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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils, das ein anorganisches Substrat und ein mit dem Substrat verbundenes Element aus Polymermaterial umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin ein mit diesem Verfahren herstellbares Verbundbauteil.
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Das direkte Umspritzen, Laminieren oder Verpressen eines anorganischen Bauteils mit einem Polymerwerkstoff, beispielsweise das direkte Umspritzen oder Pressen eines mehreren hundert Grad Celsius heißen Einlegerteils beim Spritzgießen, führt in vielen Fällen zu einer nicht ausreichenden Haftung zwischen dem Polymerwerkstoff und dem anorganischen Bauteil. Insbesondere sind derartig hergestellte Verbunde häufig nicht alterungsbeständig.
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Aus diesem Grund ist in der Regel eine Oberflächenvorbehandlung des anorganischen Bauteils mit einem Haftvermittlersystem erforderlich. Die bekannten Verfahren mit Haftvermittlern sind jedoch aufwendig. Die Anwendung chemischer Primersysteme zum Beispiel für Gummi-Metall-Verbunde ist schwer automatisierbar und kostenintensiv. Häufig sind diese Primersysteme zudem nicht korrosionsbeständig und auch wenig umweltverträglich. Weiterhin erfordert die Verwendung derartiger Primersysteme üblicherweise ein vorheriges mechanisches Aufrauen des anorganischen Bauteils, beispielsweise einer Metalloberfläche, wodurch einerseits der Verfahrensaufwand erhöht und andererseits die Oberflächenbeschaffenheit des Substrats beeinträchtigt wird.
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Die üblicherweise in der Industrie eingesetzte mechanische Verbindungstechnik, d. h. Schraub-, Nietverbindungen oder dergleichen, liefert eine deutlich niedrigere Verbundfestigkeit und ist aus diesem Grund in vielen Fällen nicht anwendbar. Dazu kommen erhebliche Einschränkungen im Teiledesign, ein höherer Konstruktionsaufwand sowie zusätzliche Werkzeugkosten beim Einsatz derartiger Techniken.
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Aus dem Stand der Technik ist es weiterhin bekannt, die Oberfläche bestimmter Bauteile mit einem Plasma zu beaufschlagen und diese dadurch zu aktivieren. Dies hat zwar zu einem positiven Effekt hinsichtlich der Verbindung mit Polymerwerkstoffen geführt. Dieser ist jedoch sehr kurzlebig, so dass genau getaktete und damit aufwendige Verfahrensabläufe erforderlich sind. Weiterhin ist die auf diese Weise erzielte Verbundfestigkeit im Allgemeinen nicht ausreichend für die industrielle Anwendung der Verbundbauteile.
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Weiterhin ist aus dem Stand der Technik bekannt, Kunststoffe und Metall durch Ultraschallschweißen miteinander zu verbinden. Dies erfordert jedoch eine relativ aufwendige Oberflächenvorbereitung und führt nur zu mäßigen Verbundfestigkeiten. Das ebenfalls bekannte Laserdurchstrahlverfahren, bei dem ein Laser durch einen Kunststoff auf eine Grenzfläche zwischen dem Kunststoff und einem Metallelement geführt wird, um den Kunststoff und das Metall zu verschweißen, ist auf transparente Kunststoffe beschränkt und nicht für alle Substrate geeignet.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils sowie ein entsprechend hergestelltes Verbundbauteil zur Verfügung zu stellen, mit denen zuvor genannten Probleme zumindest teilweise behoben werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß zumindest teilweise gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils, das ein anorganisches Substrat und ein mit dem Substrat verbundenes Element aus Polymermaterial umfasst, bei dem ein zur Bildung einer Haftvermittlerschicht geeigneter Precursor mittels eines atmosphärischen Plasmastrahls aktiviert und ein anorganisches Substrat mit dem Precursor beaufschlagt wird, so dass sich auf dem Substrat eine Haftvermittlerschicht bildet, und bei dem ein Element aus Polymermaterial im Bereich der Haftvermittlerschicht mit dem Substrat verbunden wird.
