DE102012100294B4

DE102012100294B4 - Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffsubstrats mit einer Lackschicht und Kunststoffsubstrat mit einer Lackschicht

Info

Publication number: DE102012100294B4
Application number: DE102012100294.0A
Authority: DE
Inventors: Ulrike Schulz; Peter Munzert; Sandra Günther; Andreas Kiesow
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2012-01-13
Filing date: 2012-01-13
Publication date: 2018-11-29
Anticipated expiration: 2032-01-14
Also published as: DE102012100294A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffsubstrats (1) mit einer Lackschicht (9), bei dem mittels eines Plasmaätzprozesses eine Oberflächenstruktur (6) in dem Kunststoffsubstrat (1) erzeugt wird, wobei sich die Oberflächenstruktur (6) bis in eine Tiefe von mindestens 50 nm in das Kunststoffsubstrat (1) hinein erstreckt und eine Vielzahl von Erhebungen (7) aufweist, die im Mittel eine Breite zwischen 10 nm und 120 nm aufweisen, und nachfolgend die Lackschicht (9) in flüssiger Form auf die Oberflächenstruktur (6) aufgebracht und nach dem Aufbringen ausgehärtet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffsubstrats mit einer Lackschicht sowie ein Kunststoffsubstrat mit einer Lackschicht.
Bei der Beschichtung von Polymeren, z. B. zur Erhöhung der Kratzbeständigkeit, zur Verbesserung des UV-Schutzes oder zur Realisierung weiterer Eigenschaften, besteht häufig die Aufgabe darin, das Polymermaterial mit einem zunächst flüssig vorliegenden Beschichtungsmaterial dauerhaft in einen festen Verbund zu bringen.
Die Druckschrift DE 102007011070 A1 beschreibt ein Kunststoffsubstrat mit einer Lackschicht, die eine verbesserte Haftung aufweist.
Zur Verbesserung der Haftung der Beschichtung ist in der Regel eine Vorbehandlung des Substrats erforderlich. Neben rein mechanischen Vorbehandlungsmethoden, wie Bürsten oder Schleifen, werden oftmals tensidhaltige, wässrige Lösungen oder lösungsmittelbasierte Reiniger unter Einwirkung von Temperatur hierfür genutzt. Weiterhin gibt es Methoden zur Substratvorbehandlung, bei denen die Substratoberfläche in ihrer chemischen Natur verändert wird. Hierzu zählen die Glimmentladung von Plasmen, die Corona-Entladung, oder das Beflammen mit einer oxidierenden Flamme. Weiterhin ist die Verbesserung der Haftung zwischen einem Kunststoffsubstrat und einer Lackschicht durch spezielle Haftvermittlerschichten oder Klebeschichten bekannt.
Plasmabehandlungen werden bisher vor allem zur chemischen Aktivierung von Polymeroberflächen angewandt. Dabei werden in der Regel nur Oberflächenstrukturen mit geringer Tiefe erzeugt. Diese wirken aufgrund der Ausbildung reaktiver Gruppen, hauptsächlich Hydroxylgruppen, an der Oberfläche.
Weiterhin sind mechanisch erzeugte Oberflächenstrukturen bekannt, die aufgrund ihrer großen aktiven Oberfläche die Schichthaftung verbessern. Größere und tiefere Strukturen, die mechanisch, z. B. durch Prägen oder Sandstrahlen, erzeugt werden können, haben den Nachteil der Entstehung von Streulicht. Durch das Streulicht wird die Transmission vermindert, was insbesondere bei optischen Bauteilen von Nachteil ist.
