenden oder reaktiven Gruppen angeordnet sind.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, daß an der Oberfläche der Entformungsschicht ein hoher Anteil an CH3- und CF3-Gruppen vorliegt.
Schließlich betrifft die Erfindung noch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Formteil­ werkzeugs zur Ausformung von Kunststoffgegenständen, vorzugsweise Gegenständen aus Polyurethan, besonders bevorzugt aus Polyurethanschaum.
Das Ziel der Herstellung einer trennaktiven Beschichtung mit außerordentlich fester Anbin­ dung derselben an die Formteilwerkzeugoberfläche ist erfindungsgemäß dadurch zu errei­ chen, daß durch die zeitliche Variation der Bedingungen der Plasmapolymerisation die Trennwirkung im Schichtenaufbau nach außen, d. h. zum Formteil hin, zunimmt (Gradienten­ schichtenaufbau).
Der Gradientenschichtenaufbau der Trennschicht soll also so ausgestaltet sein, daß ein Über­ gang von einer Haftvermittlung, in Form einer besonders stabilen Grundschicht, auf der Ober­ fläche des Formteilwerkzeuges zur eigentlichen Trennschicht in Richtung des Formteils er­ möglicht wird, wobei in dieser Richtung die Trennwirkung zunimmt.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß mit Hilfe des erfindungsge­ mäßen Verfahrens eine Entformungsschicht bereitgestellt werden kann, die eine sowohl nie­ derenergetische als auch eine trennaktive Oberfläche liefert. Durch einen solchen Aufbau können beispielsweise kleinere Fehlstellen, die z. B. durch mechanische Einflüsse hervorgeru­ fen werden, in einem großen Maße ausgeglichen werden, ohne daß die Entformungsschicht nicht mehr verwendbar ist. Die Zugabe externer und/oder interner Trennmittel ist dabei nicht erforderlich; deren Verwendung ist allerdings weiterhin möglich, wenn damit bestimmte zusätzliche Effekte erreicht werden sollen, z. B. zur gezielten Beeinflussung der Oberfläche der Formteile.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Entformungsschicht ermöglicht zu­ dem eine unbeschädigte Entnahme des Formteils aus den Formteilwerkzeugen, liefert die ge­ wünschte Oberflächengüte der Formteile, beispielsweise keine Fließfehler, gute Oberflächen­ strukturen, eine gute Haptik usw. Überdies ermöglicht es ein gutes Finish, d. h. ohne Zwi­ schenschaltung eines Reinigungsschrittes können die entformten Formteile, beispielsweise durch Kleben, Kaschieren, Lackieren oder Metallisieren, weiterverarbeitet werden. Ein Über­ trag vom Formteil auf die Trennschicht wird vermieden. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Entformungschicht ist umweltfreundlich sowie kostengünstig, da sie eine permanente Trennschicht darstellt.
Die erfindungsgemäß hergestellte Entformungsschicht hat sich gegenüber üblichen aromati­ schen und nicht-aromatischen Lösungsmitteln, wie Benzin oder Isopropanol, als beständig erwiesen. Die Trennschicht ist daher ohne weiteres und leicht mit Reinigungsbenzin und ei­ nem weichen Tuch säuberbar. Darüberhinaus ist eine hohe Temperaturbeständigkeit zu beob­ achten gewesen, wenigstens bis 200°C, teilweise noch darüber. Durch den Gradienten­ schichtenaufbau der Trennschicht ist diese trotz mechanischer Verletzungen über einen lan­ gen Zeitraum einsetzbar, ohne daß die Trennwirkung beeinträchtigt wird. Bei stärkeren Be­ schädigungen ist aber auch ein Nachbeschichten ohne weiteres möglich.
Plasmapolymerisation ist ein Prozeß, bei dem aus einem aus Precursor-Molekülen bestehen­ den Dampf in einer hochfrequenten elektrischen Entladung unter Einwirkung von Ionen, Elektronen und Photonen Molekülfragmente gebildet werden, die unter definieren Randbe­ dingungen zur Bildung einer amorphen, i. d. R. vernetzten Polymerschicht auf einem Substrat führen. Plasmapolymerisation unterscheidet sich von einer Polymerisation im konventionellen Sinne, beider unter chemischer Vernetzung Polymere gebildet werden, dadurch daß das Aus­ gangsmaterial zunächst fragmentiert und anschließend polymerisiert wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die in das Plasma eingekoppelte Energiemenge von Bedeutung, da es zum Aufbau eines Gradientenschichtenaufbaus wesentlich ist, daß kei­ ne vollständige Fragmentierung der Precursor-Moleküle erfolgt, was im folgenden noch de­ taillierter anhand eines Beispieles erläutert werden soll.