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Es wurde festgestellt, dass ein auf diese Weise hergestelltes Verbundbauteil eine deutlich höhere Verbundfestigkeit und Auslagerungsbeständigkeit aufweist als ein ohne derartige Haftvermittlerschicht hergestelltes Verbundbauteil. Derartig hergestellte Verbundbauteile weisen demnach eine starke und dauerhafte Verbindung zwischen dem anorganischen Substrat und dem Polymermaterial auf. Weiterhin erfordert die Durchführung dieses Verfahrens keine aufwendigen Anlagen und lässt sich sehr gut in bestehende Systeme implementieren.
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Bei dem anorganischen Substrat kann es sich beispielsweise um ein Bauteil aus anorganischem Material handeln oder um den Teil eines Bauteils wie zum Beispiel um eine anorganische Schicht auf einem Bauteil. Bei dem Element aus Polymermaterial kann es sich entsprechend um ein Bauteil aus Polymermaterial handeln, aber auch um ein Bauteil mit einer Schicht aus Polymermaterial, die mit dem anorganischen Substrat verbunden werden soll. Das Element aus Polymermaterial kann bereits zu Beginn des Verfahrens vorliegen. Alternativ kann das Element auch erst während des Verfahrens hergestellt werden, beispielsweise durch Extrusion, Spritzguss oder auf eine andere Weise. Als Polymermaterial kommen verschiedene Stoffe in Frage, insbesondere Silicone, Gummi oder Kunststoffe wie Polyamid, Polyurethan etc.
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Der Precursor ist zur Bildung einer Haftvermittlerschicht geeignet. Hierunter wird verstanden, dass die chemische Zusammensetzung des Precursors dergestalt ist, dass sich auf dem anorganischen Substrat eine die Haftung des Substrats am Element aus Polymermaterial verbessernde Haftvermittierschicht bildet. Vorzugsweise ist der Precursor dazu geeignet, funktionelle Gruppen an der Substratoberfläche zu erzeugen, und zwar insbesondere mindestens eine oder mehrere der folgenden Gruppen: Epoxy-Gruppen, Ethoxy-Gruppen, Hydroxy-Gruppen, Akryl-Gruppen, Amin-Gruppen, Amid-Gruppen, Alkyl-Gruppen, Vinyl-Gruppen, Ester-Gruppen, Ether-Gruppen, Isocyanat-Gruppen. Der Precursor kann während des Verfahrens beispielsweise mittels einer dafür vorgesehenen Precursorzuleitung zugeführt werden, insbesondere in den Plasmastrahl oder auch auf die Substratoberfläche.
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Bei dem Verfahren wird der Precursor mittels eines atmosphärischen Plasmastrahls aktiviert. Unter einem atmosphärischen Plasmastrahl wird ein gerichteter Gasstrahl verstanden, der zumindest teilweise ionisiert ist und unter Atmosphärendruckbedingungen erzeugbar ist. Im Gegensatz dazu erfordern beispielsweise Mikrowellenplasmen spezielle Vakuumkammern zur Erzeugung des Plasmas im Niederdruck bzw. Vakuum. Solche Vakuumsysteme sind für Batch-Prozesse ausgelegt und können nicht In-Line in den durchlaufenden Betrieb integriert werden.
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Der atmosphärische Plasmastrahl wird vorzugsweise mit einer Plasmadüse erzeugt, aus der der Plasmastrahl während des Betriebs austritt. Auf diese Weise kann durch geeignete Anordnung und Ausrichtung der Plasmadüse der Plasmastrahl in eine gewünschte Richtung, insbesondere auf die zu beaufschlagende Substratoberfläche geleitet werden.
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Unter einer Aktivierung des Precursors mittels des atmosphärischen Plasmastrahls wird verstanden, dass der Precursor derart mit dem atmosphärischen Plasmastrahl in Kontakt kommt, dass er fraktioniert und/oder zumindest teilweise ionisiert wird. Durch die Fraktionierung vergrößert sich die Oberfläche des Precursors und durch die teilweise Ionisierung wird dessen Reaktivität erhöht, so dass die Bildung einer Haftvermittlerschicht auf dem anorganischen Substrat gefördert wird.
