DE102006044347A1

DE102006044347A1 - Verfahren zum Beschichten eines Substrats zum Kleben

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Publication number: DE102006044347A1
Application number: DE200610044347
Authority: DE
Inventors: Larry Ann Arbor Haack; Ann Southgate Straccia; Joe Livonia Holubka
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2006-09-18
Publication date: 2007-03-22
Also published as: GB2430395A; TW200728227A; US7517561B2; CA2559293C; CN1936073B; US20070065582A1; TWI410389B; GB2430395B; GB0616204D0; US8048530B2; US20090155604A1; CN1936073A; CA2559293A1

Abstract

Ein Verfahren zum Abscheiden einer Beschichtung auf ein Glassubstrat zum Kleben umfasst ein Abscheiden einer Beschichtung auf eine Oberfläche (58), bei dem die Oberfläche (58) während eines ersten Zeitraums gereinigt wird und bei dem während eines zweiten Zeitraums unter Verwendung eines Atmosphärendruckplasmas eine Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung (70) bei Umgebungsluftdruck auf die Oberfläche (58) abgelagert wird. Ein Verkleben des beschichteten Glases kann unter Verwendung einer CASE-Verbindung, bestehend aus Beschichtungen, Klebstoffen, Dichtstoffen, Elastomeren und Kombinationen hieraus erfolgen. Die gegenüberliegende Oberfläche einer CASE-Verbindung grenzt an einen Rahmen (74) an, wie z. B. einen Automobilwindschutzscheibenflansch.

Description

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats zum Kleben.

Bei der Herstellung vieler Produkte ist es oft erforderlich, unterschiedliche Werkstoffe zusammenzufügen. In vielen Fällen müssen die Oberflächeneigenschaften eines oder beider der Werkstoffe angepasst werden. Mit dem Anpassen der Oberflächeneigenschaften von Werkstoffen in der Fertigung geht oft die Anwendung von Oberflächenbehandlungsverfahren einher. Zu diesen Oberflächeneigenschaften gehören als nicht einschränkende Beispiele die Oberflächenenergie, chemische Trägheit, Leitfähigkeit, die Aufnahme von Farbstoffen und die Adhäsion. Nicht einschränkende Beispiele von Anwendungen, bei denen Oberflächenbehandlung und -vorbereitung zum Einsatz kommen, umfassen Korrosionsschutzbeschichtungen auf korrodierbaren Metallen wie Eisen und Stahl, biokompatible Beschichtungen auf Implantaten, wasserdichte Schichten auf elektronischen Baukomponenten und Klebstoffe auf Glas.

Das Auftragen von Beschichtungen, Klebstoffen, Dichtstoffen und Elastomeren (coatings, adhesives, sealants, and elastomers (CASE)) auf Substrate erfordert häufig besondere Sorgfalt bei der Behandlung oder Vorbehandlung der Oberfläche, um für ausreichende Adhäsion zwischen dem Substrat und den aufgetragenen CASE-Verbindungen (CASE compounds) zu gewährleisten. Zahlreiche Ver fahren zum Auftragen von CASE-Materialien umfassen die Schritte (a) des Säuberns oder Aufrauens der Oberfläche, (b) des Auftragens eines Primers, der entweder an der Oberfläche haftet oder sie ätzt, und (c) des Auftragens eines Verstärkungsmittels, mit dem eine zusätzliche Haftfunktionalität erzielt wird. CASE-Verbindungen kommen in Wirtschaftszweigen wie der Bauindustrie, dem Automobilbau, der Medizin- und Dentaltechnik, der Herstellung von Etiketten, der Elektronik und dem Verpackungsgewerbe zum Einsatz.

In der Automobilindustrie werden CASE-Verbindungen bei Verfahren zum Einsetzen von Glasscheiben verwendet. Von Nachteil ist, dass Automobilglas aufgrund von an den Rändern einwirkenden mechanischen Erschütterungen anfällig für Bruchschäden ist. Daher werden die Ränder typischerweise in Vergussmasse eingeschlossen. Bei einem Vergussverfahren wird die Verglasung mittels eines Rahmens mit dem Fahrzeugaufbau verbunden. Dadurch grenzt der Rahmen an Teile des Glases an. Bei einem der Verfahren zum Kleben der Glas- und Rahmenbauteile wird die Glasscheibe mittels eines Lösemittels gereinigt, es wird ein Primer, der einen Haftvermittler zur chemischen Modifizierung der Oberfläche enthält, auf die Oberfläche aufgetragen, und schließlich wird eine dicke Schicht einer farbähnlichen Verbindung, die gut an dem Rahmen haftet, aufgetragen. In diesem Beispiel wirft das sachgemäße Ausrichten der beiden Schichten, d.h. der Primerschicht und der Schicht der farbähnlichen Verbindung, Probleme auf, da der Primer beim Trocknen auf Glas praktisch transparent wird, während die zweite Schicht undurchsichtig ist, was ein akkurates Ausrichten dann nicht zulässt, wenn die Farbschicht breiter ist als die der Primerschicht.

Wenn die Glasscheibe als Windschutzscheibe verwendet wird, soll sie das Eindringen von Masse und Energie, wie z.B. Wind, Regen, Schmutzteilen und Infrarotstrahlung, in den Fahrgastraum verhindern und dabei gleichzeitig zur Sicherheit der Fahrzeuginsassen beitragen, indem sie die strukturelle Integrität bei Unfällen und Überschlägen des Fahrzeugs verbessert. In manchen Fällen weist die Glasscheibe keine homogene Oberfläche auf, sondern verfügt in manchen Bereichen ggf. über Fritten, um einen Filterschutz vor infraroten, ultravioletten und anderen Wellenlängen des Lichts zu bieten. Ebenso können manche Bereiche der Scheibe getönt sein. Ferner kann die Scheibe in diesen Bereichen Spalten aufweisen, um das Anbringen von Befestigungselementen zu ermöglichen. Diese Spalten sind ggf. beim Auftragen einer zweiten Dichtstoffschicht abzudecken, was arbeitsintensiv ist.

Beim Zusammenfügen unterschiedlicher Werkstoffe kann überdies eine Rolle spielen, dass eine Erhöhung der Fertigungsgenauigkeit, eine Steigerung der Produktivität, des Automationsniveaus, der Zuverlässigkeit und/oder der eine Verbesserung der Eignung für den Produktionsprozess gewünscht wird, während gleichzeitig schädliche Nebenwirkungen, die Menge der eingesetzten Werkstoffe und/oder die Vergeudung von Energie und Werkstoffen verringert werden sollen. So fallen etwa bei CASE-Verbindungen erhebliche Mengen an Abfällen an. Haftvermittler bestehen oft zu weniger als 1 % aus Wirkstoff und zu 99% aus Trägerlösungsmittel. Als weitere Beispiele sind Reinigungsmittel mit schädlichen Nebenwirkungen wie Entflammbarkeit und/oder schädliche Lösemittel wie Isopropylalkohol oder Toluol zu nennen. In anderen Fällen müssen farbähnliche Schichten oft binnen 30 Sekunden lufttrocknen, weshalb bei ihnen flüchtige Lösemittel verwendet werden. Um die Folgen dieser Emissionen zu beseitigen und die Gesundheit der Beschäftigten zu schützen, ist ein erheblicher Aufwand an Geld und Energie erforderlich.

