DE102015014291A1

DE102015014291A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Polymer-Formteilen aus Polymeren mit Formgedächtnis- oder thermoresponsiven Eigenschaften

Info

Publication number: DE102015014291A1
Application number: DE102015014291.7A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Pretsch; Thomas Büsse
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2015-11-06
Filing date: 2015-11-06
Publication date: 2017-05-11
Anticipated expiration: 2035-11-07
Also published as: DE102015014291B4

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Polymer-Formteilen aus thermoresponsiven Polymeren mit Formgedächtniseigenschaften vorgeschlagen, welches die folgenden Schritte umfasst: (a) Extrudieren des Polymers und Kalibrieren des Extrudates zu einem, insbesondere folienförmigen, Endlosstrang; (c) zumindest teilweises Verformen des Endlosstrangs bei einer Temperatur oberhalb der Schalttemperatur des Polymers; (d) Abkühlen des verformten Endlosstrangs auf eine Temperatur unterhalb der Schalttemperatur des Polymers; und (e) Ablängen des verformten Endlosstrangs unter Erhalt der Polymer-Formteile. In einem zusätzlichen Schritt (b) kann der Endlosstrang insbesondere mit einem Aufdruck, wie einem Code, versehen werden, welcher vorzugsweise im nachfolgenden Schritt (c) zumindest teilweise verformt wird. Die Erfindung betrifft ferner eine zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignete Vorrichtung zur Herstellung derartiger Polymer-Formteile, z. B. in Form von Informationsträgern.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Polymer-Formteilen aus Polymeren mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften. Sie bezieht sich ferner auf eine zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignete Vorrichtung zur Herstellung von Polymer-Formteilen aus Polymeren mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften.
Bei sogenannten Formgedächtnispolymeren handelt es sich um Polymere, welche üblicherweise aus wenigstens zwei Polymerkomponenten oder insbesondere aus einer Polymerkomponente mit verschiedenen Segmenten bestehen. Dabei handelt es sich einerseits um „harte” Segmente, welche auch als Netzpunkte fungieren. Andererseits handelt es sich um „weiche” Segmente, welche die Netzpunkte miteinander verbunden und auch als Schaltsegmente bezeichnet werden und bei hohen Temperaturen elastisch sind (sie liegen in diesem Fall in amorpher Form vor), während sie bei niedrigen Temperaturen starr sind (sie liegen in diesem Fall in teilkristalliner oder verglaster Form vor). Derartige Polymere lassen sich hinsichtlich ihrer Formgebung programmieren, indem sie auf eine Temperatur erwärmt werden, welche wenigstens der sogenannten Schalttemperatur entspricht, bei welcher der Phasenübergang (Glasübergang bzw. Schmelzübergang) der Weich- bzw. Schaltsegmente stattfindet. Bei einer solchen Temperatur wird das Polymer dann verformt, wonach es auf seine sogenannte Formfixierungstemperatur abgekühlt wird, welche der Kristallisationstemperatur bzw. Glasübergangstemperatur der Weich- oder Schaltsegmente entspricht und im Bereich der Schalttemperatur liegen kann, aber demgegenüber üblicherweise zumindest etwas geringer ist. Die Weich- bzw. Schaltsegmente liegen dann wieder in teilkristalliner bzw. verglaster Form vor, so dass die Formgebung erhalten bleibt. Diese Formgebung ist indes insoweit nur temporär, als wenn ein solchermaßen „programmiert” mechanisch verformtes Formgedächtnispolymer auf eine bestimmte Temperatur, nämlich auf seine Schalttemperatur, erwärmt wird, die weichen Segmente (Schaltsegmente) wieder in ihre amorphe Form überführt werden, so dass sie dem durch die harte Komponente (Netzpunkte) induzierte Rückstellkraft nicht mehr entgegenwirken können und das Formgedächtnispolymer wieder seine ursprünglich Form einnimmt, die mechanische Verformung also „rückgängig” gemacht wird. Neben einem solchen Formgedächtnis können thermoresponsive Polymere auch ein Temperaturgedächtnis aufweisen. Hierunter wird verstanden, dass bei einem Auslösen des Formgedächtniseffektes die Formrückstellung etwa bei derjenigen Temperatur einsetzt, bei welcher zuvor die mechanische Verformung in das Material eingebracht worden ist.
Ein derartiges Materialverhalten weisen beispielsweise Polymere mit semikristallinen Netzwerkstrukturen auf, wie thermoplastische Polyurethan-Elastomere (N. Fritzsche, T. Pretsch in Macromolecules 47, 2014, 5952–5959; N. Mirtschin, T. Pretsch in RSC Advances 5, 2015, 46307–46315).
Ein Anwendungsgebiet für derartige Polymere mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften besteht beispielsweise in verschiedenen medizinischen Anwendungen einschließlich Bandagen, Kompressen, Einlegesohlen und dergleichen, aber auch in Gebrauchsgegenständen, wie Geschirr, Spielzeug, Schnuller, Textilien, Matratzen, Schläuchen, Spindeln und dergleichen. Ein besonders interessantes Anwendungsgebiet liegt dabei in Informationsträgern zur fälschungssicheren Kennzeichnung von Waren, um deren Echtheit zu Überprüfen, wobei man es sich z. B. zunutze macht, dass ein auf die Waren aufgebrachter, beispielsweise maschinenlesbarer und/oder anderweitig optisch eindeutig identifizierbarer, Code erst dann sichtbar bzw. lesbar wird, wenn der aus solchen Polymeren gefertigte Informationsträger auf deren Schalttemperatur erwärmt wird, nachdem er zuvor mittels der oben beschriebenen Programmierung (temporär) verformt worden ist. Nach ihrer Verarbeitung verfügen derartige Polymer-Formteile, wie Informationsträger oder auch beliebige andere Formteile, wie z. B. der oben genannten Art, nämlich über ein Form- und/oder Temperaturgedächtnis, wobei neben einer Thermoresponsivität beispielsweise auch thermochrome Eigenschaften zur Verfügung gestellt werden können, sofern das Polymer-Formteil mit entsprechenden thermochromen Farbstoffen oder Pigmenten bedruckt oder versetzt worden ist. Im Falle von Informationsträgern lässt sich die Echtheit dann zusätzlich anhand eines Farbumschlags bei der entsprechenden Farbänderungstemperatur nachweisen; im Falle von beliebigen anderen Formteilen erzielt man hierdurch einen besonderen Effekt. Ebenfalls lassen sich beispielsweise mittels Leuchtpigmenten Eigenschaften erzeugen, welche in ästhetischer Hinsicht erwünscht sein können und insbesondere auch nur schwer reproduzierbar sind, so dass sie im Falle von Polymer-Formteilen in Form von Informationsträgern für eine noch weitergehende Fälschungssicherheit sorgen. Darüber hinaus können derartige Polymer-Formteile auch mit magnetoresponsiven oder elektroaktiven Additiven, insbesondere in feinpartikulärer Form, versetzt oder können solche auf dieselben aufgetragen werden, wodurch sich insbesondere ein weiteres Sicherheitsmerkmal dadurch gewährleisten lässt, dass ein solchermaßen ausgestalteter Informationsträger z. B. eine durch induktive Erwärmung ausgelöste Formänderung zeigt, nachdem seine Polymermatrix aus den Polymeren mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften mit solchen Additiven versetzt und/oder beschichtet und anschließend programmiert worden ist.
Das Hauptproblem solcher funktionaler oder auch multifunktionaler Materialsysteme besteht gegenwärtig allerdings darin, dass ihre Herstellung außerordentlich aufwändig und teuer ist, weshalb sie bislang in der Praxis keinen Einsatz gefunden haben. Im Stand der Technik (vgl. z. B. T. Pretsch, M. Ecker, M. Schildhauer, M. Maskos in J. Mater Chem. 22, 2012, 7757–7766; N. Fritzsche, T. Pretsch in Macromolecules 47, 2014, 5952–5959; M. Ecker, T. Pretsch in RSC Advances 4, 2014, 286–292; M. Ecker, T. Pretsch in RSC Advances 4, 2014, 46680–46688) werden verschiedene Verfahren zur Herstellung von Prototypen von Formteilen aus Polymeren mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften beschrieben, welche verschiedene, oft sehr zeitaufwändige Verfahrensschritte umfassen. So dienen hierbei beispielsweise etwa 2 mm dicke Plättchen aus Formgedächtnispolymeren als Ausgangsbasis für die Herstellung von als nach Art von Etiketten ausgestalteten Informationsträgern, welche mittels verschiedener Färbeverfahren mit einem grafischen Code versehen werden, wobei die Färbeverfahren einerseits auf Diffusionsprozessen beruhen, bei welchen eine Farbstofflösung in die Polymermatrix eindiffundiert und das Lösungsmittel anschließend verdampft wird, oder die Plättchen aus dem Formgedächtnispolymer werden mit Lösungen bzw. Pasten aus demselben Formgedächtnispolymer beschichtet. Um ein multifunktionales Materialsystem zu erhalten, können hierzu thermochrome Farbstoffe eingesetzt werden (vgl. auch DE 10 2011 054 925 A1 ). Nach der Färbung wird auf die gefärbte Oberfläche der Plättchen aus dem Formgedächtnispolymer eine Gravur, insbesondere mittels eines Kohlendioxid-Lasers, aufgebracht, wonach die thermomechanische Behandlung mittels einer Zugprüfmaschine in einer Thermokammer durchgeführt wird, um das Formgedächtnispolymer oberhalb seiner Schalttemperatur zu verformen und sodann bis unterhalb seiner Formfixierungstemperatur abzukühlen, um es hinsichtlich seiner (temporären) Formgebung zu programmieren. Neben der fälschungssicheren Kennzeichnung von Waren wird als potenzielles Einsatzgebiet derartiger Informationsträger auch die Überwachung von Kühlketten vorgeschlagen (N. Fritzsche, T. Pretsch in Macromolecules 47, 2014, 5952–5959; vgl. auch DE 10 2014 104 901 A1 ), wobei die Schalttemperatur des Formgedächtnispolymers in diesem Fall in einem Bereich liegt, welcher zur Sicherstellung einer ununterbrochenen Kühlkette nicht überschritten werden darf.
Als problematisch hat sich neben den einzelnen aufwändigen Verfahrensschritten zudem herausgestellt, dass die morphologischen Eigenschaften der eingesetzten Polymere mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften wesentlich davon abhängen, wie viel Zeit vergeht, bis es zu der jeweiligen Weiterverarbeitung der eingesetzten Plättchen aus Formgedächtnispolymeren in einem nachfolgenden Verfahrensschritt kommt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Polymer-Formteilen, wie insbesondere – wenn auch nicht ausschließlich – Informationsträgern, aus Polymeren mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften vorzuschlagen, welche(s) unter zumindest weitgehender Vermeidung der oben genannten Nachteile eine wirtschaftliche Serienfertigung solcher Polymer-Formteile ermöglicht und insbesondere auch die Möglichkeit eröffnen sollte, multifunktionale Materialsysteme zu erzeugen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, welches die folgenden Schritte umfasst:

(a) Extrudieren wenigstens eines Polymers mit Formgedächtnis- und/oder thermoresponsiven Eigenschaften und Kalibrieren des Extrudates zu einem, insbesondere im Wesentlichen folienförmigen, Endlosstrang;
(c) zumindest teilweises Verformen des Endlosstrangs bei einer Temperatur, welche zumindest der Schalttemperatur des wenigstens einen Polymers mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften entspricht;
(d) Abkühlen des zumindest teilweise verformten Endlosstrangs zumindest auf die Formfixierungstemperatur des wenigstens einen Polymers mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften; und
(e) Ablängen des zumindest teilweise verformten Endlosstrangs unter Erhalt der Polymer-Formteile.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung ferner eine zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignete Vorrichtung der eingangs genannten Art vor, umfassend

(a) wenigstens einen Extruder, welcher zum Extrudieren wenigstens eines Polymers mit Formgedächtnis- und/oder thermoresponsiven Eigenschaften ist, mit einer dem Extruder nachgeordneten Kalibriereinrichtung, welche zur Bildung eines Endlosstrangs des Extrudates ausgebildet ist;
(b) wenigstens eine stromab der Kalibriereinrichtung des Extruders angeordnete Umformeinheit, welche zum zumindest teilweisen Verformen des Endlosstrangs ausgebildet ist; und
(d) wenigstens eine der Umformeinheit zugeordnete Temperiereinheit, welche einerseits zum Temperieren des Endlosstrangs auf eine Temperatur, welche zumindest der Schalttemperatur des wenigstens einen Polymers mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften entspricht, andererseits zum Temperieren des zumindest teilweise verformten Endlosstrangs auf eine Temperatur ausgebildet ist, welche zum Abkühlen desselben zumindest auf die Formfixierungstemperatur des wenigstens einen Polymers mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften ausgebildet ist.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ermöglicht eine kontinuierliche oder semikontinuierliche, großtechnische Serienherstellung von praktisch beliebigen Polymer-Formteilen aus Polymeren mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften bei relativ geringem Zeit- und Kostenaufwand, wobei die morphologischen Eigenschaften der Polymere mangels längerer Standzeiten derselben nicht beeinträchtigt werden und – wie weiter unten noch näher erläutert – ferner die Möglichkeit besteht, die Polymer-Formteile einerseits als fälschungssichere Informationsträger und/oder multifunktional auszugestalten, indem sie beispielsweise mit thermochromen Farbstoffen und/oder Pigmenten, mit Leuchtfarbstoffen und/oder -pigmenten oder dergleichen versehen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dabei zunächst den Schritt (a), anlässlich dessen z. B. ein entsprechendes Polymergranulat (beispielsweise ein thermoplastisches Polyurethan-Elastomer auf der Basis von Polyestern, welche teilkristalline Bereiche des Polyesterurethans und weiche Segmente des Elastomers aufweist) zu einem, insbesondere flächigen, z. B. etwa folienartigen, schlauchförmigen oder auch mit einem profilierten Querschnitt versehenen Endlosstrang extrudiert wird. Der unmittelbar oder vorzugsweise mittelbar (siehe unten) folgende Schritt (c) umfasst die Programmierung des Polymers zumindest in einem Teilbereich des Endlosstrangs, welcher zumindest einen Teil des später durch Ablängen erzeugten Polymer-Formteiles darstellt, indem er auf eine Deformationstemperatur, welche zumindest der Schalttemperatur des Polymers entspricht oder demgegenüber vorzugsweise zumindest geringfügig höher ist, verformt wird. Diese Verformung wird sodann im Schritt (d) durch Abkühlen des Endlosstrangs auf die Formfixierungstemperatur – üblicherweise unterhalb der Schalttemperatur – fixiert, womit eine Formfixierung bzw. ein „Erstarren” der Weich- bzw. Schaltsegmente des Polymers einhergeht. Im abschließenden Schritt (e) kann der Endlosstrang schließlich, insbesondere zwischen seinen (temporär) verformten Bereichen angeordneten Abschnitte, abgelängt werden, um die jeweils mit einem oder mehreren, derart verformten (Teil)bereichen ausgebildeten Polymer-Formteile zu erhalten.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zu letztgenanntem Zweck vorzugsweise

(e) wenigstens eine ihrer Umformeinheit nachgeordnete Schneideinrichtung aufweisen, welche zum Ablängen des zumindest teilweise verformten Endlosstrangs unter Erhalt der Polymer-Formteile ausgebildet ist,