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Die Aktivierung des Precursors kann erfolgen bevor, während oder nachdem das Substrat mit dem Precursor beaufschlagt wurde. Beispielsweise kann der Precursor in den Plasmastrahl eingeleitet und durch diesen in Richtung des Substrats geleitet werden. Auf diese Weise gelangt der bereits aktivierte Precursor auf die Substratoberfläche. Durch die Fraktionierung des Precursors im Plasmastrahl wird zudem eine gleichmäßige Beaufschlagung der Substratoberfläche mit Precursor erreicht.
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Alternativ kann der Precursor auch zunächst auf das Substrat aufgebracht und erst dann mit dem Plasmastrahl beaufschlagt werden, so dass der Precursor unmittelbar auf der Oberfläche des Substrats aktiviert wird.
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Bei dem Verfahren wird das Element im Bereich der Haftvermittlerschicht mit dem Substrat verbunden. Das Element wird also derart mit dem Substrat verbunden, dass die Haftvermittlerschicht zwischen dem Element und dem Substrat angeordnet ist und damit die Haftung des Elements am Substrat verbessern kann.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin durch ein Verbundbauteil gelöst, das mit dem zuvor beschriebenen Verfahren herstellbar ist und ein anorganisches Substrat, ein damit verbundenes Element aus Polymermaterial und eine zwischen dem Substrat und dem Element angeordnete Haftvermittlerschicht aufweist.
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Die Haftvermittlerschicht des Verbundbauteils wird durch Beaufschlagen des Substrats mit einem Precursor und Aktivieren des Precursors mit einem atmosphärischen Plasmastrahl gebildet. Auf diese Art gebildete Haftvermittlerschichten weisen eine gute Haftung zum Substrat bzw. zum darauf aufgebrachten Polymer auf und können daher langlebige und feste Verbindungen bewirken. Insbesondere weisen derartige Haftvermittlerschichten eine erhöhte Oberflächenrauigkeit auf, wodurch eine bessere Haftung mit dem darauf aufgebrachten Element aus Polymermaterial erreicht werden kann.
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Bei der Haftvermittlerschicht handelt es sich vorzugsweise um eine organische bzw. siliziumorganische Haftvermittlerschicht. Die Haftvermittlerschicht umfasst vorzugsweise chemische Verbindungen mit einer oder mehreren der folgenden funktionalen Gruppen: Doppel- und Dreifachbindungen zwischen Kohlenstoffatomen, Ester-, Ether-, Keton-, Epoxy-, Hydroxy-, Amin-, Amid-, Acryl-, Isocyanat- und/oder Nitrogruppen. Diese funktionalen Gruppen führen zu einer guten Haftwirkung der Haftvermittlerschicht. Die funktionellen Gruppen können insbesondere durch eine mit dem Plasmastrahl induzierte Plasmapolymerisation erreicht werden.
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Im Folgenden werden mehrere Ausführungsformen des Verfahrens zur Herstellung eines Verbundbauteils sowie des mit diesem Verfahren herstellbaren Verbundbauteils beschrieben. Die einzelnen Ausführungsformen sind jeweils sowohl auf das Verfahren als auch auf das Verbundbauteil anwendbar und können in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden.
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Bei einer ersten Ausführungsform des Verfahrens bzw. des Verbundbauteils wird als Substrat ein Metallsubstrat, ein Glassubstrat oder ein Keramiksubstrat verwendet. Derartige Substrate lassen sich normalerweise nur schwierig dauerhaft und zuverlässig mit Polymerelementen verbinden, so dass das vorlegende Verfahren besonders für diese Substrate geeignet ist.
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Das Aufbringen der Haftvermittlerschicht kann direkt beim Hersteller des Substrats (z. B. in einem Metallverarbeitungsbetrieb oder bei einem Glas- oder Keramikhersteller) oder auch später bei einem weiterverarbeitenden Betrieb wie zum Beispiel einem Hersteller eines Gesamtbauteils (z. B. in einer Spritzgießerei im Fall von Kunststoff-Metall-Teilen oder bei einem Solar- oder Fenstermodulhersteller) stattfinden oder auch separat erfolgen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens bzw. des Verbundbauteils wird als Precursor ein organischer oder siliziumorganischer Precursor verwendet. Als Precursoren kommen flüssige Precursoren (z. B. Alkine wie Heptin, Alkene wie Okten oder funktionelle Silane) oder auch gasförmige Precursoren (z. B. Acetylen, Butin oder Methan) in Betracht.