In jüngerer Zeit wurde mit der Plasmapolymerisation ein Verfahren entwickelt, mittels dessen Werkstoffoberflächen modifiziert werden können, bei gleichzeitiger Verbesserung der Eignung für den Produktionsprozess sowie Erhöhung des Automationsniveaus und der Fertigungsgenauigkeit und Verringerung schädlicher Nebenwirkungen sowie der Vergeudung von Energie und Werkstoffen.

Es gibt verschiedene Arten von Plasmen, die durch ihre Ausgangstemperatur, ihre Druckeigenschaften sowie durch ihren chemischen und thermischen Äquilibrierungszustand definiert sind. Zum Beispiel gibt es Plasmen, die unter Niederdruckbedingungen erzeugt werden. Beispiele sind u.a. ein Plasma mit hoher Dichte und ein Plasma mit niedriger Dichte, die mit einem Magnetron erzeugt werden, welches typischerweise bei der physikalischen Gasphasenabscheidung (physical va por deposition) verwendet wird. Beispiele für Umgebungsdruckplasmen sind Glimmentladungs-, induktiv gekoppelte und rekombinierende Plasmen. Die Glimmentladung ist dadurch gekennzeichnet, dass sich das Gas mit geringer Geschwindigkeit von wenigen Metern pro Sekunde bewegt. Dabei tritt sowohl thermisches als auch chemisches Nichtgleichgewicht auf. Ein induktiv gekoppeltes Plasma weist eine geringe bis moderate Gasbewegung auf und ist durch lokale thermische Gleichgewichte gekennzeichnet. Rekombinierende Stickstoff- oder Luftplasmen weisen hohe Gasgeschwindigkeiten von etwa 1 km/sec auf und sind durch chemische Gleichgewichte gekennzeichnet. Plasmen können außerdem durch die zu ihrer Herstellung angewandten Ionisationsverfahren wie z.B. Mikrowellenresonanz und elektrische Entladung klassifiziert werden.

Bei der Anwendung von Plasmen in Massenfertigungsverfahren außerhalb eines Labors sind hinsichtlich der Verwendbarkeit für den Produktionsprozess und der Automatisierung weitere Faktoren wie Betriebsgeschwindigkeit, Kompatibilität mit den Substraten und Kontamination zu berücksichtigen.

Bei vielen Anwendungen vollziehen sich die Plasmabehandlungen schnell, typischerweise in der Größenordnung von Nanosekunden bis zu wenigen Minuten, was Vakuumverfahren im Chargenbetrieb (batch vacuum techniques) wie z.B. die physikalische Gasphasenabscheidung, praktisch ausschließt.

Hochtemperaturplasmen können zu einer thermischen Verbrennung oder zu einem thermischen Schock der Substrate zur führen, insbesondere wenn es sich um Substrate mit einer niedrigen thermischen Leitfähigkeit sowie einem niedrigen Schmelz- oder Brennpunkt handelt.

Überdies sind einige Oberflächen mangelhaft, z.B. weil sie Staub, organische Körperöle und Schmutzrückstände durch Transport und Handhabung aufweisen.

Angesichts der oben beschriebenen Situation wird ein für die Massenproduktion geeignetes Verfahren benötigt, mittels dessen Oberflächen zum Zusammenfügen zweier unterschiedlicher Werkstoffe oder zum Auftragen von CASE-Verbindungen vorbereitet werden, durch das eine Erhöhung der Fertigungsgenauigkeit, der Produktivität, des Automationsniveaus, der Zuverlässigkeit und/oder der Eignung für den Produktionsprozess erreicht wird, während gleichzeitig schädliche Nebenwirkungen, die Menge der eingesetzten Werkstoffe und/oder die Vergeudung von Energie und Werkstoffen verringert werden.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Abscheiden einer Beschichtung, bei dem die Oberfläche während eines ersten Zeitraums gereinigt wird und bei dem während eines zweiten Zeitraums unter Verwendung eines Atmosphärendruck(luft-)plasmas (atmospheric pressure air plasma (APAP)) eine Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung (high-velocity impact polymer reaction coating) bei Umgebungsluftdruck auf der Oberfläche abgeschieden wird.

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Auftragen einer Beschichtung, bei dem ein Prepolymerdampf mit einem Trägergas gemischt oder als ein Nebel aus kleinen Tröpfchen verwendet und das Gemisch einem Atmosphärendruckplasma zugeführt wird, um eine Polymerreaktionsverbindung (polymer reaction compound) zu bilden, und anschließend die Polymerreaktionsverbindung mit von den austretenden Gasen des Atmosphärendruckplasmas angetriebenem Hochgeschwindigkeitsaufschlag (high-velocity impact) aufgetragen wird.

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht in einer beschichteten Glasfläche mit einer Glasoberfläche, wie z.B. eine neue oder ältere Windschutzscheibe, auf die nach Reinigung unter Verwendung eines Atmosphärendruckplasmas eine Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung direkt aufgetragen wird. Ein zusätzlicher Aspekt dieser Ausführungsform besteht darin, dass eine zweite Schicht, wie z.B. ein Dichtstoff, zum Zusammenfügen unterschiedlicher Werkstoffe, zum Beispiel eine Windschutzscheibe und ein Rahmen, zur Verfügung gestellt wird. Ein weiterer Aspekt dieser Ausführungsform besteht darin, dass die Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung zur Herstellung von Verbundbeschichtungen (composite depositions) auf einer Oberfläche verwendet wird, entweder durch Einsatz mehrerer Fahrwege oder mehrerer Atmosphärendruckluftplasmen, die denselben Fahrweg einem im Wesentlichen nacheinander abfahren oder im Wesentlichen parallele Fahrwege verwenden.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Beispiel für die Anwendung bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bei einem Fahrzeug;

2 ein Beispiel für eine Abscheidung der Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung auf eine Oberfläche gemäß bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;

3 ein weiteres Beispiel für eine Abscheidung der Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung auf eine Oberfläche gemäß bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;

4 ein weiteres Ausführungsbeispiel betreffend bestimmte Aspekte der vorliegenden Erfindung;

5 ein Beispiel einer beschichteten Glasfläche mit einer Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsverbundbeschichtung gemäß bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;

6 ein Beispiel einer beschichteten Glasfläche mit einer Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsverbundbeschichtung gemäß bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;

7 ein Beispiel eines Prepolymerdosiersystems gemäß bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, und

8 einen Querschnitt eines Sprührings entlang der Geraden 8--8.

Nachfolgend werden Zusammensetzungen, Ausführungsformen und Verfahren der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die vorliegende Erfindung sind, die in unterschiedlichen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Daher sind in der vorliegenden Beschreibung offenbarte spezifische Details nicht als Beschränkung auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Beispiele, die dazu dienen, dem Fachmann Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung darzulegen.

Außer dort, wo ausdrücklich etwas Anderes angegeben wird, sind alle numerischen Mengenangaben in dieser Beschreibung, die sich auf Werkstoffmengen oder Reaktions- und/oder Verwendungsbedingungen beziehen, als ungefähre Mengenangaben zu verstehen und beinhalten eine Beschreibung des weitesten Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung. Eine Ausführung innerhalb der angegebenen numerischen Grenzen wird im Allgemeinen bevorzugt.