Das Ablängen des fertig verformten Endlosstrangs zu den vereinzelten Polymer-Formteilen kann hierbei grundsätzlich auf beliebige bekannte Weise geschehen, wie beispielsweise mittels Schneidklingen, Wasserstrahlschneiden, Sandstrahlschneiden, Laserschneiden oder dergleichen. Vorzugsweise können die Polymer-Formteile dabei aus dem Endlosstrang ausgestanzt werden, was z. B. die Möglichkeit eröffnet, dass die Außenkontur des jeweiligen Polymer-Formteils durch eine entsprechende Form des Stanzwerkzeugs mehr oder minder frei wählbar ist und beispielsweise auch der restliche Endlosstrang aufgewickelt und in einfacher Weise, beispielsweise in einem Regenerationsschritt, rezykliert oder gegebenenfalls auch entsorgt werden kann. Die Schneideinrichtung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann zu diesem Zweck folglich vorzugsweise ein oder mehrere Stanzwerkzeug(e) umfassen.
Wie bereits angedeutet, kann in vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen sein, dass das Kalibrieren des Extrudates zu dem, beispielsweise im Wesentlichen flächigen bzw. folienförmigen, Endlosstrang gemäß Schritt (a) mittels Flachfolienextrudieren, Schlauchfolienextrudieren oder Kalandrieren erfolgt, so dass ein etwa folienförmiges Polymer-Formteil erhalten wird, was insbesondere zur Herstellung von zur fälschungssicheren Kennzeichnung von Waren dienenden Informationsträgern zweckmäßig sein kann, welche später in einfacher Weise auf das zu kennzeichnende Produkt aufgebracht, beispielsweise aufgeklebt, werden können. In vorrichtungstechnischer Hinsicht kann zu diesem Zweck mit Vorteil vorgesehen sein, dass es sich bei der Kalibriereinrichtung des Extruders um wenigstens eine Flachfoliendüse oder Schlauchfoliendüse und/oder um wenigstens einen Kalander handelt. Indes können zur Erzeugung von beliebigen anderen, mit einem vorgegebenen Querschnittsprofil ausgestalteten Formteilen selbstverständlich auch andersartige Extruderdüsen mit beliebigen Querschnitten einschließlich Düsenaggregaten vorgesehen sein, mit welchen beispielsweise auch Formteile in Form von Fasern erzeugt werden können, welche später in textilen Anwendungen einschließlich solcher für medizinisch/therapeutische Zwecke, wie Kompressen, Verbänden, Unterlagen von Tragen und dergleichen, zum Einsatz gelangen können.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass es nach dem Extrusionsschritt (a) den folgenden Schritt umfasst:

(b) Aufbringen wenigstens eines Aufdruckes, insbesondere in Form eines Codes, auf hintereinander angeordneten Abschnitte des Endlosstrangs,

Die fälschungssichere Kennzeichnung mittels solchermaßen erzeugter Informationsträger – sei es zur fälschungssicheren Kennzeichnung von Markenprodukten, z. B. zum Schutz vor Produktpiraterie, oder sei es zur Dokumentation einer lückenlosen Kühlkette bei Lebensmittel etc. – besteht darin, dass der Code insbesondere dann, wenn das Polymermaterial des Informationsträgers wieder auf die jeweilige Schalttemperatur erwärmt wird, wieder lesbar wird, weil das Polymermaterial wieder seine ursprüngliche Form vor der – in diesem Fall temporären – Umformung gemäß Schritt (c) einnimmt, wodurch beispielsweise angezeigt werden kann, dass es sich bei der gekennzeichneten Ware um Originalware handelt oder dass die Kühlkette unterbrochen worden ist (sofern die Schalttemperatur entsprechend der erlaubten Höchsttemperatur innerhalb der Kühlkette gewählt worden ist).
In diesem Zusammenhang kann in vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen sein, dass das Aufbringen des wenigstens einen Aufdruckes, wie vorzugweise in Form eines Codes, auf den Endlosstrang gemäß Schritt (b) dadurch erfolgt, indem auf dem Endlosstrang Farbstoffe und/oder Pigmente in einem dem Aufdruck entsprechenden Muster abgeschieden werden, wobei die Farbstoffe und/oder Pigmente in einem Lösungsmittel oder in einer Polymerlösung, insbesondere aus demselben wenigstens einen Polymer mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften, gelöst werden. Auf diese Weise können im Wesentlichen zweidimensionale, flächige Aufdrucke einschließlich Codes, insbesondere maschinenlesbare Codes der oben genannten Art, auf den Endlosstrang aufgebracht werden, wobei im letztgenannten Fall die Polymerlösung mit den Farbstoffen und/oder Pigmenten beispielweise in im Wesentlichen pastenartiger Form aufgebracht werden kann.
Handelt es sich bei den Farbstoffen und/oder Pigmenten um thermochrome Farbstoffe und/oder Pigmente, so kann den Polymer-Formteilen in einfacher Weise auch eine Multifunktionalität verliehen werden, indem nicht nur die Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften des Polymermaterials des Formteils selbst, sondern auch die thermochromen Farbstoffe einen spezifischen Effekt bewirken, wobei sie bei Formteilen in Form von Informationsträgern insbesondere zusätzlich zur eindeutigen und fälschungssicheren Kennzeichnung beitragen können. Handelt es sich um Leuchtfarbstoffe und/oder -pigmente, wie beispielsweise unter Tageslicht, UV-Licht oder Schwarzlicht leuchtenden Farbstoffen/Pigmenten, Nachleuchtpigmente oder dergleichen, kann ebenfalls sowohl lediglich ein aus ästhetischen Gründen erwünschter optischer Effekt als auch insbesondere ein zusätzliches fälschungssicheres Merkmal erzeugt werden. Folglich können z. B. in einem Lösungsmittel oder auch in einer Polymerlösung bzw. -paste enthaltene thermochrome Farbstoffe bzw. Pigmente und/oder Leuchtfarbstoffe und/oder -pigmente auf dem Endlosstrang abgeschieden werden, so dass die hierdurch erzeugten Aufdrucke bzw. Codes verschiedene Informationen in sich tragen, wie einerseits die Form des (verformten) Aufdruckes/Codes selbst, andererseits seine temperatur- oder bestrahlungsabhängige Farbgebung in Abhängigkeit der Funktionalität der eingesetzten Farbstoffe und/oder Pigmente. Werden Mischungen von thermochromen Farbstoffen und/oder Pigmenten eingesetzt, lassen sich zudem bei Anlegen eines Temperaturgradienten über deren verschiedene Farbumschlagstemperaturen mehrere Farbumschläge beobachten, was zu zusätzlichen optischen Wirkungen sowie insbesondere auch zur Fälschungssicherheit von Informationsträgern beizutragen vermag.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Aufbringen des wenigstens einen Aufdruckes, vorzugsweise in Form eines Codes, auf den Endlosstrang gemäß Schritt (b) dadurch erfolgt, indem eine dem Aufdruck entsprechende dreidimensionale Struktur aus dem wenigstens einen Polymer mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften abgeschieden wird. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, indem das auf den Endlosstrang abgeschiedene Polymer der vorgenannten Art mittels eines 3D-Druckers aufgedruckt wird.
Auch in diesem Fall kann es sich hinsichtlich der Erzeugung einer Multifunktionalität anbieten, dass das zum Abscheiden der dreidimensionalen Struktur eingesetzte Polymer mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften mit, insbesondere thermochromen und/oder leuchtenden, Farbstoffen und/oder Pigmenten versetzt wird.
Eine zur Durchführung eines derart ausgestalteten Verfahrens geeignete Vorrichtung umfasst folglich ferner

(b) wenigstens eine der Kalibriereinrichtung des Extruders nachgeordnete Druckeinheit, welche zum Aufbringen wenigstens eines Aufdruckes, insbesondere in Form eines Codes, wie beispielsweise eines solchen der vorgenannten Art, auf hintereinander angeordnete Abschnitte des Endlosstrangs ausgebildet ist,