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Vorzugsweise handelt es sich bei dem Precursor um einen silanorganischen oder (rein)organischen Precursor, insbesondere um ein Acrylat oder Epoxid, oder um eine Verbindung mit mindestens einer OH-Gruppe.
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Als silanorganische Precursoren kommen insbesondere in Betracht: 3-Methacryloxypropyltrimethoxysilane, 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilane, 3-Aminopropyltriethoxysilane, 3-Aminopropyltrimethoxysilane und/oder N-[3-(Trimethoxysilyl)propyl]ethylenediamine.
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Als organische Verbindungen kommen insbesondere in Betracht: Cyclooctadien, Terpinolen, Heptin und/oder Okten.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der Precursor mittels eines atmosphärischen Plasmastrahls aktiviert und das Substrat wird mit dem Precursor derart beaufschlagt, dass sich auf dem Substrat eine Haftvermittlerschicht mit einer Schichtdicke von maximal 800 nm, vorzugsweise von maximal 400 nm, insbesondere von maximal 100 nm bildet. Derart dünne Schichten haben sich als vorteilhaft herausgestellt. Dickere Schichten sind demgegenüber weniger stabil und können unter mechanischer Belastung brechen. Andererseits beträgt die Schichtdicke vorzugsweise mindestens 5 nm, weiter bevorzugt mindestens 10 nm. Bei dünneren Schichtdicken können unter Umständen nicht alle Oberflächenunregelmäßigkeiten des Substrats abgedeckt werden. Zudem kann in den zuvor genannten bevorzugten Schichtdickenbereichen jeweils eine ausreichende Konzentration von funktionellen Gruppen pro Fläche erreicht werden, durch die die Haftungseigenschaften verbessert werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird als Element aus Polymermaterial eine Folie aus Polymermaterial verwendet, und die Folie wird im Bereich der Haftvermittlerschicht flächig mit dem Substrat verbunden. Es hat sich herausgestellt, dass das vorliegende Verfahren erlaubt, Folien flächig und gleichmäßig mit einem anorganischen Substrat zu verbinden, so dass das Verfahren für diese Anwendung besonders geeignet ist. Vorzugsweise erstreckt sich die Haftvermittlerschicht über den gesamten Bereich, in dem die Folie mit dem Substrat verbunden ist. Vorzugsweise wird eine Folie aus thermoplastischem Material verwendet.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird als Substrat ein Flachglas verwendet und als Element wird eine thermoplastische oder duroplastische Folie verwendet. Bei diesem Verfahren wird die Folie dann im Bereich der Haftvermittlerschicht flächig mit dem Substrat verbunden. Es wurde festgestellt, dass das vorliegende Verfahren besonders gut für die Herstellung von Verbundgläsern geeignet ist, bei denen ein Flachglas mit einer Folie beschichtet wird. Durch die mittels atmosphärischen Plasmastrahls auf das Flachglas aufgebrachte Haftvermittlerschicht ist eine blasenfreie und im Wesentlichen vollflächige Verbindung der Folie mit dem Flachglas möglich, so dass die optischen Eigenschaften des Verbundglases durch die Verbindung zwischen Folie und Flachglas nicht beeinträchtigt werden. Weiterhin kann auf diese Weise eine bessere, insbesondere Witterungs-, UV-, Feuchte-, Temperatur- und/oder Auslagerungs-resistente Haftung zwischen Glas und Folie erreicht werden.
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Als Element aus Polymermaterial wird vorzugsweise eine thermoplastische Folie verwendet. Vorzugsweise wird die thermoplastische Folie vor dem Verbinden mit dem Substrat mit dem atmosphärischen Plasmastrahl beaufschlagt, so dass die Folie aktiviert wird. Versuche haben gezeigt, dass durch eine Kombination der mittels Precursor und Plasmastrahl aufgebrachten Haftvermittlerschicht und mittels Plasmastrahl aktivierter thermoplastischer Folie eine besonders gute Haftung zwischen der thermoplastischen Folie und dem Glas erreicht wird, und zwar insbesondere auch nach Feuchtauslagerung.