In den Druckschriften DE 10241708 B4 , DE 102006056578 A1 und WO 2008/064663 A1 wird jeweils ein Verfahren zur Herstellung einer Oberflächenstruktur auf einem Kunststoffsubstrat beschrieben, welche die Reflexion des Substrats vermindert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffsubstrats mit einer Lackschicht anzugeben, mit dem eine gute Haftung der Lackschicht auf dem Kunststoffsubstrat erzielt werden kann, ohne dass sich die Transmission des Kunststoffsubstrats wesentlich vermindert. Weiterhin soll ein Kunststoffsubstrat mit einer derartigen Lackschicht angegeben werden.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffsubstrats mit einer Lackschicht und ein Kunststoffsubstrat mit einer Lackschicht gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung eines Kunststoffsubstrats mit einer Lackschicht wird zunächst mittels eines Plasmaätzprozesses eine Oberflächenstruktur in dem Kunststoffsubstrat erzeugt. Die Oberflächenstruktur erstreckt sich vorteilhaft bis in eine Tiefe von mindestens 50 nm in das Kunststoffsubstrat hinein. Nach der Herstellung der Oberflächenstruktur wird eine Lackschicht auf die Oberflächenstruktur aufgebracht. Unter einer Lackschicht wird hier und im Folgenden ein Beschichtungsmaterial aus einem Polymer verstanden, das in flüssiger Form, beispielsweise unter Verwendung eines Lösungsmittels, aufgebracht wird. Die Lackschicht kann beispielsweise eine Hartlackschicht zur Verbesserung der Kratzbeständigkeit sein. Weiterhin kann die Lackschicht beispielsweise einen Farbstoff oder Klebstoff umfassen.
Die Lackschicht wird in flüssiger Form auf die Oberflächenstruktur aufgebracht. Dies kann beispielsweise durch Fluten, Tauchen, Sprühen, Aufwalzen oder Aufschleudern erfolgen. Nach dem Aufbringen der Lackschicht wird diese ausgehärtet. Dies kann durch Lagerung, Tempern oder Bestrahlung, z. B. mit UV-Strahlung oder Elektronen, erfolgen.
Dadurch, dass an der Oberfläche des Kunststoffsubstrats vor dem Aufbringen der Lackschicht eine Oberflächenstruktur mit einer Tiefe von mindestens 50 nm erzeugt wird, wird die Haftfestigkeit der Lackschicht im Vergleich zum Aufbringen der Lackschicht auf ein unbehandeltes Kunststoffsubstrat wesentlich verbessert.
Die Oberflächenstruktur weist bevorzugt eine Tiefe zwischen 50 nm und 500 nm auf. Besonders bevorzugt beträgt die Tiefe der Oberflächenstruktur mindestens 100 nm. Durch den Plasmaätzprozess wird in dem Kunststoffsubstrat eine Vielzahl von Vertiefungen erzeugt, in welche die Lackschicht beim Aufbringen in flüssiger Form eindringen kann. Auf diese Weise wird erreicht, dass das Material der Lackschicht mindestens 50 nm tief, besonders bevorzugt mindestens 100 nm tief, in die Oberflächenstruktur hinein eindringt. Vorzugsweise wird die Oberflächenstruktur vollständig von der Lackschicht aufgefüllt.
Die Oberflächenstruktur weist bevorzugt Erhebungen auf, die im Mittel eine Breite zwischen 10 nm und 120 nm aufweisen. Durch die vergleichsweise schmalen und tiefen Erhebungen der Oberflächenstruktur kann insbesondere erreicht werden, dass die Grenzfläche zwischen dem Kunststoffsubstrat und der Lackschicht im Vergleich zum Aufbringen der Lackschicht auf ein unstrukturiertes Kunststoffsubstrat um einen Faktor 10 bis 100 vergrößert wird.
Die Erhebungen und Vertiefungen der Oberflächenstruktur sind vorteilhaft kleiner als die Wellenlänge sichtbaren Lichts. Die Oberflächenstruktur ist daher vorteilhaft optisch nicht sichtbar. Die optische Wirkung des Übergangsbereichs zwischen dem Kunststoffsubstrat und der Lackschicht kann durch einen effektiven Brechungsindex beschrieben werden, der zwischen dem Brechungsindex des Kunststoffsubstrats und dem Brechungsindex der Lackschicht liegt.
Vorzugsweise wird der Anteil gestreuten Lichts an der Grenzfläche zwischen dem Kunststoffsubstrat und der Lackschicht um nicht mehr als 1 % im Vergleich zu einer auf das unbehandelte Substrat aufgebrachten Lackschicht erhöht. Aufgrund der Oberflächenstruktur des Kunststoffsubstrats bildet sich bei unterschiedlichen Brechungsindizes des Kunststoffsubstrats und der Lackschicht in der Richtung senkrecht zur Grenzfläche ein Brechungsindexgradient aus. Dieser Brechungsindexgradient vermindert vorteilhaft die Reflexion an der Grenzfläche zwischen dem Kunststoffsubstrat und der Lackschicht. Aufgrund der geringen Lichtstreuung und/oder der nur geringen Reflexion an der Grenzfläche zwischen dem Kunststoffsubstrat und der Lackschicht wird für den Verbund aus dem Kunststoffsubstrat und der Lackschicht eine hohe Transmission erzielt.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung wird vor der Durchführung des Plasmaätzprozesses eine dünne Schicht mit einer mittleren Dicke zwischen 0,5 nm und 5 nm auf das Kunststoffsubstrat aufgebracht. Bei der dünnen Schicht kann es sich insbesondere um eine Oxidschicht, eine Nitridschicht oder eine Fluoridschicht handeln. Beispielsweise kann die dünne Schicht Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Titanoxid oder Magnesiumfluorid enthalten.