Die Eigenschaften der polymerisierten Schichten, z. B. Struktur, Härte, Dichte, Trennwirkung, etc., sind abhängig von den Betriebsparametern der Plasmaanlage, wie Druck, Durchflußrate, Leistung in der Entladung und Art der Precursor-Moleküle. Durch geeignete Wahl und zeitli­ che Variation der obigen Parameter läßt sich erreichen, daß z. B. für den Fall der Polymerisa­ tion siliciumorganischer Verbindungen das anorganische Netzwerk (glasähnlich) direkt auf der Formoberfläche und das organische Netzwerk auf dem anorganischen Netzwerk kontinu­ ierlich aufgebracht wird. Dadurch wird eine optimale Haftung zum Untergrund und eine op­ timale Permanenttrennwirkung zum Formteil hin (z. B. durch einen hohen Anteil CH3- und/oder CF3-Gruppen in der Oberfläche) erreicht.
Am Beispiel von Hexamethyldisiloxan (HMDSO) wird die Precursor-Struktur (links) einer möglichen (idealisierten und vereinfachten) plasmapolymerisierten Struktur (rechts) gegen­ übergestellt.
Die Siloxandipole weisen zur Phasengrenzfläche, während die freie Oberfläche in dichter Packung durch Methylgruppen abgedeckt wird, die eine quasifluide, äußerst trennaktive Schicht ergeben.
Durch den richtig gewählten Energieeintrag erfolgt zunächst eine weitgehende Spaltung der Si-C-Bindungen, aber ein weitgehender Erhalt der Si-O-Bindungen, was zur Ausbildung einer äußerst stabilen SiO2-Grundschicht auf der Oberfläche des Formteilwerkzeuges führt. Hierfür und für die weitere Kopplung an darüberliegende Schichten ist auch eine ausreichende Kon­ zentration an O2-Gas wichtig. Hierauf wird dann wieder durch richtig gewählten Energieein­ trag ein z. B. methylgruppenreicher Schichtaufbau zur freien Oberfläche durchgeführt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschrei­ bung, in der Ausführungsbeispiele im einzelnen erläutert sind.
Beispiele
Die Beschichtung von Substraten mit Plasmapolymerisation wurde in einer Anlage durchge­ führt, wie sie schematisch in der beigefügten Zeichnung dargestellt ist.
In der Zeichnung ist die eigentliche Reaktionskammer mit 10 bezeichnet. Zur visuellen Kon­ trolle der Reaktion ist ein Sichtfenster 11 vorgesehen. Die Precursorgase für die Plasmapoly­ merisationsreaktion werden über Leitung 20 zugeführt, die mit Gasregelventilen 22 (mit Ab­ sperrventil) versehen ist. Zur Erzeugung der Niederdruckbedingungen in der Reaktionskam­ mer sind unterhalb eines Absperrventils 23 eine Rootspumpe 24 und eine Drehschieberpumpe 25 angeordnet. Die Druckmessung erfolgt über Druckmeßeinheit 26. Für den Energieeintrag in das Plasma ist ein HF-Generator 30 mit Anpaßnetzwerk vorgesehen.
Bei den durchgeführten Versuchen wurde eine Reaktionskammer mit den Abmessungen 65 cm/78 cm/70 cm (Höhe/Breite/Tiefe) mit einem Gesamtvolumen von 355 Litern und einem Nutzvolumen von 115 Litern eingesetzt. Die Anregungsfrequenz lag bei 13,56 MHz bei einer maximalen HF-Leistung von 2.500 W. Die Pumpleistung betrug 400 m3/h bei 0,3 mbar.
Als Substrate wurden Testformen aus einer AlMg3-Legierung verwendet. Die Platten hatten eine Stärke von 10 mm und eine Kantenlänge von 100 mm mit abgefräster Oberfläche von definierter Rauhigkeit. Vor Aufbringen der Beschichtung durch Plasmapolymerisation wur­ den die Testformen einer konventionellen Reinigung unterzogen.
Die Testreihen ergaben, daß niederenergetische Oberflächen, d. h. solche, die auf glatten Sub­ straten einen Wasserrandwinkel von < 100° aufweisen, in der beschriebenen Anlage mit ei­ nem Gasgemisch aus Hexamethyldisiloxan (HMDSO) und Sauerstoff bei einem Gasflußver­ hältnis von 1/0 bis 1/4 erzeugt werden können. Permanente Trennschichten ergeben sich bei der beschriebenen Anlage mit dem genannten Gasgemisch insbesondere bei einem Gasfluß­ verhältnis von 4,1/1 bis 5,7/1 und einer Generatorleistung zwischen 500 und 650 W bei Auf­ bringen der letzten Schicht(en).
Beispiel 1
Testformen wurden gemäß des in Tabelle 1 dargestellten Protokolls durch Plasmapolymeri­ sation beschichtet.
Tabelle 1
Beispiel 2
Testformen wurden gemäß des in Tabelle 2 dargestellten Protokolls durch Plasmapolymeri­ sation beschichtet.