Wird eine Gruppe oder Klasse von Werkstoffen im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung als geeignet für einen gegebenen Zweck genannt, so beinhaltet dies, dass Gemische von zwei oder mehr beliebigen Stoffen der Gruppe oder Klasse für den genannten Zweck geeignet sind. Die Beschreibung von chemischen Bestandteilen bezieht sich auf die Bestandteile zu dem Zeitpunkt, in dem sie einer beliebigen in der Beschreibung genannten Kombination hinzugefügt wurden, und schließt chemische Wechselwirkungen zwischen den Bestandteilen des einmal gemischten Gemisches nicht notwendigerweise aus. Die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung gilt für alle hierin vorgenommenen Verwendungen derselben Abkürzung und gilt mutatis mutandis für normale grammatische Variationen der ursprünglich definierten Abkürzung. Außer dort, wo ausdrücklich das Gegenteil angegebenen ist, wird die Messung einer Eigenschaft durch dasselbe Verfahren wie zuvor oder später für die gleiche Eigenschaften angegeben, vorgenommen.

1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 mit Bereichen, in denen unterschiedliche Werkstoffe zusammengefügt werden, einschließlich einer Windschutzscheibe 8, Seitenfenstern 9, Sonnendächern 13, Heckscheiben und Spiegeln 11. Andere Bereiche, in denen Beschichtungen, Klebstoffe, Dichtstoffe und Elastomere verwendet werden, umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein, Metallflächen, wie Nabenabdeckungen 18; elastomerische Dekorationszierleisten 14, innere Teile des Fahrzeugaufbaus, Sonnendachdichtungen 12, elektronische Leiterplatten unter der Motorhaube zur Motorsteuerung 16 und Kunststoffverkleidungen 20, wobei diese Bereiche einen Farbauftrag erhalten und Oberflächen aufweisen können.
Ein Automobilglaswindschutzscheibensystem kann einen an einem Fahrzeugaufbau 2 befestigten Rahmen 4, einen Dichtstoff, einen Primer und eine Glasfläche aufweisen. Die Glasfläche der Windschutzscheibe 8 kann eine Fritte 10 und/oder einen getönten Bereich 6 aufweisen. Weitere Beispiele für Systeme können eine elastomerische Zierleiste und einen auf die Zierleiste aufgebrachten Klebstoff, ein Bauteil oder eine elektronische Leiterplatte unter der Motorhaube mit einer wasserdichten Beschichtung umfassen, wobei die Leiterplatte an das elektrische System des Fahrzeugs angeschlossen ist.
In 2 ist ein Atmosphärendruckplasmasystem dargestellt, bei dem ein in einem Materialbehälter 22 befindliches polymerisierbares Material in Form von Prepolymer in die Röhre 30 geleitet, unter Verwendung eines Massendurchflussreglers 32 gemessen und in der Mischkammer 38 zerstäubt und mit einem Trägergas gemischt wird. Das Trägergas wird aus einem Trägergasmaterialbehälter 36 zugeführt und durch ein Messgerät 34 in die Mischkammer 38 geleitet. Dieses Gemisch wird einer Atmosphärendruckplasmavorrichtung 44 zugeführt, die das aus ionisiertem Gas bestehende Plasma enthält. Das Ionisationsgas wird durch den Ionisationsgasmaterialbehälter 40 durch ein Messgerät 42 zugeleitet. Der Umgebungsluftdruck um die Plasmavorrichtung herum liegt zwischen größer als 50 kPa (Kilopascal), 75 kPa oder 100 kPa und kleiner als 300 kPa, 250 kPa, 200 kPa oder 150 kPa. An der Austrittsdüse 50 kann die Hochgeschwindigkeitspolymerreaktionsbeschichtung Geschwindigkeiten größer als 10 m/s, 50 m/s oder 75 m/s und kleiner als 200 m/s, 150 m/s oder 125 m/s erreichen. Die Gase strömen aus der Düse 50 bei einer Temperatur kleiner als 450°C, 400°C, 350°C, 325°C oder 300°C und größer als 70°C, 100°C, 125°C oder 150°C heraus; die Temperatur des Substrats kann dagegen, je nach den Betriebsbedingungen kleiner als 95°C, 85°C, 75°C, 70°C, 65°C, 60°C, 55°C oder 50°C sein. Aufgrund dieser Temperatur am Substrat können bei diesem Verfahren Substrate eingesetzt werden, die anfällig für Hitzeschäden sind.
Die aus der Austrittsdüse 50 herausströmenden Gase bilden ein Spritzbild mit einem äußeren Halbschatten (penumbra) 56 und bestehen größtenteils aus ionisiertem Gas zur Reinigung und/oder Aktivierung. Näher zum Zentrum des Spritzbildes hin befindet sich ein Bereich höherer Konzentration 54 des Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtungsmaterials. Die Oberfläche 58, auf welche die Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung 62 aufgetragen wird, ist eine Automobilglaswindschutzscheibe mit einer keramischen Fritte 60 und getöntem Glas 64. Die Windschutzscheibe wird von einem Rahmen 66 eingefasst.
Die Oberfläche, auf welche die Schicht aufgetragen werden soll, kann durch Ionisation und Wärme aktivierbar sein und kann in gereinigtem Zustand oder mit Schmutzteilchen bedeckt oder korrodiert sein. Die Oberfläche kann mittels eines Atmosphärendruckplasmas gereinigt und teilweise aktiviert werden. Durch das alleinige Auftragen eines Atmosphärendruckplasmas können Reinigungs- und Aktivierungsmechanismen in Gang gesetzt werden, welche die Instandsetzung von Schichten verwitterten Glases, denen Alkali entzogen wurde, die Ionisation der Oberfläche, die Änderung der Oberflächenenergie, die Verbrennung von Ölen und Staub oder Kombinationen hieraus bewirken. Wenn das Atmosphärendruckplasma zudem als ein Mittel zum Abscheiden von Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerbeschichtungen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eingesetzt wird, kann der Halbschatten des aus der Düse heraustretenden Atmosphärendruckplasmas eine durch die Ionisation und die Hitze bewirkte Reinigungsfunktion haben. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Zeitspanne zwischen dem Reinigungs- und/oder Aktivierungsschritt und dem Abscheidungsschritt größer als 1 μs, 5 μs, 10 μs, 25 μs oder 100 μs.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht die Verwendung eines oder mehrerer separater Atmosphärendruckluftplasmen zur Reinigung und/oder Aktivierung der Oberfläche vor, gefolgt von der Abscheidung von Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerbeschichtungen durch ein oder mehrere separate Atmosphärendruckluftplasmen. Der Einsatz der Atmosphärendruckluftplasmen kann nacheinander, parallel oder als eine Kombination hieraus erfolgen. Werden mehrere Atmosphärendruckluftplasmen parallel betrieben, kann die Beabstandung zwischen ihnen typischerweise etwa 2 mm betragen.
Der Reinigungs- und/oder Aktivierungsvorgang kann ggf. bei höheren Fahrgeschwindigkeiten ausgeführt werden als derjenigen des Abscheidungsvorgangs oder eines kombinierten Reinigungs- und/oder Aktivierungs- sowie Abscheidungsvorgangs. Weitere Aspekte dieser Ausführungsformen können beinhalten, dass bei dem Reinigungsvorgang Durchgänge mit größerer Breite durchgeführt werden und für den Abscheidungsvorgang Durchgänge verwendet werden, die eine Rasterbeschichtung ergeben. Der Reinigungs- und/oder Aktivierungsvorgang kann unter Verwendung anderer Ionisationsverfahren, wie z.B. Koronaentladung oder Beflammung vollzogen werden. Gemäß dieser Ausführungsform sind die Zeitfristen zwischen dem Reinigungs-/Aktivierungsschritt und der Abscheidung größer als 0,1 Sekunden, 1 s, 5 s, 10 s, 25 s oder 100 s und kleiner als 150 s, 300 s, 10 Minuten, 30 min, 1 Stunde, 12 h, 1 Tag, 2 Tage oder 5 Tage.
Gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform besteht die Möglichkeit, Prepolymergradienten zu entwickeln, in der Form, dass weitere Prepolymere, die sich in zusätzlichen Materialbehältern 24 befinden, einem Prepolymerbehälter 22 durch eine Zuleitung 26 zugeführt werden, um das Verhältnis oder die Verhältnisse der Prepolymere in dem Behälter nach und nach wie gewünscht zu verändern. Gemäß einem zusätzlichen Aspekt dieser Ausführungsform werden die anderen Prepolymere über eine Zuleitung 28 einer Messeinrichtung 32 zugeführt, die basierend auf dem Verhältnis bzw. den Verhältnissen der Prepolymere inkrementell oder schrittweise wie gewünscht verändert werden kann.
Gemäß bestimmter Ausführungsformen kann die Oberflächenbeschichtung durch das Atmosphärendruckplasma einer Luftplasmabehandlung unterzogen werden, um die Oberflächenbeschichtung zu reaktivieren. Zum Beispiel kann die Oberfläche an einem ersten Standort gereinigt und beschichtet und anschließend an einen zweiten Standort transportiert werden, um dort zu einem späteren Zeitpunkt einer Reaktivierung zugeführt zu werden.
Gemäß einer in 3 dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine Oberfläche 68 einen geschichteten Verbundwerkstoff (layered composite) auf, der durch eine Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung 70 mit einer in einem getrennten Schritt aufgetragenen CASE-Verbindung 72 gebildet wird, um die unterschiedlichen Werkstoffe der Oberfläche 68 mit den Teilen eines Rahmens 74 zu verbinden. Die CASE-Verbindung wird mittels Lichtstrahlung 76 aus dem Atmosphärendruckplasma 78 gehärtet, wenn dieses während einer nachfolgenden Rasterabscheidung der Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung in der Nähe vorüber fährt.
In 4 ist die Herstellung eines geschichteten Verbundwerkstoffs zum Schutz einer elektronischen Leiterplatte 80 und deren Lötfahnen 86 vor Wasser, anderen Flüssigkeiten und Dämpfen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Auftragen der Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung 82 erfolgt, um das Haften einer weiteren Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung 84 mit Wasser abweisenden Eigenschaften auf der Leiterplatte 80 und den Lötfahnen 86 zu ermöglichen.
5 zeigt gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Rasterverbundbeschichtung (raster composite deposition). Gemäß dieser Ausführungsform wird die Oberfläche 88 mit einer aus einem Prepolymer gewonnenen Atmosphärendruckplasmahochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung 90 behandelt. Eine zweite Abscheidungsschicht 92 befindet sich parallel verschoben von der ersten. Bei der zweiten Abscheidungsschicht 92 kann ein unabhängig ausgewähltes Prepolymer zur Erzeugung einer Atmosphä rendruckplasmahochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung verwendet werden.
In 6 sind gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geschichtete Verbundbeschichtungen (layered composite depositions) dargestellt. Gemäß dieser Ausführungsform erhält die Oberfläche 94 eine Atmosphärendruckplasmahochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung. In einem Durchlauf wird ein unausgeglichener Verbundwerkstoff (unbalanced composite) gebildet. Ein erster Durchlauf 102 führt zu einer Hochgeschwindigkeitsaufschlagspolymerreaktionsbeschichtung, die zu 100 % aus einem ersten Prepolymereinsatzmaterial gewonnen wird. Ein zweiter Durchlauf 104 ergibt eine Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung, die aus einem Einsatzmaterial gewonnen wird, das aus einem Gemisch des ersten Prepolymers mit einem zweiten Prepolymer besteht. In einem dritten Durchlauf 106 wird die Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung aus einem zu 100 % aus dem zweiten Prepolymer bestehenden Einsatzmaterial gewonnen. Damit wurden die Oberflächeneigenschaften so modifiziert, dass sie sich entweder zur Aufnahme einer nachfolgenden Schicht (nicht dargestellt) eignen, so dass Schutzbeschichtungen und/oder Oberflächeneigenschaften zur Verfügung gestellt werden können, wie z.B. im Falle chemischer oder biologischer Textilschutzoberflächen (protection textile surfaces), oder dass auf die darunter liegenden Atmosphärendruckplasmahochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtungen beständigere Verschleißschutzbeschichtungen aufgebracht werden können.
In 7 und 8 ist ein Prepolymerdosiersystem dargestellt, bei dem das Ionisationsgas mittels einer Röhre 112 in ein Atmosphärendruckplasma 114 geleitet wird, das über eine Austrittsdüse 116 verfügt, die mit einem Sprühring 118 versehen ist, der das Einbringen des Prepolymernebels 128 in das Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtungsmaterial 122 ermöglicht. Das Prepolymermaterial wird in einen Injektor 132 geleitet, der das Material den Sprühdüsen 133 des Sprührings 118 zur Erzeugung des Prepolymernebels 128 zuführt. Das Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtungsmaterial 122 wird als eine Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung 124 auf eine Oberfläche 126 aufgebracht.
Als Beispiele für Oberflächen, die ggf. einer Aktivierung und Abscheidung zu unterziehen sind, können, ohne hierauf beschränkt zu sein, genannt werden: glasartige Werkstoffe, beschichtete Windschutzscheiben, Fahrzeugglas, Glas, korrodiertes Glas, gefrittetes Glas, getöntes Glas, Silikate, Aluminate, Borate, Zirconiumdioxid, Übergangsmetallverbindungen, Stahl, Kohlenstoffe, biokompatible Werkstoffe, Calciumphosphatminerale, Tetracalciumphosphat, Dicalciumphosphat, Tricalciumphosphat, Monocalciumphosphat, Monocalciumphosphatmonohydrat, Hydroxyapatit, laminierte Schaltplatten, Epoxidharz, Holz, Textilien, Naturfaser, Thermoplast, Duroplast, eine Oberfläche mit einer Schmelztemperatur größer als 70°C, Oberflächen mit Bestandteilen, die anfällig für Hitzeschäden sein können, oder Kombinationen hieraus. Bei gefritteten und getönten Gläsern kann sich die Fritte bzw. die Tönung auf der Oberfläche befinden, in die Oberfläche dispergiert sein oder es kann sich um Kombinationen hieraus handeln. Eine Oberfläche, die Bestandteile aufweist, die hitzeempfindlich sein können, kann Bestandteile mit Eigenschaften aufweisen, wie z.B. Schmelz- oder Rekristallisationstemperaturen von kleiner als 400°C, 350°C, 300°C, 250°C, 200°C, 150°C, 100°C oder kleiner als 100°C. Andere Indikatoren für eine für Hitzeschäden anfällige Oberfläche können eine Betriebstemperatur von kleiner als 350°C, 300°C, 250°C, 200°C, 150°C, 100°C oder kleiner als 50°C oder ein eine Glasübergangstemperatur kleiner als 200°C, 150°C, 100°C oder kleiner als 50°C erfahrendes Material sein.
Oberflächen können auch dann als anfällig für Hitzeschäden gelten, wenn sie oder die Beschichtung einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten größer als etwa 10 × 10^–6/°C, 15 × 10^–6/°C, 20 × 10^–6/°C oder 50 × 10^–6/°C aufweisen. Unterschiedliche Ausdehnungsraten zwischen Oberfläche und einer Atmosphärendruckplasmabeschichtung können zu fehlerhaften Dimensionierungen oder Rissen aufgrund von Scherspannungen führen. Ferner können Oberflächen als anfällig für Hitzeschäden gelten, wenn sie eine chemische Zersetzungstemperatur kleiner als 400°C, 350°C, 300°C, 250°C oder kleiner als 250°C aufweisen. Zersetzung kann als ein Beispiel für Reaktionen betrachtet werden, bei denen sich der Werkstoff oder Bindungen im Oberflächenmaterial chemisch aufspalten. Andere Beispiele für chemische Reaktionen, bei denen es zu Aufspaltung kommen kann, sind Reaktionen wie Verbrennung, Dehydratation, Dekarboxylation, Pyrolyse oder Oxidation.