Der Vollständigkeit halber sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass der das Aufbringen des Aufdruckes – sei es ein Code oder sei es ein auch nur dekorativer Aufdruck – umfassende Verfahrensschritt (b) nicht notwendigerweise ein einstufiger Verfahrensschritt sein muss, sondern ist beispielsweise auch ein zwei- oder mehrstufiges Aufbringen eines solchen Aufdruckes dadurch möglich, dass die Farbstoffe und/oder Pigmente zunächst im Wesentlichen flächig auf den Endlosstrang aufgebracht werden, wonach aus dem flächigen Auftrag der Aufdruck bzw. Code erzeugt wird, wie beispielsweise mittels Lasergravieren oder dergleichen. Die Druckeinheit einer entsprechenden Vorrichtung umfasst in diesem Fall eine Beschichtungseinheit zum Aufbringen der Farbstoffe und/oder Pigmente – sei es in Form von Beschichtungswalzen, Sprüheinrichtungen oder beliebiger anderer, aus dem Stand der Technik bekannter Beschichtungseinrichtungen – sowie eine der Beschichtungseinheit nachgeordnete Lasergravureinheit, welche zum Erzeugen des Aufdruckes/Codes durch diskreten Abtrag und/oder Veränderung der Beschichtung dient.
Gemäß einer Weiterbildung kann überdies vorgesehen sein, dass den während des Aufbringens eines Aufdruckes gemäß Schritt (b) auf dem Endlosstrang abgeschiedenen Farbstoffen und/oder Pigmenten wenigstens ein pulver- oder partikelförmiges Additiv zugesetzt wird, wobei das wenigstens eine Additiv insbesondere aus der Gruppe der magneto- und/oder elektroresponsiven Materialien ausgewählt wird. Bei dem den Farbstoffen und/oder Pigmenten zugesetzten, wenigstens einen pulver- oder partikelförmigem Additiv kann es sich beispielsweise um ein solches aus der Gruppe

– Kohlenstoff, insbesondere mit einem Graphenstruktur, wie Graphen, Graphit, Kohlenstoff-Nanoröhren und dergleichen,
– ferromagnetische Partikel, insbesondere aus der Gruppe Nickel und Zink sowie deren Legierungen und Eisenoxid, und
– Schichtsilikate, insbesondere aus der Gruppe Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Siliciumoxid, Zirkonoxid und Aluminiumoxid