Das Aufbringen der dünnen Schicht vor der Durchführung des Plasmaätzprozesses hat den Vorteil, dass sich die erforderliche Dauer des Plasmaätzprozesses zur Erzeugung einer Oberflächenstruktur mit einer geeigneten Tiefe von mehr als 50 nm verringert. Insbesondere können auf diese Weise Oberflächenstrukturen mit der erforderlichen Tiefe auch auf Kunststoffsubstraten erzeugt werden, bei denen dies ansonsten nicht ohne Weiteres oder nur mit einer langen Prozessdauer möglich wäre.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt die Dauer des Plasmaätzprozesses zwischen 150 Sekunden und 1500 Sekunden.
Der Plasmaätzprozess wird vorzugsweise bei einem Druck von weniger als 1 × 10^-3 mbar durchgeführt. Das verwendete Prozessgas enthält vorzugsweise Sauerstoff, durch den die Oberfläche des Kunststoffsubstrats 1 vorteilhaft bei dem Plasmaätzprozess gleichzeitig chemisch aktiviert wird.
Es wird weiterhin ein Kunststoffsubstrat mit einer Lackschicht angegeben, das mit dem zuvor beschriebenen Verfahren herstellbar ist.
Die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen gelten auch für das Kunststoffsubstrat und umgekehrt. Insbesondere weist das Kunststoffsubstrat an der Grenzfläche zur Lackschicht eine Oberflächenstruktur auf, die sich bis in eine Tiefe von mindestens 50 nm in das Kunststoffsubstrat hinein erstreckt. Besonders bevorzugt erstreckt sich die Oberflächenstruktur bis in eine Tiefe von mindestens 100 nm in das Kunststoffsubstrat hinein.
Die Lackschicht kann vorteilhaft beim Aufbringen im flüssigen Zustand auf die Oberflächenstruktur ganz oder zumindest teilweise in die Oberflächenstruktur eindringen, wodurch die Grenzfläche zwischen der Lackschicht und dem Kunststoffsubstrat im Vergleich zum Aufbringen der Lackschicht auf ein unbehandeltes Kunststoffsubstrat wesentlich vergrößert. Bevorzugt erstreckt sich das Material der Lackschicht bis in eine Tiefe von mindestens 50 nm, besonders bevorzugt bis in eine Tiefe von mindestens 100 nm, in die Oberflächenstruktur hinein. Aufgrund der strukturierten Grenzfläche zwischen dem Kunststoffsubstrat und der Lackschicht ändert sich der Brechungsindex an der Grenzfläche nicht sprunghaft, sondern kontinuierlich über einen Bereich, welcher der Tiefe der Oberflächenstruktur entspricht.
Bei dem Kunststoffsubstrat handelt es sich vorzugsweise um ein optisches Element. Das optische Element kann beispielsweise eine Linse, insbesondere ein Brillenglas, sein. Die Lackschicht kann insbesondere die Funktion eines Hartlacks haben, durch den insbesondere die Kratzfestigkeit der Oberfläche verbessert wird. Dadurch, dass die Oberflächenstruktur bei dem Kunststoffsubstrat Strukturen aufweist, die kleiner als die Wellenlänge sichtbaren Lichts sind, wird die Transmission des Kunststoffsubstrats von der Oberflächenstruktur nicht oder nur unwesentlich beeinträchtigt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den 1A bis 1E näher erläutert.
Es zeigen:

1A bis 1E eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens zur Herstellung einer Kunststoffsubstrats mit einer Lackschicht anhand von Zwischenschritten.

Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
Wie in 1A dargestellt, wird bei einem vorteilhaften, aber nicht zwingend erforderlichem ersten Zwischenschritt des Verfahrens eine dünne Schicht 2 auf ein Kunststoffsubstrat 1 aufgebracht. Das Kunststoffsubstrat 1 weist beispielsweise Polycarbonat, ein Cycloolefin-Polymer, Polyethersulfon, Polyetherimid, Polyamid, PET, PMMA oder Polyallyldiglycolcarbonat (CR39) auf.