Zu den Oberflächen, die anfällig für Hitzeschäden sind, können Oberflächen gehören, die für die Herstellung von Matrizen und Formen für Prototypen verwendet werden sowie Artikel, die Reparatur- oder Schutzbeschichtungen benötigen. Außerdem können Unterschiede in der thermischen Ausdehnung zwischen der Oberfläche und dem aufgetragenen geschmolzenen Material innere Spannungen in den Produkten oder in den erstarrten, mittels Atmosphärendruckplasma aufgebrachten Werkstoffen herbeiführen sowie zu Verformungen der Produkte und zu Brüchen durch Thermoschock führen. Zu den Teilen und Werkstoffen, deren Oberflächen anfällig für Hitzeschädigung sein können, gehören Werkzeuge aus Epoxidharz, Silikonformen, Werkzeugplatten, Modellplatten, Schaumplatten, Faserplatten mittlerer Dichte, Faserlaminate, Schnittholz, maschinell bearbeitbares Wachs, dünne Formschalen sowie verschiedene Werkstoffe, die in der schnellen Produktentwicklung (rapid prototyping) Anwendung finden, wie z.B. laserlichtgehärtete Harze, Schichtstoffe, Wachs, Holz, Polymerschaum und Sinterkeramik.
Eine für Hitzeschäden anfällige Oberfläche kann auch ein dünnes Gehäuse sein, das nur ein geringes Volumen aufweist, in das überschüssige Hitze abgegeben werden kann. Ein typisches dünnes Gehäuse kann weniger als 25-mm, 20-mm, 15-mm, 10-mm, 5-mm, 4-mm, 3-mm, 2-mm oder sogar weniger als 1-mm dick sein.
Eine für Hitzeschäden anfällige Oberfläche kann außerdem ein Werkstoff sein, der nennenswerte innere Spannungen enthält. Wird der Werkstoff einer Wärme von mehr als 50°C, 100°C, 150°C oder 200°C und weniger als 400°C, 350°C, 300°C oder 250°C ausgesetzt, können diese inneren Spannungen vollständig oder teilweise freigesetzt werden. Dies kann zu einem Maßverzug oder einer Verformung der Oberflächen, die ggf. anfällig für Hitzeschäden sind, führen.
Bei der Plasmapolymerisation entstehen Polymere in Anordnungen, die unter normalen chemischen Bedingungen in der Regel nicht angetroffen werden. Die Polymere können hoch verzweigte Molekülketten, zufällig abgebrochene Ketten (randomly terminated chains) oder funktionale Vernetzungsstellen aufweisen. Da die Prepolymermoleküle beim Zusammentreffen mit den in dem Plasma enthaltenen hochenergetischen Elektronen fragmentiert werden, treten im Allgemeinen keine regelmäßigen Repetiereinheiten (regularly repeating units) auf. Die Reaktionen vollziehen sich offenbar über verschiedene Reaktionswege, darunter Bildung freier Radikale, Homolyse, kationische Oligomerisation und Kombinationen aus diesen.
Beschichtungen, die das Ergebnis der Reaktionsprozesse in einem Atmosphärendruckplasma sind, unterscheiden sich von konventionellen Polymeren, Oligomeren und Monomeren. Konventionelle Monomere, Oligomere und Polymere weisen eine regelmäßige Anordnung von Bausteinen auf, die auch als Mere bezeichnet werden. Mit zunehmendem Wachstum der Polymerketten wiederholt sich die Abfolge der Bausteine und es kommt gelegentlich zu Vernetzungen zwischen ihnen. Bei einem Plasmapolymer können die Bausteine aufgespalten werden, und es können sich neue funktionale Gruppen bilden. Bei ihrer Rekombination kann ein allgemein erhöhter Vernetzungsgrad auftreten; es können in erhöhtem Maße Seitenketten, zufällig abgebrochene Ketten oder eine Kombination hieraus auftreten. Die Berechnung des Vernetzungsgrades wird schwieriger, da die Anzahl der Verknüpfungsstellen geteilt durch die Anzahl der Rückgratatome nahezu gleich wird. Dies kann bei Plasmapolymeren der Fall sein. Ein relatives Maß des Vernetzungsgrades kann die Veränderung der Glasübergangstemperatur gegenüber konventionellen Polymeren sein. Man kann erwarten, dass die Erhöhung der Glasübergangstemperatur bei niedrigen Vernetzungsgraden proportional zur Anzahl der Verknüpfungsstellen ist. Bei Plasmapolymeren kann der Proportionalitätsfaktor relativ um etwa 10%, 15% oder 20% im Vergleich zu konventionellen Polymeren ansteigen.
Prepolymere, die ggf. für eine Abscheidung mittels Atmosphärendruckplasma geeignet sind, enthalten Verbindungen, die verdampft werden können. Die Dämpfe können in dosierter Weise mit einem Trägergas gemischt werden. Dieses Gasgemisch kann einem Plasma zugeführt werden, das mittels eines Atmosphärendruckplasmas erzeugt wurde. Das Ionisationsgas des Atmosphärendruckplasmas kann aus Gasen ausgewählt werden, die typischerweise in Schweißverfahren eingesetzt werden; hierzu können gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, Edelgase, Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Kohlenstoff und Kombinationen aus diesen.
Zu den Prepolymeren, die zur Erzeugung einer Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerbeschichtung verwendet werden, können ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein, die folgenden reaktiven substituierten Verbindungen der Gruppe 14 gehören, wie z.B. diejenigen, die der Formel R_aX_(3-a)M₁-O-M₂R_bX_(3-b) entsprechen, wobei R ein hydrolysierbares organisches Radikal ist, das Funktionalität zur Übertragung einer gewünschten Eigenschaft besitzt, X ein Halogen sein kann, M ein Element der Gruppe 14 ist, wie z.B. Silikon und O Sauerstoff ist; diejenigen, die der Formel R_n M X_(4-n) entsprechen, wobei R ein leicht hydrolysierbares organisches Radikal sein kann, M ein Element der Gruppe 14, wie z.B. Silikon ist, und X ein Halogen sein kann; diejenigen, die der Formel R₂ MO entsprechen, wobei R ein hydrolysierbares organisches Radikal ist, M ein Element der Gruppe 14 ist und O Sauerstoff ist; lineare Siloxane; zyklische Siloxane; Methylacryl-Silan-Verbindungen; funktionale Styrylsilanverbindungen; Alkoxylsilanverbindungen; Acyloxysilanverbindungen; aminosubstituierte Silanverbindungen; Hexamethyldisiloxan; Tetraethoxysilan; Octamethyltrisiloxan; Hexamethylcyclotrisiloxan; Octamethylcyclotetrasiloxan; Tetramethylsilan; Vinylmethylsilan; Vinyltriethoxysilan; Vinyltris(2-methoxyethoxy)silan; Aminopropyltriethoxysilan; Methacryloxypropyltrimethoxysilan; Glycidoxypropyltrimethoxysilan; Hexamethyldisilazan mit zwischen den Molekülebenen gebundenen Silikon-, Wasserstoff-, Kohlenstoff-, Sauerstoff- oder Stickstoffatomen; Organosilan-Halid-Verbindungen; Organogerman-Halid-Verbindungen; Organotin-Halid-Verbindungen; Di[bis(trimethylsilyl)methyl]germanium; Di[bis(trimethylsilyl)amino]germanium; metallorganische Verbindungen auf der Basis von Aluminium oder Titan; oder Kombinationen hieraus. Bei den in Frage kommenden Prepolymeren muss es sich nicht um Flüssigkeiten handeln, sondern es kann sich auch um Verbindungen handeln, die Festkörper, jedoch leicht verdampfbar sind. Hierzu können auch Gase gehören, die in Gaszy lindern komprimiert sind oder kryogenisch verflüssigt und auf kontrollierte Weise durch Erhöhung ihrer Temperatur verdampft werden.