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Vorzugsweise wird das Substrat, insbesondere im Falle eines Glassubstrats, zusätzlich noch durch Beaufschlagung mit dem Plasmastrahl gereinigt. Auf diese Weise lässt sich die Haftung zwischen dem Substrat und der Folie weiter verbessern.
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Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Flachglas mit einem ersten Precursor beaufschlagt und der erste Precursor mittels eines atmosphärischen Plasmastrahls aktiviert wird, so dass sich auf dem ersten Flachglas eine erste Haftvermittlerschicht bildet, dass ein zweites Flachglas mit einem zweiten Precursor beaufschlagt und der zweite Precursor mittels eines atmosphärischen Plasmastrahls aktiviert wird, so dass sich auf dem zweiten Flachglas eine zweite Vermittlerschicht bildet, und dass ein flächiges Element aus Polymermaterial zwischen dem ersten und dem zweiten Flachglas angeordnet und das flächige Element im Bereich der ersten Haftvermittlerschicht flächig mit dem ersten Flachglas und im Bereich der zweiten Haftvermittlerschicht flächig mit dem zweiten Flachglas verbunden wird. Auf diese Weise lässt sich ein Verbundbauteil mit einer Sandwich-artigen Struktur herstellen, bei dem das flächige Element zwischen den beiden Flachgläsern angeordnet ist.
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Auf diese Weise können insbesondere Schutzgläser mit einer zwischen zwei Flachglasscheiben angeordneten Folie hergestellt werden. Derartige Schutzgläser werden beispielsweise als Windschutzscheibe im Kraftfahrzeugbau verwendet. Ebenso können auf diese Weise Isoliergläser bzw. Sicherheitsgläser z. B. für die Hausverglasung hergestellt werden. Weiterhin können auf diese Weise Photovoltaik-Elemente hergestellt werden, bei denen eine flache Polymer-basierte Photovoltaikplatte als flächiges Element zwischen zwei Flachgläsern verkapselt wird.
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Als erster und zweiter Precursor können gleiche oder verschiedene Precursoren eingesetzt werden. Weiterhin können als erstes und zweites Flachglas gleiche oder verschiedene Gläser eingesetzt werden. Auf diese Weise lassen sich die Eigenschaften des Sandwich-artigen Verbundbauteils bedarfsgemäß einstellen.
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Bei einer entsprechenden Ausführungsform des Verbundbauteils ist das Verbundbauteil ein Verbundglas, insbesondere ein Sicherheitsglas, und umfasst mindestens ein erstes Flachglas, ein zweites Flachglas und eine dazwischen angeordnete Folie aus Polymermaterial, wobei zwischen der Folie und dem ersten Flachglas sowie zwischen der Folie und dem zweiten Flachglas jeweils eine Haftvermittlerschicht angeordnet ist. Bei der Folie handelt es sich vorzugsweise um eine thermoplastische Folie. Es kann beispielsweise auch eine Folie aus Polyvinylbutyral (PVB) verwendet werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens handelt es sich bei dem Substrat um eine Glasscheibe, bei dem Element aus Polymermaterial um eine Polymerfolie, vorzugsweise um eine thermoplastische Folie, und bei dem herzustellenden Verbundbauteil um ein Solarmodul oder um einen Teil davon. Es hat sich herausgestellt, dass sich das Verfahren besonders dazu eignet, die bei Solarmodulen zwischen den Solarzellen und der Glasscheibe angeordnete Folie blasenfrei mit der Glasscheibe zu verbinden. Das beschriebene Verfahren hat weiterhin den Vorteil, dass sie eine gute und blasenfreie Verbindung von thermoplastischen Folien mit der Glasscheibe erlaubt. Bei den bisher verwendeten Haftvermittlerschichten war der Einsatz duroplastischer Folien wie zum Beispiel aus Ethylenvinylacetat (EVA) erforderlich, die gegenüber thermoplastischen Folien gewisse Nachteile haben. Gleichwohl ist das vorliegende Verfahren jedoch auch geeignet, um eine duroplastische Folie wie zum Beispiel aus EVA auf ein Substrat aufzubringen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden mindestens eine Solarzelle, die Polymerfolie und die mit der Haftvermittlerschicht versehene Glasscheibe übereinander gestapelt und gemeinsam durch Druck und/oder Hitze zu einem Solarmodul oder einem Teil davon verbunden. Auf diese Weise kann eine feste, dichte und insbesondere blasenfreie Verbindung der einzelnen Komponenten erreicht werden. Vorzugsweise werden mindestens ein Rückseitenplatte, eine erste Polymerfolie, mindestens eine Solarzelle, eine zweite Polymerfolie und die mit der Haftvermittlerschicht versehene Glasscheibe übereinander gestapelt und gemeinsam durch Druck und/oder Hitze zu einem Solarmodul oder einem Teil davon verbunden. Vorzugsweise kann auch die Rückseitenplatte unter Verwendung eines Precursors und eines atmosphärischen Plasmastrahls mit einer Haftvermittlerschicht versehen werden.