Tabelle 2
Beispiel 3
Testformen wurden gemäß des in Tabelle 3 dargestellten Protokolls durch Plasmapolymeri­ sation beschichtet.
Tabelle 3
Beispiel 4
Testformen wurden gemäß des in Tabelle 4 dargestellten Protokolls durch Plasmapolymerisa­ tion beschichtet.
Tabelle 4
Die beschichteten Testformen wurden auf ihre Entformungseigenschaften untersucht. Dazu wurden die beschichteten Platten an den Seiten und auf der Unterseite mit externem Trenn­ mittel behandelt. Eine Benetzung der beschichteten Oberseite wird dabei vermieden. Eine Weichschaum-Plattenform (200 × 200 × 20 mm) wird ebenfalls mit dem Trennmittel eingesprüht und bei 60°C Vorlauftemperatur beheizt. Die Prüfplatte wird auf den Formboden gelegt und der Freiraum an den Seiten mit Zuschnitten aus Polyurethan-Weichschaum ausgefüllt. Die Platte wird auf ca. 50°C, gemessen auf der beschichteten Oberfläche, temperiert.
Anschließend wird auf die Prüfplatte eine Polyurethanschaumsystem (Lagopur CCC, 198, Fa. LAGOMA) aufgebracht. Hierzu werden 50 g Polyol und eine entsprechende Menge Isocyanat eingesetzt. Nach 5 Minuten Reaktionszeit wird das Teil entnommen und die Trennwirkung von der beschichteten Oberfläche beurteilt. Bei guter Trennwirkung wird die Prozedur so lan­ ge wiederholt, bis entweder die Trennwirkung nachläßt oder von einer permanenten Trenn­ wirkung ausgegangen werden kann (mindestens 10 Teile).
Die Trennwirkung wurde gemäß dem folgenden Schema beurteilt:
Tabelle 5
Die Ergebnisse für die Trennwirkung der in den Beispielen 1 bis 4 beschriebenen Permanent­ beschichtungen ist in der nachfolgenden Tabelle 6 angegeben.
Tabelle 6
In allen Fällen wurden die gewünschten Oberflächeneigenschaften erreicht. Auf der Be­ schichtung waren keinerlei Rückstände von den Formlingen festzustellen.
Die Permanenz der mit Plasmapolymerisation hergestellten Trennschichten erfolgte mit Hilfe eines oberflächenanalytischen Verfahrens (ESCA (Electronenspektroskopie für die chemische Analyse)). Dabei hat sich gezeigt, daß kein signifikanter Übertrag des charakteristischen Ele­ mentes der Trennschicht (Si) auf das zu entformende Bauteil stattfindet. Durch die nachhalti­ ge Nutzbarkeit der Trennwirkung und den Beweis, daß sich die Entformungsschicht durch Abtrag nicht selbst verbraucht, ist die Permanenz der Beschichtung gezeigt.
Die in der vorstehenden Beschreibung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirkli­ chung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung einer permanenten Entformungsschicht durch Plasmapolymeri­ sation auf der Oberfläche eines Formteilwerkzeugs, dadurch gekennzeichnet, daß durch zeitliche Variation der Polymerisationsbedingungen ein Gradientenschichtenaufbau in der Entformungsschicht erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Precursor der Polymerisati­ onsreaktion Silikonverbindungen, fluorierte Silikonverbindungen, Kohlenwasserstoffe oder zumindest teilweise fluorierte Kohlenwasserstoffe verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Precursor der Polymerisati­ onsreaktion wenigstens ein Siloxan verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Precursor der Polymerisati­ onsreaktion Hexamethyldisiloxan (HMDSO) und/oder Octamethyltrisiloxan verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Plasmapolymerisation Sauerstoffgas oder sauerstoffhaltiges Gas eingesetzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des Sauer­ stoffgases während der Plasmapolymerisation verringert wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bedingungen so gewählt werden, daß weniger Energie in das Plasma eingekoppelt wird, als zur vollständigen Fragmentierung der Precursor der Polymerisationsreaktion notwen­ dig ist.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bedingungen so gewählt werden, daß eine im wesentlichen geschlossene Beschich­ tung der Oberfläche des Formteilwerkzeugs erreicht wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schichtdicke der Entformungsschicht von zwischen 1 nm und 10 µm, bevorzugt von zwischen 10 nm und 5 µm und höchst bevorzugt von zwischen 100 nm und 1 µm gebildet wird.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmapolymerisation in einer Zeitdauer von 1 Sekunde bis 1 Stunde, bevorzugt von 30 Sekunden bis 30 Minuten und höchst bevorzugt von 3 Minuten bis 20 Minuten durch­ geführt wird.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Formteilwerkzeugs zur Reinigung und/oder Aktivierung derselben vor der Plasmapolymerisation mit einem Gasplasma behandelt wird.
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