Die dünne Schicht 2, die auf das Kunststoffsubstrat 1 aufgebracht wird, ist vorzugsweise eine Oxidschicht, eine Nitridschicht oder eine Fluoridschicht. Insbesondere sind dünne Schichten aus TiO₂, SiO₂, MgF₂ oder aus einem Siliziumnitrid geeignet. Bei der dünnen Schicht 2 handelt es sich vorzugsweise um eine inselförmige Schicht, das heißt um eine Schicht, deren Wachstum derart im Anfangsstadium unterbrochen wurde, dass die Schicht noch nicht zu einer kontinuierlichen Schicht zusammengewachsen ist.
Die dünne Schicht 2 weist bevorzugt eine Dicke zwischen 0,5 nm und 5 nm auf. Unter der Dicke der dünnen Schicht 2 wird dabei, da es sich bei der dünnen Schicht 2 insbesondere um eine inselförmige Schicht handeln kann, eine über die Oberfläche des Kunststoffsubstrats 1 gemittelte Dicke verstanden. Die mittlere Dicke der dünnen Schicht 2 kann beim Aufwachsen beispielsweise mit einem kalibrierten Schwingquarzmesssystem bestimmt werden, wobei die mittlere Schichtdicke aus der auf das Substrat aufgebrachten Masse berechnet wird. Die mittlere Dicke der inselförmigen dünnen Schicht entspricht der Dicke einer geschlossenen gleichmäßig dicken Schicht, die die gleiche Masse wie die tatsächlich aufgebrachte inselförmige Schicht aufweist.
Das Aufbringen der dünnen Schicht 2 auf das Kunststoffsubstrat 1 erfolgt beispielsweise durch Vakuumbedampfung aus einer Verdampfungsquelle 3. Insbesondere kann es sich bei der Verdampfungsquelle 3 um eine Elektronenstrahlverdampfungsquelle oder um eine thermische Verdampfungsquelle handeln.
Alternativ können auch andere PVD-Verfahren zum Aufbringen der dünnen Schicht 2 eingesetzt werden. Insbesondere ist das Aufbringen durch Sputtern, zum Beispiel durch reaktives Magnetronsputtern, geeignet. Das Aufbringen der dünnen Schicht 2 mittels Sputtern hat den Vorteil, dass auch vergleichsweise große Flächen eines Kunststoffsubstrats 1 homogen mit der dünnen Schicht 2 beschichtet werden können. Beispielsweise ist es möglich, auch größere Kunststoffsubstrate mit einer Größe von beispielsweise 50 cm × 50 cm oder mehr zu beschichten.
Wie in 1B dargestellt, wird nach dem Aufbringen der dünnen Schicht 2 auf das Kunststoffsubstrat 1 ein Plasmaätzprozess zur Erzeugung einer Oberflächenstruktur 6 an der Oberfläche des Kunststoffsubstrats 1 durchgeführt. Zur Erzeugung des Plasmas wird beispielsweise eine Plasmaionenquelle 4 eingesetzt. Insbesondere kann es sich bei dem Plasma um ein Argonplasma handeln, dem Sauerstoff zugeführt wird. In dem Plasma 5 werden hochenergetische Ionen zum Kunststoffsubstrat 1 hin beschleunigt und erzeugen auf diese Weise die Oberflächenstruktur 6. Eine geeignete Plasmaionenquelle 4 und zur Durchführung des Plasmaätzprozesses geeignete Betriebsparameter sind beispielsweise aus der Druckschrift DE 10241708 B4 bekannt und werden daher an dieser Stelle nicht näher erläutert. Anstelle dieser im Stand der Technik beschriebenen Plasmaionenquelle, die typischerweise in Vakuumbedampfungsanlagen zur thermischen und/oder Elektronenstrahlverdampfung eingesetzt wird, kann der Plasmaätzprozess auch mit anderen Plasmaquellen durchgeführt werden. Zum Beispiel ist auch eine Hochfrequenz-Plasmaquelle geeignet, die als Ätzstation in einer Sputteranlage angeordnet sein kann.