Was die zumindest teilweise Verformung des Endlosstrangs, insbesondere zumindest in einem Teilbereich seiner mit den vorteilhaften Aufdrucken bzw. Codes versehenen Abschnitte, zur Programmierung des Polymers mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften gemäß Schritt (c) betrifft, so kann in vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen sein, dass dies dadurch erfolgt, indem der Endlosstrang, vorzugsweise in den vorgenannten Teilbereichen, geprägt oder tiefgezogen wird. Bei einer entsprechenden Vorrichtung kann demnach vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Umformeinheit wenigstens einen Prägestempel oder wenigstens eine Tiefzieheinrichtung umfasst, wobei insbesondere entweder der Prägestempel bzw. die Tiefzieheinrichtung selbst und/oder der Endlosstrang derart temperierbar ist, um letzteren während seiner Verformung mit einem zur Programmierung des wenigstens einen Polymers mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften geeigneten Temperaturprofil zu beaufschlagen.
Kommt in der Umformeinheit ein Prägestempel zum Einsatz, so kann der, vorzugsweise zuvor bedruckte, Endlosstrang hiermit abschnittsweise verformt werden, wobei die Prägefläche des Stempels verschiedene Formen (beispielsweise rund, oval, mehreckig oder dergleichen) und/oder Oberflächenstrukturen (z. B. im Wesentlichen glatt oder auch strukturiert) besitzen kann, um für die jeweils gewünschte Verformung zu sorgen. Verschiedenartige Verformungen können zudem durch einfachen Austausch des Prägestempels erzielt werden. Gleichfalls kann durch entsprechende Einstellung der Andruckkraft der Grad der Verformung in einfacher Weise verändert werden. Wie bereits erwähnt, kann der Endlosstrang dabei insbesondere über die gesamte Flächenerstreckung des hierauf aufgebrachten Aufdruckes bzw. Codes oder nur über einen Teilabschnitt derselben verformt werden, je nach dem, wie die Größe und der Vorschub des Endlosstrangs in Bezug auf die Position des Prägestempels gewählt werden. Der Prägestempel kann dabei insbesondere auch mit seinerseits visuell sichtbaren und/oder maschinenlesbaren Strukturen versehen sein, wie Buchstaben, Ziffern, Zeichen, Symbole oder dergleichen, so dass z. B. ein zuvor aufgebrachter Code gemäß einem weiteren „Code” verformt oder ein zuvor aufgebrachter Aufdruck, welcher auch nur zu rein dekorativen Zwecken dienen kann, in eine andere Form überführt wird.
Ist der hierbei eingesetzte Prägestempel insbesondere temperierbar, so kann mittels des Prägestempels einerseits der Endlosstrang zumindest auf die Schalttemperatur des Polymers mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften erwärmt werden (wobei eine entsprechende Kontaktzeit mit dem Endlosstrang zu berücksichtigen ist), andererseits nach dessen Umformung auch auf eine Temperatur unterhalb der Schalttemperatur abgekühlt werden. Alternativ oder zusätzlich zu einer solchen Temperierung des Prägestempels – sei sie beispielsweise elektrisch, induktiv oder konvektiv, wie mittels eines Gasstroms oder dergleichen – ist es selbstverständlich möglich, den Endlosstrang stromauf des Prägestempels auf eine entsprechende Temperatur zu erwärmen und stromab desselben abzukühlen, wobei letzteres die Schaltsegmente des Polymers mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften durch Kristallisation oder Verglasung verfestigt. Andererseits kann es sich beispielsweise auch anbieten, dass der Endlosstrang selbst mit einem zur Programmierung des wenigstens einen Polymers mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften geeigneten Temperaturprofil (Erwärmen zumindest auf die Schalttemperatur, Verformen und Abkühlen zumindest auf die Formfixierungstemperatur) beaufschlagt wird, indem er, z. B. durch Vorbeiführen desselben an Wärme- und diesen nachgeordneten Kühlplatten, Warm- bzw. Kaltluftgebläsen, Peltier-Elementen oder dergleichen, dementsprechend temperiert wird. Der in diesem Fall nicht notwendigerweise temperierbare Prägestempel kann dann beispielsweise synchron mit der Vorschubgeschwindigkeit des Endlosstrangs mitbewegt werden, um deren Umformung durchzuführen, während der Endlosstrang in der obigen Weise temperiert wird.
Kommt in der Umformeinheit eine Tiefzieheinrichtung zum Einsatz, so kann diese beispielweise nach Art eines sogenannten, als solchem bekannten Thermoformautomaten mit einem Thermoformwerkzeug und einem Vorstrecker ausgestaltet sein, wobei das Thermoformwerkzeug und der Vorstrecker senkrecht zur Ebene des Endlosstrangs verlagerbar sind. Sodann kann durch Anlegen eines Unterdrucks an die eine Seite des, insbesondere taktweise dem Thermoformautomaten zugeführten, Endlosstrangs und/oder Anlegen eines Überdrucks an die entgegengesetzte Seite des Endlosstrangs dieser an die Formkontur des Formwerkzeugs angelegt werden, um für die Umformung, insbesondere zumindest in Teilbereichen von zuvor auf den Endlosstrang aufgebrachten Aufdrucken bzw. Codes, zu sorgen. Auch in diesem Fall kann das Werkzeug selbst auf beliebige bekannte Weise temperierbar sein und/oder kann der Endlosstrang wiederum zur Programmierung des Polymers stromauf des Werkzeugs erwärmt oder zumindest vorgewärmt und stromab des Werkzeugs abgekühlt werden. Durch Austausch des Thermoformwerkzeugs kann wiederum in einfacher Weise für unterschiedlich ausgestaltete Verformungen des Endlosstrangs gesorgt werden.
Folglich kann vorgesehen sein, dass der Endlosstrang, insbesondere mittels eines Gasstroms oder Infrarotstrahlung, temperiert wird, bevor er gemäß Schritt (c), insbesondere in der oben beschriebenen Weise, zumindest teilweise verformt wird. Zu diesem Zweck kann es in vorrichtungstechnischer Hinsicht von Vorteil sein, wenn der Umformeinheit eine Temperierstation vorgeordnet ist, welche zur Temperierung des Endlosstrangs ausgebildet ist, wobei die Temperierstation insbesondere ein Gebläse und/oder einen Infrarotstrahler umfasst. Die Temperierstation kann dabei beispielsweise nach Art einer Temperierkammer, eines Gebläses, eines Infrarotstrahlers oder dergleichen ausgebildet sein, durch welche der Endlosstrang hindurch geleitet wird. Ist letzterer zuvor mit einem Aufdruck bzw. Code versehen worden, kann die Temperierstation ferner zur Trocknung der auf dem Endlosstrang abgeschiedenen Farbstoffe und/oder Pigmente dienen.
Wie bereits angedeutet, eröffnet das erfindungsgemäße Verfahren in einfacher Weise auch die Möglichkeit, dass dem wenigstens einen Polymer mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften während des Extrudierens wenigstens ein pulver- oder partikelförmiges Additiv zugesetzt wird, wobei das wenigstens eine Additiv insbesondere aus der Gruppe der magneto- und/oder elektroresponsiven und/oder thermochromen Materialien einschließlich der Leuchtfarbstoffe und/oder -pigmente ausgewählt wird. Auf diese Weise ist es gleichfalls möglich, dem erzeugten Polymer-Formteil, bei welchem es sich insbesondere – wenn auch nicht notwendigerweise – um einen Informationsträger handeln kann, eine Multifunktionalität zu verleihen, wobei das Matrixpolymer mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften eines mit magnetoresponsiven bzw. elektroresponsiven Füllstoffen versetzten Polymer-Formteils z. B. mittels magnetischer bzw. elektrischer Felder geschaltet werden kann, während im Falle von Füllstoffen aus einem oder mehreren thermochromen Materialien Farbumschläge bei den entsprechenden Farbumschlagstemperaturen oder im Falle von Leuchtfarbstoffen und/oder -pigmenten unter Bestrahlung mit Licht einer bestimmten Wellenlänge Leuchteffekte beobachtet werden können.