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann die Dicke der Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerbeschichtung ausreichend erhöht werden, um Teile des Rahmens zu versiegeln. Die Verstärkung der Dicke kann erreicht werden, indem der Zeitraum, während dessen sich die Abscheidung vollziehen kann, verlängert wird; indem der Durchsatz der Abscheidung erhöht wird; durch Erhöhung des Volumens (volumizing) der Abscheidung; oder Kombinationen hieraus. Die Verlängerung der Abscheidungszeit kann, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, dadurch erfolgen, dass die Position des Atmosphärendruckplasmas an ein und derselben Stelle während eines verlängerten Zeitraums im Wesentlichen unverändert gehalten wird oder dadurch, dass mehrere Atmosphärendruckluftplasmen während eines verlängerten Zeitraums auf derselben Stelle verfahren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können mittels mehrerer Atmosphärendruckluftplasmen verschiedene Prepolymere abgeschieden werden, so dass eine geschichtete Verbundbeschichtung entsteht, es können verschiedene Prepolymere in verschiedenen räumlichen Bereichen abgeschieden werden, um eine gerasterte Verbundbeschichtung zu erzeugen oder Kombinationen hieraus.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung umfasst das Auftragen des Prepolymers als Primer unter Verwendung eines Atmosphärendruckplasmas. Anschließend kann eine zweite Schicht auf den Primer aufgetragen werden, um den Primer mit Teilen des Rahmens zu verbinden. Gemäß dem nicht einschränkenden Beispiel, bei dem mittels der zweiten Schicht eine Windschutzscheibe mit einem Rahmen zusammengefügt wird, kann der Strang der Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerbeschichtung bis zu 10 mm breit sein. Die zweite Schicht ist typischerweise ebenso breit oder breiter als die Hochgeschwindigkeitsaufschlagspolymerbeschichtung. Eine zweite Schicht kann, ohne hierauf beschränkt zu sein, aus CASE-Verbindungen, Polyurethanverbindungen, Polyimidverbindungen, einer Metallschicht, Polyamidverbindungen, Lack, Vulkanisierungsverbindungen, orga nischen Membranen, korrosionsfesten Verbindungen, einer biokompatiblen Beschichtung, einer hydrophoben Beschichtung, einer hydrophilen Verbindung, Siloxanverbindungen, Zinnverbindungen, Germaniumverbindungen, einer Keramikfritte, Farbe, Epoxidharz oder Kombinationen hieraus bestehen. Die CASE-Verbindungen umfassen, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein; Schutzbeschichtungen, Verschleißschutzbeschichtungen, Korrosionsschutzbeschichtungen, Farben, Schutzlacke, Epoxidharzschutzbeschichtungen, Acrylschutzbeschichtungen, Alkydharzschutzbeschichtungen, Polyurethanschutzbeschichtungen, Haftklebstoffe, Emulsionspolymere, Silikone, Holzschutzmittel, thermoplastische Elastomere, medizinische Klebstoffe, Beschichtungen für Gewebe, Mastixdichtungsmasse, Gummiverbindungen, Pulverbeschichtungen, Ruß, strahlenhärtbare (Radcure) Verbindungen und Kombinationen hieraus.
Die Adhäsion der zweiten Schicht kann unter Verwendung des Quick Knife-Analyseverfahrens überprüft werden. Gemäß diesem Verfahren werden nach der Behandlung einer Oberfläche Klebstoffstränge einer CASE-Verbindung auf die Oberfläche aufgetragen und während eines Zeitraums von drei Tagen trocknen gelassen. Nach drei Tagen werden die Stränge mit einer Rasierklinge diagonal eingeschnitten. Die Abschnitte werden anschließend gedreht und gezogen, bis es entweder zu Adhäsionsversagen oder Kohäsionsversagen oder einer Kombination aus beiden kommt. Die sich ergebende Versagensart wird protokolliert.
Der Rahmen kann dazu dienen, einen Teil oder mehrere Teile der unterschiedlichen Werkstoffe zu schützen und/oder mit dem Fahrzeugaufbau zu verbinden. Die Einrahmung kann aus einer beliebigen Anzahl von Werkstoffen bestehen, solange diese den Zweck der Konstruktion erfüllen. Als Beispiele können, ohne darauf beschränkt zu sein, hierzu gehören: eine Metallschiene oder ein Polyurethanabdeckung, die eine Automobilglasscheibe umgibt, oder an Leiterplatten angebrachte Lötfahnen mit wasserdichten Beschichtungen.
Beispiel 1:
Ein Reinigungs- und Aktivierungsschritt mittels des Atmosphärendruckplasmas sowie die Abscheidung der Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung werden in einem einzigen Schritt vorgenommen. Ohne sich auf ein einzelnes Betriebsverfahren festlegen zu wollen, ist festzustellen, dass aus der Düse austretende Atmosphärendruckplasmagase einen Halbschatten ionisierten Plasmas aufweisen, mittels dessen in einem ersten Zeitraum ein Reinigungs- und Aktivierungsschritt, der einfach als Reinigung bezeichnet wird, vollzogen wird, auf den sehr schnell und in einem Schritt die Abscheidung der Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung folgt, die auf den Kern des aus der Düse austretenden ionisierten Plasmas konzentriert ist.
In diesem Beispiel gibt ein Roboterarm, der mit einem von Plasma Treat North America, Inc. gelieferten FLUME-Atmosphärendruckplasma ausgestattet ist, eine Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung ab, die aus einem Prepolymer von Hexamethyldisiloxan (HMDSO) gewonnen wird. Etwa 30 Gramm HMDSO pro Stunde werden mit 5 l Luft pro Minute verdünnt. Das Gemisch aus HMDSO und Luft wird einem Atmosphärendruckplasma zugeführt. Das Ionisationsgas wird mit 30 l pro Minute zugeführt. Die Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung wird aus einer Entfernung von 8 mm von der Austrittsdüse bei einer Roboterarmfahrgeschwindigkeit von bis zu 600 mm pro Sekunde auf ein Glas aufgetragen, wenn Richtungsänderungen erforderlich sind, wie bei einem Rastermuster mit einer Beabstandung von 2 mm zwischen den Durchgängen.
Beispiel 2:
Bei diesem Beispiel erfolgt der Reinigungs- und Aktivierungsschritt getrennt von dem Schritt des Abscheidens der Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung. Eine Atmosphärendruckplasmavorrichtung an einem Roboterarm folgt einem Roboterarmfahrweg mit einer Geschwindigkeit von 25 mm pro Sekunde und scheidet ein Plasmagas ab. Es gelten die gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1.
Bei diesem Beispiel reinigt ein Roboterarm, der mit einem von Plasma Treat North America, Inc. gelieferten FLUME-Atmosphärendruckplasma ausgestattet ist, die Oberfläche, indem er ein Plasma über die Oberfläche führt. Das Ionisationsgas, Luft, wird mit 30 l pro Minute zugeführt. Das Reinigungsplasma wird aus einer Entfernung von 8 mm von der Austrittsdüse mit einem Spurenabstand von 2 mm bei einer Roboterarmfahrgeschwindigkeit von bis zu 600 mm pro Sekunde auf ein Glas aufgetragen, wenn Richtungsänderungen erforderlich sind, wie bei einem Rastermuster mit einer Beabstandung von 2 mm zwischen den Durchgängen. Ein zweites Atmosphärendruckplasma folgt demselben Roboterfahrweg wie das Reinigungsplasma und gibt eine aus einem Prepolymer von Tetraethoxydisiloxan (TES) gewonnene Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung ab. Etwa 30 Gramm Tetraethoxydisiloxan pro Stunde wird mit 5 l Luft pro Minute verdünnt. Das Gemisch aus Tetraethoxydisiloxan und Luft wird einem Atmosphärendruckplasma zugeführt. Das Ionisationsgas wird mit 30 l pro Minute zugeführt. Die Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung wird aus einer Entfernung von 8 mm von der Austrittsdüse bei einer Roboterarmfahrgeschwindigkeit von bis zu 600 mm pro Sekunde auf ein Glas aufgetragen, wenn Richtungsänderungen erforderlich sind, wie bei einem Rastermuster mit einer Beabstandung von 2 mm zwischen den Durchgängen.
Beispiel 3:
Dieses Beispiel zeigt, dass eine Reinigung der Oberfläche, gefolgt von einer Abscheidung der Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung entweder in einem oder zwei in Schritten unter Verwendung eines Atmosphärendruckplasmas die Adhäsion einer zweiten Schicht mit Glas gegenüber einer einfachen Reinigung und Aktivierung des Glases mit einem Atmosphärendruckplasma, einer Reinigung des Glases mit einem Lösemittel aus Isopropylalkohol oder gegenüber einem bloßen Auftragen des Prepolymers auf das Glas verbessert.