Es hat sich vorteilhaft herausgestellt, dass sich die erforderliche Dauer des Plasmaätzprozesses durch das vorherige Aufbringen der dünnen Schicht 2 im Vergleich zu dem in der zuvor genannten Druckschrift beschriebenen Verfahren vorteilhaft verkürzt. Insbesondere kann die Dauer des Plasmaätzprozesses 400 s oder weniger, bevorzugt 300 s oder weiniger, betragen. Vorzugsweise beträgt die Dauer des Plasmaätzprozesses zwischen 150 s und 1500 s.
Durch den Plasmaätzprozess wird an der Oberfläche des Kunststoffsubstrats 1 die Oberflächenstruktur 6 erzeugt. Die zuvor aufgebrachte dünne Schicht 2 kann bei dem Plasmaätzprozess ganz oder teilweise von der Oberfläche des Kunststoffsubstrats 1 abgetragen werden.
Wie in 1C dargestellt, erstreckt sich die Oberflächenstruktur 6 von der Oberfläche des Kunststoffsubstrats 1 bis in eine Tiefe t in das Kunststoffsubstrat 1 hinein, wobei die Tiefe t mindestens 50 nm, besonders bevorzugt mindestens 100 nm, beträgt. Durch den Plasmaätzprozess sind an der Oberfläche des Kunststoffsubstrats 1 eine Vielzahl von Erhebungen 7 und dazwischen angeordnete Vertiefungen 8 erzeugt worden. Die Erhebungen 7 weisen im Mittel eine Breite b auf, die vorzugsweise zwischen 10 nm und 120 nm beträgt.
Bei dem in 1D dargestellten Zwischenschritt ist auf die Oberflächenstruktur 6 des Kunststoffsubstrats 1 eine Lackschicht 9 aufgebracht worden. Geeignete Lacke, insbesondere für ein Kunststoffsubstrat 1 aus Polycarbonat, sind beispielsweise die Lacke PHC587, SHP401/AS4000, UVHC3000 und UVHC7000 von der Firma Momentive Performance Materials Inc., LS123, LPC1000/LT4000 (Lensgard I), LTC5000 (Lensgard II) und LUC7000 (Lensgard III) von der Firma Rohm & Haas Company, sowie Acryplex 100 PSR 100SR von der Firma Degussa.
Die Lackschicht 9 wird vorzugsweise in flüssiger Form auf die mit dem Plasmaätzprozess strukturierte Oberfläche des Kunststoffsubstrats 1 aufgebracht. Das Aufbringen der Lackschicht 9 kann beispielsweise durch Tauchen, Fluten oder Sprühen erfolgen. Vorzugsweise wird die Beschichtung des Kunststoffsubstrats 1 mit der Lackschicht 9 unmittelbar nach der Strukturierung mittels des Plasmaätzprozesses durchgeführt.
Nachfolgend wird die Lackschicht 9, wie in 1E dargestellt, ausgehärtet. Das Aushärten kann beispielsweise durch Bestrahlen mit UV-Strahlung oder Elektronen oder durch Tempern erfolgen. Alternativ kann die Lackschicht 9 auch ohne weitere Einwirkungen durch Lagerung ausgehärtet werden.
Die in flüssiger Form auf die Oberflächenstruktur 6 aufgebrachte Lackschicht 9 dringt vorteilhaft in die Vertiefungen 8 der Oberflächenstruktur 6 ein, sodass sich die Lackschicht 9 nach dem Aufbringen bis in die Tiefe der Oberflächenstruktur 6 in das Kunststoffsubstrat 1 hinein erstreckt. Die Lackschicht 9 erstreckt sich vorzugsweise mindestens bis in eine Tiefe von 50 nm, bevorzugt bis in eine Tiefe von mindestens 100 nm, in das Kunststoffsubstrat 1 hinein.
Aufgrund der an der Oberfläche des Kunststoffsubstrats 1 erzeugten Oberflächenstruktur 6 ist die Grenzfläche 10 zwischen dem Kunststoffsubstrat 1 und der Lackschicht 9 im Vergleich zum Aufbringen der Lackschicht 9 auf ein unstrukturiertes Kunststoffsubstrat 1 um ein Vielfaches vergrößert. Es hat sich herausgestellt, dass die Haftung der Lackschicht 9 auf dem Kunststoffsubstrat 1 durch die mittels des Plasmaätzprozesses erzeugte Oberflächenstruktur 6 erheblich verbessert werden kann. Dadurch, dass die Tiefe der Oberflächenstruktur 6 und die Breite der Erhebungen 7 kleiner als die Wellenlänge sichtbaren Lichts sind, ist die Oberflächenstruktur 6 nicht sichtbar. Insbesondere wird die Transmission des beschichteten Kunststoffsubstrats 1 im Vergleich zu einem unstrukturierten mit der Lackschicht 9 beschichteten Kunststoffsubstrat 1 nicht wesentlich, bevorzugt um weniger als 1 %, vermindert.