Wie bereits erwähnt, haben sich als derartige pulver- oder partikelförmige Additive insbesondere einerseits solche aus der Gruppe der Farbstoffe und Pigmente, insbesondere in Form von thermochromen Farbstoffen und Pigmenten, als geeignet erwiesen. Letztere weisen bei der jeweiligen Farbumschlagstemperatur einen reversiblen Farbumschlag auf und sind als solche aus dem Stand der Technik bekannt. Lediglich beispielhaft seien in diesem Zusammenhang mineralische Verbindungen, wie z. B. Rutil, Metalloxide und -salze, wie z. B. Zinkoxid oder Bis(diethylammonium)-Tetrachlorido-Cuprat(II), oder organische Verbindungen, wie z. B. 9,9'-Bixanthyliden, 10,10'-Bianthronyliden oder Bromthymolblau erwähnt. Ferner haben sich beispielweise Leuchtfarbstoffe und/oder -pigmente als vorteilhaft erwiesen, wie z. B. unter Tageslicht, UV-Licht oder Schwarzlicht leuchtende Farbstoffe/Pigmente, Nachleuchtpigmente etc. Andererseits haben sich als derartige Additive solche aus der Gruppe Kohlenstoff, insbesondere mit einer Graphenstruktur, wie Graphen, Graphit, Kohlenstoff-Nanoröhren und dergleichen, bewährt. Darüber hinaus haben sich als derartige Additive ferromagnetische Partikel, insbesondere aus der Gruppe Nickel und Zink sowie deren Legierungen und Eisenoxid (beispielsweise in Form von Magnetit), vorzugsweise mit nanoskaligen Abmessungen, bewährt. Ferner haben sich als derartige Additive sogenannte Nanoclays auf der Basis von Silicium bewährt, insbesondere Schichtsilikate aus der Gruppe Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Siliciumoxid, Zirkonoxid und Aluminiumoxid. Selbstverständlich können je nach gewünschten Eigenschaften des Polymer-Formteils auch andere funktionale Additive zugesetzt werden, wie z. B. Silsesquioxane, Hydrolysestabilisatoren (z. B. Carbodiimide), aber auch herkömmliche Füll- oder Verstärkungsstoffe, wie beispielsweise Kohlenstoff-, Glas-, Aramidfasern und dergleichen, um die mechanischen, elektrischen, magnetischen und/oder optischen Eigenschaften der Polymermatrix des Polymer-Formteils mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften an den jeweiligen Anwendungszweck anzupassen.
Die Additive können dabei insbesondere im Verfahrensschritt (a) gemeinsam mit dem Polymer mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften extrudiert werden, um sie homogen in die plastifizierte Polymermatrix einzudispergieren. Dabei kann in als solches bekannter Weise z. B. zunächst, beispielsweise mittels eines Doppelschneckenextruders, ein Masterbatch aus den Polymeren mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften und den jeweiligen Additiven erzeugt werden, wonach der Masterbatch mit einer geeigneten Menge an dem Polymer mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften, z. B. mittels eines herkömmlichen Einschneckenextruders, extrudiert wird, um den gewünschten Anteil an in dem Polymer homogen verteilten Additiven einzustellen.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ferner vorgesehen sein, dass der gemäß Schritt (c) zumindest teilweise verformte Endlosstrang mit wenigstens einer, insbesondere im Wesentlichen folienförmigen, Lage, wie einer Klebefolie, einer Sicherheitsfolie oder dergleichen, versehen wird. Auf diese Weise lässt sich das Polymer-Formteil z. B. mit einer vor äußeren Einwirkungen schützenden Umhüllung nach Art einer Schutzfolie versehen. Wird der zuvor mit einem Aufdruck bzw. einem Code versehene Endlosstrang an seiner diesem entgegengesetzten Seite beispielsweise mit einer Klebefolie versehen, so ist ein einfaches Aufbringen des z. B. nach Art eines Informationsträgers ausgestalteten Polymer-Formteil auf ein hiermit zu kennzeichnendes Produkt durch Aufkleben möglich. Dabei kann beispielsweise eine Klebefolie auf den Endlosstrang auflaminiert werden, oder es wird der Endlosstrang mit einem Klebstoff beschichtet, z. B. durch Aufsprühen desselben, wonach die Klebschicht mit einer hiervon ablösbaren Folie kaschiert wird. Eine auf einen zur Erzeugung von Informationsträgern vorgesehenen Endlosstrang an dessen dem zuvor verformten Code entgegengesetzten Seite aufgebrachte Sicherheitsfolie, wie beispielsweise in Form einer sogenannten Void-Folie, vermag darüber hinaus dadurch für ein zusätzliches Sicherheitsmerkmal zu sorgen, indem erkennbar ist, wenn der Informationsträger unbefugt von der Oberfläche des mit ihm gekennzeichneten Produktes abgelöst worden ist.
In vorrichtungstechnischer Hinsicht kann zu diesem Zweck vorgesehen sein, dass der Umformeinheit eine Laminiereinheit nachgeordnet ist, welche zum Aufbringen wenigstens einer, insbesondere im Wesentlichen folienförmigen, Lage, wie einer Klebefolie, einer Sicherheitsfolie oder dergleichen, auf den verformten Endlosstrang ausgebildet ist. Der Laminiereinheit kann dabei eine Sprüheinheit zum Aufbringen eines Klebstoffes vorgeordnet sein.
Schließlich umfasst die Vorrichtung zweckmäßigerweise wenigstens eine Fördereinrichtung, welche zum Transportieren des Endlosstrangs von dem Extruder zumindest bis an die Umformeinheit bzw. – soweit vorhanden – bis an die Schneideinrichtung ausgebildet ist, wobei grundsätzlich beliebige, als solche aus dem Stand der Technik bekannte Fördereinrichtungen zum Einsatz gelangen können, welche zum Transportieren eines, insbesondere im Wesentlichen flächigen, folien- oder schlauchförmigen oder auch mit einem beliebigen Querschnittsprofil ausgestalteten, Endlosstrangs geeignet sind. Ferner können als solche bekannte Bahnspeicher vorgesehen sein, welche zur Zwischenspeicherung des aus dem Extruder kontinuierlich ausgebrachten Endlosstrangs dienen, wenn dieser, z. B. anlässlich des Aufbringens von Aufdrucken bzw. Codes und/oder des Verformen bei der Programmierung des Polymers mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften, taktweise transportiert werden soll.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Dabei zeigt die einzige Figur:
eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung von Polymer-Formteilen in Form von im Wesentlichen etikettenartigen Informationsträgern aus Polymeren mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften.
Die in schematisierter Form zeichnerisch wiedergegebene Vorrichtung umfasst einen Extruder 1 mit einem Aufgabetrichter 2, welchem das Polymer sowie gegebenenfalls Additive gemeinsam aufgegeben werden können. Bei der Extruderdüse 3 handelt es sich um eine Flachfoliendüse, mittels welcher aus dem Extrudat ein flächiger Endlosstrang S erzeugt werden kann, welcher beispielsweise dadurch auf eine Temperatur unterhalb seiner Erweichungstemperatur abgekühlt werden kann, indem er mittels einer Abwickeleinheit 4 über eine oder mehrere Umlenkwalzen geführt wird. Stromab der Abwickeleinheit 4 gelangt der Endlosstrang S an eine Druckeinheit 5, an welcher eine Mehrzahl an maschinenlesbaren Codes auf den Endlosstrang S aufgedruckt werden. Über einen Vorzug 6, welcher zur Einstellung einer geeigneten Vorzugsgeschwindigkeit des Endlosstrangs S dient, wird der bedruckte Endlosstrang S in einer Temperierstation 7, welche z. B. mit Warmluftgebläsen 8 ausgestattet ist, vorgewärmt. Stromab der Temperierstation 7 befindet sich eine Umformeinheit 9, welche im vorliegenden Fall in Form einer Prägeeinheit mit einem zumindest auf die Schalttemperatur des eingesetzten Polymers temperierbaren Prägestempel 10 ausgestattet ist, um den Endlosstrang S im Bereich der hierauf aufgebrachten Codes zumindest teilweise zu verformen. Das anschließende Abkühlen des Endlosstrangs S auf eine Temperatur unterhalb der Formfixierungstemperatur des eingesetzten Polymers kann gleichfalls durch Kontakt mit dem Prägestempel 10 geschehen, welcher zu diesem Zweck mit einem geeigneten Temperaturprofil beaufschlagt wird. Über einen weiteren Vorzug 11 gelangt der im Bereich der aufgedruckten Codes zumindest teilweise verformte Endlosstrang S an eine Laminiereinheit 12, an welcher der Endlosstrang S mit einer gänzlich oder abschnittsweise im Bereich seiner den Codes entgegengesetzten Seite mit einer abziehbaren Klebfolie versehen wird. Stromab der Laminiereinheit 12 befindet sich eine Schneideinheit 13, welche im vorliegenden Fall ein Stanzwerkzeug 14 umfasst, um die mit den verformten Codes versehenen Abschnitte aus dem Endlosstrang S auszustanzen und beispielsweise in einem Magazin 15 zwischenzulagern. Der restliche Endlosstrang S gelangt stromab der Schneideinheit 13 über einen weiteren Vorzug 16 beispielsweise an eine Aufwickelstation (nicht gezeigt), wonach der mittels dieser aufgewickelte Reststrang einer Rezyklierung zugeführt werden kann, um das Polymermaterial wiederverwenden zu können. Zum Transport des Endlosstrangs dient eine lediglich schematisch strichpunktiert angedeutete Fördereinrichtung 18, welche die Vorzüge 6, 11, 16 umfasst und ferner mit nicht zeichnerisch dargestellten Bahnspeichern ausgestattet ist, um den kontinuierlich aus dem Extruder 1 ausgetragenen Endlosstrang S zwischenzuspeichern, wenn die kontinuierliche Vorwärtsbewegung des Endlosstrangs in Richtung des Pfeils P in eine taktweise Vorwärtsbewegung umgesetzt werden soll, um insbesondere für die erforderlichen Kontaktzeiten während der Verformung mit dem Prägestempel 10 oder während des Aufdruckens des Codes zu sorgen. Ferner kann der mit der Strichpunktlinie 17 umrandete Bereich vorzugsweise temperierbar sein, um die für die Programmierung (Temperieren-Verformen-Abkühlen) des jeweiligen Polymers mit Formgedächtnis- bzw. thermoresponsiven Eigenschaften geeigneten Umgebungstemperaturen zu sorgen. Zur Steuerung/Regelung der Vorrichtung dient beispielsweise eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), wie sie als solche aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Ausführungsbeispiel:
Zur Herstellung von als Informationsträger ausgestalteten Polymer-Formteilen mittels der vorstehend beschriebenen Vorrichtung wird ein thermoreponsives Polymer mit Formgedächtniseigenschaften in dem Extruder 1 kontinuierlich extrudiert. Bei dem Polymer handelt es sich beispielsweise um ein thermoplastisches Polyurethan-Elastomer mit einer Netzwerkstruktur, welche sowohl (weiche) Schaltsegmente, die bei der Schalttemperatur amorph und bei tieferen Temperaturen teilkristallin bzw. glasartig vorliegen, andererseits (harte) Segmente, die sogenannten Netzpunkte, aufweist. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde ein phasensegregiertes Polyesterurethan mit dem Handelsnamen „Desmopan DP 2795A” (Covestro AG) eingesetzt. Die „harten” Segmente dieses Polymers sind aus einem Block-Copolymer aus 4,4'-Methylendiphenyldiisocyanant (MDI) mit einem 1,4-Butandiol (BD) Kettenverlängerer gebildet, während die „weichen” Schaltsegmente von Poly(1,4-butylenadipat) (PBA) mit einem mittleren Molekulargewicht von 3.500 g/Mol gebildet sind. Dabei können dem Polymer beispielsweise auch magnetoresponsive Füllstoff-Additive, z. B. in Form von 6 Mass.-% Magnetit-Nanopartikeln oder auch anderen, beispielsweise elektroresponsiven, Additiven in ähnlichen Anteilen, die selbstverständlich je nach Anwendungsfall variieren können, zugesetzt werden.
Mittels der Flachfoliendüse 3 des Extruders 1 wird dieses Formgedächtnispolymer zunächst zu einem folienförmigen Endlosstrang S verarbeitet, welcher beispielsweise eine Dicke im Bereich von etwa 0,01 mm bis etwa 2,5 mm, vorzugsweise im Bereich von etwa 0,1 mm bis etwa 0,7 mm, und eine Breite im Bereich von etwa 5 mm bis 2 m, vorzugsweise im Bereich von etwa 50 mm und etwa 300 mm, aufweist.
Der folienförmige Endlosstrang S wird sodann der Druckeinheit 5 zugeführt, wobei mittels des Vorzugs 6 beispielsweise eine Vorzugsgeschwindigkeit im Bereich von etwa 0,1 mm/s bis etwa 1.000 mm/s, vorzugsweise im Bereich von etwa 0,5 mm/s bis etwa 100 mm/s, eingestellt wird, welche zweckmäßigerweise den Vorzugsgeschwindigkeiten der stromab angeordneten Vorzüge 11 und 16 entspricht. Mittels der Druckeinheit 5, bei welcher es sich z. B. um eine Flexodruckmaschine handeln kann, werden auf den folienartigen Endlosstrang S in Förderrichtung P desselben hintereinander angeordnete und insbesondere maschinenlesbare Codes, z. B. in Form von Strich-, DataMatrix-, QR-, Aztec-Codes oder dergleichen, aufgebracht, welche sich beispielsweise über einen Flächenbereich des folienförmigen Endlosstrangs S mit Kantenlängen zwischen etwa 2 mm und etwa 1 m, vorzugsweise zwischen etwa 5 mm und etwa 50 mm, erstrecken können. Bei den hierbei verwendeten Farbstoffen und/oder Pigmenten, welche auf dem Endlosstrang S abgeschieden werden, kann es sich vorzugsweise um solche mit thermochromen Eigenschaften handeln, um für ein weiteres, durch einen sichtbaren Farbumschlag gegebenes Fälschungssicherheitsmerkmal zu sorgen.
Stromab der Druckeinheit 5 wird der bedruckte folienförmige Endlosstrang S in der Temperierstation 7 vorgewärmt bzw. konditioniert, wobei zugleich die Farbstoffe bzw. Pigmente getrocknet werden können. Hiernach wird der Endlosstrang mittels des Vorzugs 11 an die Umformeinheit 9 überführt. Ein (nicht zeichnerisch dargestellter) Bahnspeicher kann dabei insbesondere einen taktweisen Vorzug des folienförmigen Endlosstrangs S gewährleisten, um für die notwendige Verweilzeit in der Umformeinheit 9 zu sorgen. Die Umformeinheit 9 kann insbesondere mit einem Positionserfassungssensor (nicht gezeigt) ausgestattet sein, um die Lage der aufgedruckten Codes exakt zu erfassen und die Verformung derart durchzuführen, dass sie hiermit zumindest teilweise überlappt.
An der beim vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einem Prägestempel 10 ausgestatteten Umformeinheit 9 wird der folienförmige Endlosstrang S nun im Bereich der hierauf aufgebrachten Codes zumindest teilweise verformt, um letztere unleserlich zu machen. Dies geschieht im vorliegenden Fall mittels des Prägestempels 10, welcher vorzugsweise eine Druckkraft im Bereich von etwa 1 N bis etwa 50 kN auf den Endlosstrang S appliziert. Die Kontaktzeit des Prägestempels 10 mit dem Endlosstrang beträgt dabei zweckmäßigerweise zwischen etwa 0,1 s und etwa 5 min, vorzugsweise zwischen etwa 0,5 s und etwa 10 s. Damit das thermoresponsive Formgedächtnispolymer anlässlich seiner Programmierung deformationsinduziert zu kristallisieren vermag, ist der Prägestempel 10, z. B. in einem Temperaturbereich zwischen etwa –50°C und etwa 100°C, temperierbar (sei es beispielsweise elektrisch, induktiv oder konvektiv), wobei er z. B. zunächst auf eine Temperatur oberhalb der Schalttemperatur des Polymers erwärmt wird, um die Umformung vorzunehmen, wonach er auf seine Formfixierungstemperatur, welche üblicherweise zumindest geringfügig unterhalb der Schalttemperatur liegt, abgekühlt wird, um die Schaltsegmente des Polymers in der aufgebrachten – thermoresponsiven – Form zu erstarren und diese Formgebung zu stabilisieren. Die mit dem Prägestempel 10 erzielbaren Abkühlraten können dabei vorzugsweise im Bereich von etwa 3°C/min bis etwa 60°C/min, vorzugsweise im Bereich von etwa 10°C/min bis etwa 30°C/min, betragen.
Wie oben erwähnt, könnte alternativ selbstverständlich auch der Endlosstrang S mit einem zur Programmierung seiner Polymermatrix geeigneten Temperaturprofil der vorgenannten Art beaufschlagt werden, während der in diesem Fall nicht notwendigerweise temperierbare Prägestempel 10 gemeinsam mit dem Endlosstrang S, also in Förderrichtung P desselben, mit bewegt wird, um auf diesen die notwendige Umformkraft aufzubringen, solang auf den Endlosstrang S das zur Programmierung notwenige Temperaturprofil (Erwärmen zumindest auf die Schalttemperatur und Abkühlen zumindest auf die Formfixierungstemperatur) wirkt (nicht gezeigt).
Stromab der Umformeinheit 9 wird der folienförmige und zumindest in seinen mit den Codes versehenen Abschnitten umgeformte Endlosstrang S der Laminiereinheit 12 zugeführt, wo beispielsweise auf die den Codes abgewandte Seite eine Klebfolie, vorzugsweise eine Sicherheitsfolie, wie z. B. eine sogenannten Void-Folie, aufgebracht wird.
Schließlich gelangt der folienförmige Endlosstrang S an die Schneideinheit 13, wo die mit den verformten Codes versehenen Abschnitte mittels des Stanzwerkzeugs 14 ausgestanzt und in dem Magazin 15 zwischengespeichert werden, während der restliche Endlosstrang S z. B. aufgewickelt und entsorgt wird.
Die erhaltenen, im Wesentlichen etikettenförmigen Informationsträger können insbesondere zur fälschungssicheren Kennzeichnungen von Waren oder zur Kontrolle einer lückenlosen Kühlkette von Lebensmitteln dienen, indem bei einer Erwärmung auf die Schalttemperatur der zuvor mittels Umformung unleserlich gemachte Code wieder leserlich gemacht wird. Ferner können z. B. die zum Aufbringen des Codes eingesetzten, thermochromen Farbstoffe für einen Farbumschlag bei der jeweiligen Farbumschlagstemperatur sorgen, wodurch ein weiteres Sicherheitsmerkmal gegeben ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011054925 A1 [0005]
DE 102014104901 A1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