Eine Überprüfung der Adhäsionsergebnisse erfolgt mittels des Quick Knife-Adhäsionsverfahrens. Nach der Behandlung werden Klebstoffstränge einer CASE-Verbindung, in diesem Fall ein Polyurethandichtstoff, auf die Oberfläche aufgetragen und während eines Zeitraums von drei Tagen trocknen gelassen. Nach drei Tagen werden die Stränge mit einer Rasierklinge diagonal eingeschnitten. Die Abschnitte werden anschließend gedreht und gezogen, bis es entweder zu Adhäsionsversagen oder Kohäsionsversagen des Strangs kommt. Das erwünschte Ergebnis ist Kohäsionsversagen.
Zu den verwendeten Oberflächen gehörten normales Automobilwindschutzscheibenglas, korrodiertes Automobilglas in Form verschmutzten Windschutzscheibenglases, das ein Jahr lang der Luft ausgesetzt worden war sowie Windschutzscheibenglas mit einem gefritteten Bereich.
Die Ergebnisse der Prüfung sind in Tabelle 1 wiedergegeben. Tabelle 1:
Außerdem zeigte die Kombination aus korrodiertem Glas mit einer Fritte, welche den gleichen Korrosionsbedingungen ausgesetzt wurde, Kohäsionsversagen nur in einem Zwei-Schritt-Verfahren unter den gleichen Abscheidungsbedingungen.
Beispiel 4:
Dieses Beispiel zeigt eine Erzeugung von geschichteten Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsverbundbeschichtungen. Die Anwendungsbedingungen sind ähnlich wie in Beispiel 2.
In diesem Beispiel erfolgt die Reinigung und Aktivierung der Oberfläche mittels eines separaten Atmosphärendruckplasmas. Ein zweites Atmosphärendruckplasma an einem Roboterarm trägt unter Verwendung von HMDSO als Prepolymer eine 0,1-μm-Schicht einer Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung auf. Ein drittes Atmosphärendruckplasma an einem Roboterarm fährt dieselbe Roboterfahrstrecke ab wie das zweite Atmosphärendruckplasma und trägt unter Verwendung von Octamethyltrisiloxan als Prepolymer eine 0,05-μm-Schicht der Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung auf.
Beispiel 5:
Dieses Beispiel zeigt eine Erzeugung einer Rasterverbundwerkstoff-Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung. Die Anwendungsbedingungen sind ähnlich wie in Beispiel 2.
In diesem Beispiel erfolgt die Reinigung und Aktivierung der Oberfläche mittels eines separaten Atmosphärendruckplasmas. Ein zweites Atmosphärendruckplasmas an einem Roboterarm trägt unter Verwendung von HMDSO als Prepolymer eine 0,1-μm-Schicht einer Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung auf. Ein drittes Atmosphärendruckplasma an einem Roboterarm fährt einen zu dem Durchgang des Roboterarms parallelen Fahrweg ab, der um 2 mm gegenüber der zweiten Fahrstrecke des Atmosphärendruckplasmas verschoben ist und trägt unter Verwendung von Octamethyltrisiloxan als Prepolymer eine 0,1-μm-Schicht der Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung auf.
Beispiel 6:
Dieses Beispiel zeigt die Erzeugung einer Ausführungsform einer Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsgradientenbeschichtung. Die Anwendungsbedingungen sind ähnlich wie in Beispiel 2.
In diesem Beispiel erfolgt die Reinigung und Aktivierung der Oberfläche mittels eines separaten Atmosphärendruckplasmas. Ein zweites Atmosphärendruckplasma an einem Roboterarm trägt unter Verwendung von HMDSO als Prepolymer eine 0,1-μm-Schicht einer Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung auf. Das Prepolymer ist zunächst ein reines HMDSO-Prepolymer. Während eines zweiten Durchgangs des Roboterarms entlang desselben Roboterarmfahrwegs wie beim ersten Durchgang verwendet das zweite Atmosphärendruckplasma das Prepolymer, das auf ein gleichteiliges Gemisch von HMDSO und Octamethyltrisiloxan abgestimmt ist. Während eines dritten Durchgangs des Roboterarms entlang desselben Roboterarmfahrwegs wie beim ersten Durchgang verwendet das zweite Atmosphärendruckplasma das Prepolymer, das auf reines Octamethyltrisiloxan abgestimmt ist.
Beispiel 7:
In diesem Beispiel ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der von der Möglichkeit Gebrauch gemacht wird, das Auftragen der Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung und/oder den Reinigungs- und Aktivierungsschritt zu unterbrechen, um eine Abdeckung (mask) auf einer Oberfläche zu erzeugen. Die Anwendungsbedingungen sind ähnlich wie in Beispiel 2.
In diesem Beispiel erfolgt die Reinigung und Aktivierung der Oberfläche mittels eines einzigen Atmosphärendruckplasmas an einem Roboterarm, gefolgt binnen 0,01 Sekunden von der Abscheidung einer 1-μm-Schicht der Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung. Unter Verwendung eines programmierten Signals stellt das Atmosphärendruckplasma die das Plasma erzeugende Ionisation sowie das Ausströmen des Prepolymers ein. Der Roboterarm setzt seine Fahrt über eine gewisse Strecke fort. Unter Verwendung eines zweiten programmierten Signals nimmt das Atmosphärendruckplasma den Reinigungs- und Aktivierungsschritt und die Abscheidung der Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung wieder auf.
Nach 0,5 Sekunden trägt ein anderer Roboterarm einen strahlengehärteten CA-SE-Dichtstoff entlang desselben Roboterarmfahrwegs, den auch das Atmosphärendruckplasma benutzte, auf. Der CASE-Dichtstoff wird durch das Infrarot- und/oder Ultraviolettlicht von dem Atmosphärendruckplasma gehärtet.
In einem nachfolgenden Verfahrensschritt wird der CASE-Dichtstoff mit einem scharten Gerät an der Grenzfläche zwischen den Stellen, an denen die Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung und die unbeschichteten Bereiche aufeinander treffen, aufgeschlitzt. Anschließend wird der CASE-Dichtstoff in den unbeschichteten Bereichen sauber von der Oberfläche entfernt, da er Adhäsionsversagen aufweist.
Beispiel 8:
Dieses Beispiel zeigt, dass die Betriebsdingungen des Plasmas Auswirkungen auf die Zusammensetzung der Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung haben. In einem System zur physikalische Ablagerung von Dampf (physical vapor deposition system) mit einer Plasmakammer, die auf einen Druck von 0,027 Pa evakuiert wird und in der das Plasma von einem 40 kg-Hertz-Magnetron erzeugt wird, wird HMDSO-Prepolymer eingespritzt. Eine chemische Analyse der daraus entstehenden Polymerreaktionsbeschichtung zeigt einen Silikongehalt von 19,8 Atomprozent (at%).
Unter Verwendung der Bedingungen in Beispiel 2, bei dem HMDSO-Prepolymer eingespritzt wird, ergibt die Analyse der entstehenden Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung einen Silikongehalt von 32,0 at%. Bei Beschichtungen, die unter Anwendung dieses Verfahren abgeschieden werden, kann ein Silikongehalt größer als 25 at% erwartet werden.
Beispiel 9:
Dieses Beispiel verdeutlicht, welche Oberflächentemperaturen in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit, mit der Beschichtung aufgebracht wird, erreicht werden. Bei einem Abstand zwischen der Austrittsdüse und der Oberfläche von 8 mm erreicht die Oberflächentemperatur bei einer Fahrgeschwindigkeit des Roboterarms von 600 mm/Sekunde ein Maximum von 95°C. Bei einer Fahrgeschwindigkeit des Roboterarms von 50 mm/Sekunde erreicht die Oberflächentemperatur ein Maximum von 180°C.