Die Lackschicht 9 kann insbesondere die Funktion einer Hartschicht auf dem Kunststoffsubstrat 1 aufweisen, um beispielsweise die Kratzfestigkeit der Oberfläche des Kunststoffsubstrats 1 zu verbessern. Bei dem Kunststoffsubstrat 1 kann es sich insbesondere um ein optisches Element, beispielsweise eine Linse, handeln. Das Kunststoffsubstrat 1 kann beispielsweise ein Brillenglas sein.
Das in den 1A bis 1E schematisch dargestellte Verfahren wurde in zwei Versuchen experimentell erprobt.
Bei dem ersten Versuch wurde ein Kunststoffsubstrat 1 aus Polycarbonat in eine Vakuum-Bedampfungsanlage eingebracht. Die Vakuum-Bedampfungsanlage wurde auf einen Druck von 2 × 10^-5 mbar evakuiert und nachfolgend mittels Elektronenstrahlverdampfung eine dünne Schicht 2 aus Titanoxid mit einer Dicke von etwa 1,5 nm aufgebracht. Danach wurde das mit der dünnen Schicht 2 beschichtete Kunststoffsubstrat 1 für eine Dauer von 1000 Sekunden einem Plasmaätzprozess ausgesetzt. Zur Durchführung des Plasmaätzprozesses wurde eine Plasmaionenquelle vom Typ APS (Leybold Optics) verwendet. Als Prozessgase zur Durchführung des Plasmaätzprozesses wurden Argon und Sauerstoff in einem Verhältnis 1:2 in die Vakuumkammer eingelassen, bis sich ein Druck von 5 × 10^-4 mbar eingestellt hat und nachfolgend das Plasma gezündet. Die Zündung des Plasmas erfolgte mit einem Entladestrom von 50 A und einer Bias-Spannung von 120 V. Nach der Durchführung des Plasmaätzprozesses wurde das Kunststoffsubstrat 1 aus der Vakuumanlage entfernt und durch Aufschleudern ein Hartlack auf das mittels des Plasmaätzprozesses strukturierte Kunststoffsubstrat 1 aufgebracht. Als Hartlack wurde der unter der Bezeichnung UVHC3000 von der Firma Momentive Performance Materials Inc. erhältliche Lack verwendet.
Nach dem Aufbringen der Lackschicht 9 wurde diese in einem Umluftofen zur vollständigen Entfernung des in der Lackschicht 9 enthaltenen Lösungsmittels getrocknet. Die Trocknung in dem Umluftofen kann beispielsweise mit einer Zeitdauer von etwa zwei bis sechs Minuten erfolgen. Nachfolgend wurde eine UV-Härtung mit einem Hg-Strahler mit 125 W/cm² durchgeführt, sodass die UV-A-Energiemenge etwa 6 bis 12 J/cm² beträgt.
Die Haftfestigkeit der Lackschicht 9 wurde nachfolgend gemäß der Norm ISO 2409 durch Klebebandabriss und Klebebandabriss am Gitterschnitt nach mindestens einer Stunde Lagerung in ca. 100 °C warmem Wasser getestet. Dabei hat sich herausgestellt, dass die Haftung der Lackschicht 9 erheblich besser ist als auf einem zum Vergleich herangezogenen Kunststoffsubstrat, das nicht mit dem Plasmaätzprozess vorbehandelt wurde.
Bei einem weiteren Versuch wurde ein Kunststoffsubstrat aus CR39 in eine Vakuum-Bedampfungsanlage eingebracht und nach dem Evakuieren der Vakuum-Bedampfungsanlage auf einen Druck von 2 × 10^-5 mbar durch Elektronenstrahlverdampfung eine Schicht aus Titanoxid mit einer Dicke von etwa 1,5 nm aufgebracht. Das Kunststoffsubstrat wurde daraufhin für eine Zeitdauer von 300 Sekunden mit einem Plasmaätzprozess behandelt. Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel wurde zur Durchführung des Plasmaätzprozesses eine Plasmaionenquelle vom Typ APS (Leybold Optics) verwendet. Als Prozessgase wurden Argon und Sauerstoff in einem Verhältnis 1:2 in die Vakuumkammer eingelassen, bis sich ein Druck von 5 × 10^-4 mbar eingestellt hat, und nachfolgend das Plasma gezündet. Der Plasmaätzprozess wurde mit einem Entladestrom von 50 A und einer Bias-Spannung von 120 V durchgeführt.