N. Fritzsche, T. Pretsch in Macromolecules 47, 2014, 5952–5959; N. Mirtschin, T. Pretsch in RSC Advances 5, 2015, 46307–46315 [0003]
T. Pretsch, M. Ecker, M. Schildhauer, M. Maskos in J. Mater Chem. 22, 2012, 7757–7766 [0005]
N. Fritzsche, T. Pretsch in Macromolecules 47, 2014, 5952–5959 [0005]
M. Ecker, T. Pretsch in RSC Advances 4, 2014, 286–292 [0005]
M. Ecker, T. Pretsch in RSC Advances 4, 2014, 46680–46688 [0005]
N. Fritzsche, T. Pretsch in Macromolecules 47, 2014, 5952–5959 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Polymer-Formteilen aus Polymeren mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften, umfassend die folgenden Schritte: (a) Extrudieren wenigstens eines Polymers mit Formgedächtnis- und/oder thermoresponsiven Eigenschaften und Kalibrieren des Extrudates zu einem, insbesondere im Wesentlichen folienförmigen, Endlosstrang (S); (c) zumindest teilweises Verformen des Endlosstrangs (S) bei einer Temperatur, welche zumindest der Schalttemperatur des wenigstens einen Polymers mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften entspricht; (d) Abkühlen des zumindest teilweise verformten Endlosstrangs (S) zumindest auf die Formfixierungstemperatur des wenigstens einen Polymers mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften; und (e) Ablängen des zumindest teilweise verformten Endlosstrangs (S) unter Erhalt der Polymer-Formteile.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kalibrieren des Extrudates zu dem im Wesentlichen folienförmigen Endlosstrang (S) gemäß Schritt (a) mittels Flachfolienextrudieren, Schlauchfolienextrudieren oder Kalandrieren erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es nach dem Extrusionsschritt (a) den folgenden Schritt umfasst: (b) Aufbringen wenigstens eines Aufdruckes, insbesondere in Form eines Codes, auf hintereinander angeordneten Abschnitte des Endlosstrangs (S), wobei im nachfolgenden Schritt (c) das zumindest teilweise Verformen des Endlosstrangs (S) insbesondere zumindest in einem Teilbereich seiner mit dem wenigstens einen Aufdruck versehenen Abschnitte erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen des wenigstens einen Aufdruckes auf den Endlosstrang (S) gemäß Schritt (b) dadurch erfolgt, indem auf dem Endlosstrang (S) Farbstoffe und/oder Pigmente in einem dem Aufdruck entsprechenden Muster abgeschieden werden, wobei die Farbstoffe und/oder Pigmente in einem Lösungsmittel oder in einer Polymerlösung, insbesondere aus demselben wenigstens einen Polymer mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften, gelöst werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Farbstoffen und/oder Pigmenten um thermochrome Farbstoffe und/oder Pigmente oder um Leuchtfarbstoffe und/oder -pigmente handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen des wenigstens einen Aufdruckes auf den Endlosstrang (S) gemäß Schritt (b) dadurch erfolgt, indem eine dem Aufdruck entsprechende dreidimensionale Struktur aus dem wenigstens einen Polymer mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zum Abscheiden der dreidimensionalen Struktur eingesetzte Polymer mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften mit Farbstoffen und/oder Pigmenten, insbesondere mit thermochromen Farbstoffen und/oder Pigmenten oder mit Leuchtfarbstoffen und/oder -pigmenten, versetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass den während des Aufbringens eines Aufdruckes gemäß Schritt (b) auf dem Endlosstrang (S) abgeschiedenen Farbstoffen und/oder Pigmenten wenigstens ein pulver- oder partikelförmiges Additiv zugesetzt wird, wobei das wenigstens eine Additiv insbesondere aus der Gruppe der magneto- und/oder elektroresponsiven Materialien ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass den Farbstoffen und/oder Pigmenten wenigstens ein pulver- oder partikelförmiges Additiv aus der Gruppe – Kohlenstoff, insbesondere mit einem Graphenstruktur, wie Graphen, Graphit, Kohlenstoff-Nanoröhren und dergleichen, – ferromagnetische Partikel, insbesondere aus der Gruppe Nickel und Zink sowie deren Legierungen und Eisenoxid, und – Schichtsilikate, insbesondere aus der Gruppe Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Siliciumoxid, Zirkonoxid und Aluminiumoxid zugesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest teilweise Verformen des Endlosstrangs (S) dadurch erfolgt, indem dieser, insbesondere zumindest in einem Teilbereich seiner mit dem wenigstens einen Aufdruck versehenen Abschnitte, geprägt oder tiefgezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem wenigstens einen Polymer mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften während des Extrudierens gemäß Schritt (a) wenigstens ein pulver- oder partikelförmiges Additiv zugesetzt wird, wobei das wenigstens eine Additiv insbesondere aus der Gruppe der magnetoresponsiven, elektroresponsiven und/oder thermochromen Materialien einschließlich der Leuchtfarbstoffe und/oder -pigmente ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem wenigstens einen Polymer mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften wenigstens ein pulver- oder partikelförmiges Additiv aus der Gruppe – Farbstoffe und Pigmente, insbesondere in Form von thermochromen Farbstoffen und Pigmenten oder Leuchtfarbstoffen und/oder -pigmenten, – Kohlenstoff, insbesondere mit einem Graphenstruktur, wie Graphen, Graphit, Kohlenstoff-Nanoröhren und dergleichen, – ferromagnetische Partikel, insbesondere aus der Gruppe Nickel und Zink sowie deren Legierungen und Eisenoxid, und – Schichtsilikate, insbesondere aus der Gruppe Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Siliciumoxid, Zirkonoxid und Aluminiumoxid zugesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Endlosstrang (S), insbesondere mittels eines Gasstroms oder Infrarotstrahlung, temperiert wird, bevor er gemäß Schritt (c) zumindest teilweise verformt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der gemäß Schritt (c) zumindest teilweise verformte Endlosstrang (S) mit wenigstens einer, insbesondere im Wesentlichen folienförmigen, Lage, wie einer Klebefolie, einer Sicherheitsfolie oder dergleichen, versehen wird.
Vorrichtung zur Herstellung von Polymer-Formteilen aus Polymeren mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften mittels eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend: (a) wenigstens einen Extruder (1), welcher zum Extrudieren wenigstens eines Polymers mit Formgedächtnis- und/oder thermoresponsiven Eigenschaften ist, mit einer dem Extruder (1) nachgeordneten Kalibriereinrichtung, welche zur Bildung eines Endlosstrangs (S) des Extrudates ausgebildet ist; (b) wenigstens eine stromab der Kalibriereinrichtung des Extruders (1) angeordnete Umformeinheit (9), welche zum zumindest teilweisen Verformen des Endlosstrangs (S) ausgebildet ist; und (d) wenigstens eine der Umformeinheit (9) zugeordnete Temperiereinheit, welche einerseits zum Temperieren des Endlosstrangs (S) auf eine Temperatur, welche zumindest der Schalttemperatur des wenigstens einen Polymers mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften entspricht, andererseits zum Temperieren des zumindest teilweise verformten Endlosstrangs (S) auf eine Temperatur ausgebildet ist, welche zum Abkühlen desselben zumindest auf die Formfixierungstemperatur des wenigstens einen Polymers mit Formgedächtniseigenschaften und/oder mit thermoresponsiven Eigenschaften ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner (e) wenigstens eine der Umformeinheit (9) nachgeordnete Schneideinrichtung (13), welche zum Ablängen des zumindest teilweise verformten Endlosstrangs (S) unter Erhalt der Polymer-Formteile ausgebildet ist, umfasst, wobei die Schneideinrichtung (13) insbesondere wenigstens ein Stanzwerkzeug (14) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Kalibriereinrichtung des Extruders (1) um wenigstens eine Flachfoliendüse (3) oder Schlauchfoliendüse und/oder um wenigstens einen Kalander handelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner (b) wenigstens eine der Kalibriereinrichtung des Extruders (1) nachgeordnete Druckeinheit (5), welche zum Aufbringen wenigstens eines Aufdruckes, insbesondere in Form eines Codes, auf hintereinander angeordnete Abschnitte des Endlosstrangs (S) ausgebildet ist, umfasst, wobei die der Druckeinheit (5) nachgeordnete Umformeinheit (9) insbesondere zum zumindest teilweisen Verformen des Endlosstrangs (S) in einem dessen wenigstens einen Aufdruck zumindest teilweise überlappenden Bereich ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Druckeinheit (9) um eine Laserstrahldruck-, Tintenstrahldruck- oder Flexodruckeinrichtung oder um einen 3D-Drucker handelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformeinheit (9) einen Prägestempel (10) oder eine Tiefzieheinrichtung umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Umformeinheit (9) eine Temperierstation (7) vorgeordnet ist, welche zur Temperierung des Endlosstrangs (S) ausgebildet ist, wobei die Temperierstation (7) insbesondere ein Gebläse (8) und/oder einen Infrarotstrahler umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Umformeinheit (9) eine Laminiereinheit (12) nachgeordnet ist, welche zum Aufbringen wenigstens einer, insbesondere im Wesentlichen folienförmigen, Lage, wie einer Klebefolie, einer Sicherheitsfolie oder dergleichen, auf den verformte Endlosstrang (S) ausgebildet ist.