Claims

Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche (58) zum Kleben mit den folgenden Schritten: (a) Reinigen der Oberfläche (58) während eines ersten Zeitraums und (b) Abscheiden einer Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung (62) auf die Oberfläche (58) bei Umgebungsluftdruck während eines zweiten Zeitraums.
Verfahren nach Anspruch 1, mit dem Schritt (c) des Wartens während eines dritten Zeitraums zwischen den Schritten (a) und (b), wobei der dritte Zeitraum größer ist als 0,001 Sekunden und kleiner als 5 Tage.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, mit dem Schritt (c) eines kohäsiven Auftragens einer zweiten Schicht auf die beschichtete Oberfläche (58).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit dem Schritt (c) einer Reaktivierung der Oberfläche (58) mittels einer Luftplasmabehandlung.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht ein Werkstoff ist, der aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus Beschichtungs-, Klebstoff-, Dichtstoff- und Elastomer-Verbindungen sowie Kombinationen hieraus besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zu klebende Oberfläche ein Glasswerkstoff oder ein mit einer keramischen Fritte (60) beschichteter Glasswerkstoff ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidungsgeschwindigkeit an der Düse (50) größer ist als 10 Meter pro Sekunde und kleiner als 200 Meter pro Sekunde.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mittels eines reaktiven substituierten Si-basierten Prepolymers hergestellt wird und einen Silikonatomgehalt von mindestens 25 Prozent aufweist.
Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche zum Kleben, mit den folgenden Schritten: (a) Zuführen eines Prepolymerdampfs zu einem Atmosphärendruckplasma, um eine Polymerreaktionsverbindung zu bilden, und (b) Abscheiden der Polymerreaktionsverbindung mittels einer Hochgeschwindigkeitsaufschlagsvorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (a) das Zuführen des Prepolymers als Nebel beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Prepolymer eine reaktive substituierte Verbindung der Gruppe 14 mit der Formel R_aX_(3-a)M₁-O-M₂R_bX_(3-b) ist, wobei R ein hydrolysierbares organi sches Radikal ist, X ein Halogen ist, M ein Element der Gruppe 14 wie z.B. Silikon ist und O Sauerstoff ist, oder der Formel R_n M X_(4-n), wobei R ein leicht hydrolysierbares organisches Radikal ist, M ein Element der Gruppe 14 wie z.B. Silikon ist und X ein Halogen wie z.B. Tetraethoxysilan ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive substituierte Verbindung Hexamethyldisiloxan ist.
Beschichtete Glasfläche, bestehend aus: (a) einer Glasfläche und (b) einer Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung (70) mit einer ersten und einer zweiten gegenüberliegenden Oberfläche, wobei die erste gegenüberliegende Oberfläche unmittelbar an die Glasfläche angrenzt.
Beschichtete Glasfläche nach Anspruch 13 mit (c) einem Rahmen (74), der an einen Teil der zweiten gegenüberliegenden Oberfläche der Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung (70) angrenzt.
Beschichtete Glasfläche nach Anspruch 13 oder 14 mit: (c) einer zweiten Schicht mit einer dritten und einer vierten gegenüberliegenden Oberfläche, wobei die dritte gegenüberliegende Oberfläche an die zweite gegenüberliegende Oberfläche der Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung (70) angrenzt und die vierte gegenüberliegende Oberfläche an einen Teil des Rahmens (74) angrenzt.
Beschichtete Glasfläche nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht ein Werkstoff ist, der aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus Beschichtungs-, Klebstoff-, Dichtstoff- und Elastomer-Verbindungen sowie Kombinationen hieraus besteht.
Beschichtete Glasfläche nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochgeschwindigkeitsaufschlagpolymerreaktionsbeschichtung mittels Atmosphärendruckplasmaabscheidung (70) eines Prepolymerdampfs aufgebracht wird.
Beschichtete Glasfläche nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Prepolymer eine reaktive substituierte Verbindung der Gruppe 14 mit der Formel R_aX_(3-a)M₁-O-M₂R_bX_(3-b) ist, wobei R ein hydrolysierbares organisches Radikal ist, X ein Halogen ist, M ein Element der Gruppe 14 wie z.B. Silikon ist und O Sauerstoff ist, oder der Formel R_n M X_(4-n), wobei R ein leicht hydrolysierbares organisches Radikal ist, M ein Element der Gruppe 14 wie z.B. Silikon ist und X ein Halogen wie z.B. Tetraethoxysilan ist.
Beschichtete Glasfläche nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasfläche eine Automobilglasfläche ist.
Beschichtete Glasfläche nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Verbundbeschichtung ist.