Bei dem Kunststoffsubstrat 1 aus CR39 kann auf das Aufbringen der dünnen Schicht 2 vor der Durchführung des Plasmaätzprozesses verzichtet werden. In diesem Fall erhöht sich aber die Dauer des Plasmaätzprozesses auf 500 Sekunden.
Nach der Durchführung des Plasmaätzprozesses wurde auf das strukturierte Kunststoffsubstrat 1 aus CR39 ein UV-härtender Lack vom Typ Zipcone UA von Gelest Inc. aufgebracht. Seine Hauptbestandteile sind Polyacryloxypropylmethyl-Silixan (> 95%) und als Photoinitiator 2-hydroy-2-methyl-1-phenyl-1-propanon (< 5%). Der Lack wurde durch UV-Härtung mit einem Hg-Strahler mit 80 W/cm² für 40 Sekunden ausgehärtet.
Die Haftfestigkeit der Lackschicht 9 wurde nachfolgend gemäß der Norm ISO 2409 durch Klebebandabriss und Klebebandabriss am Gitterschnitt nach mindestens einer Stunde Lagerung in ca. 100 °C warmem Wasser getestet. Dabei hat sich herausgestellt, dass die Haftung der Lackschicht 9 auf dem mittels des hierin beschriebenen Verfahrens strukturierten Kunststoffsubstrats 1 aus CR39 erheblich besser ist als bei einem zum Vergleich herangezogenen Kunststoffsubstrat 1 aus unbehandeltem CR39.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffsubstrats (1) mit einer Lackschicht (9), bei dem mittels eines Plasmaätzprozesses eine Oberflächenstruktur (6) in dem Kunststoffsubstrat (1) erzeugt wird, wobei sich die Oberflächenstruktur (6) bis in eine Tiefe von mindestens 50 nm in das Kunststoffsubstrat (1) hinein erstreckt und eine Vielzahl von Erhebungen (7) aufweist, die im Mittel eine Breite zwischen 10 nm und 120 nm aufweisen, und nachfolgend die Lackschicht (9) in flüssiger Form auf die Oberflächenstruktur (6) aufgebracht und nach dem Aufbringen ausgehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich die Oberflächenstruktur (6) bis in eine Tiefe von mindestens 100 nm in das Kunststoffsubstrat (6) hinein erstreckt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor der Durchführung des Plasmaätzprozesses eine dünne Schicht (2) mit einer mittleren Dicke zwischen 0,5 nm und 5 nm auf das Kunststoffsubstrat (1) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die dünne Schicht (2) eine Oxidschicht, eine Nitridschicht oder eine Fluoridschicht ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Plasmaätzprozess bei einem Druck von weniger als 1 × 10^-3 mbar durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Plasmaätzprozesses mit einer Dauer zwischen 150 s und 1500 s durchgeführt wird.
Kunststoffsubstrat mit einer Lackschicht, wobei das Kunststoffsubstrat (1) an der Grenzfläche (10) zur Lackschicht (9) eine Oberflächenstruktur (6) aufweist, die sich bis in eine Tiefe von mindestens 50 nm in das Kunststoffsubstrat (1) hinein erstreckt und eine Vielzahl von Erhebungen (7) aufweist, die im Mittel eine Breite zwischen 10 nm und 120 nm aufweisen.
Kunststoffsubstrat nach Anspruch 7, wobei sich die Oberflächenstruktur (6) bis in eine Tiefe von mindestens 100 nm in das Kunststoffsubstrat (1) hinein erstreckt.
Kunststoffsubstrat nach Anspruch 7 oder 8, wobei sich das Material der Lackschicht (9) bis in eine Tiefe von mindestens 50 nm in die Oberflächenstruktur (6) hinein erstreckt.
Kunststoffsubstrat nach Anspruch 9, wobei sich das Material der Lackschicht (9) bis in eine Tiefe von mindestens 100 nm in die Oberflächenstruktur (6) hinein erstreckt.