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Bei einer entsprechenden Ausführungsform des Verbundbauteils ist dieses ein Solarmodul oder ein Teil davon ist und umfasst mindestens eine Glasscheibe, eine Solarzelle und eine zwischen der Glasscheibe und der Solarzelle angeordnete Polymerfolie, vorzugsweise eine thermoplastische Folie, wobei zwischen der Polymerfolie und der Glasscheibe eine Haftvermittlerschicht angeordnet ist. Weiter bevorzugt umfasst das Verbundbauteil mindestens eine Glasscheibe, eine Solarzelle, eine Rückseitenplatte, eine erste zwischen der Glasscheibe und der Solarzelle angeordnete Polymerfolie und eine zweite zwischen der Rückseitenplatte und der Solarzelle angeordnete Polymerfolie, wobei zwischen der ersten Polymerfolie und der Glasscheibe eine Haftvermittlerschicht angeordnet ist und optional zwischen der zweiten Polymerfolie und der Rückseitenplatte eine weitere Haftvermittlerschicht angeordnet ist. Bei der ersten und/oder der zweiten Polymerfolie handelt es sich vorzugsweise um eine thermoplastische Folie. Die Solarzelle ist vorzugsweise zwischen der ersten und der zweiten Polymerfolie verkapselt und auf diese Weise vor Staub und/oder Feuchtigkeit geschützt.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der atmosphärische Plasmastrahl auf eine Oberfläche des Substrats gerichtet und der Precursor wird in den atmosphärischen Plasmastrahl eingebracht. Auf diese Weise kann der Precursor im Plasmastrahl aktiviert und dann durch die gerichtete Strömung des Plasmastrahls auf die zu beschichtende Oberfläche des Substrats aufgebracht werden.
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Optional kann die Oberfläche des Substrats auch mit dem atmosphärischen Plasmastrahl selbst beaufschlagt werden. Auf diese Weise ist eine zusätzliche Aktivierung oder Reinigung der Oberfläche des Substrats möglich. Insbesondere lassen sich auf diese Weise organische Kontaminationen von der Substratoberfläche entfernen. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens kann das Substrat in einem ersten Schritt mit einem atmosphärischen Plasmastrahl beaufschlagt werden, um die Substratoberfläche vorzubehandeln, insbesondere zu reinigen und/oder zu aktivieren, und die auf diese Weise vorbehandelte Substratoberfläche kann dann in einem zweiten Schritt mit dem Precursor und optional mit atmosphärischem Plasmastrahl beaufschlagt werden, um die Haftvermittlerschicht auf dem Substrat aufzubringen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der atmosphärische Plasmastrahl mittels Erzeugung einer Bogenentladung durch Anlegen einer hochfrequenten Hochspannung zwischen zwei Elektroden in einem Arbeitsgas erzeugt. Unter einer hochfrequenten Hochspannung wird typischerweise eine Spannung von 1–100 kV, insbesondere von 1–50 kV, bevorzugt von 5–50 kV, bei einer Frequenz von 1–300 kHz, vorzugsweise 1–100 kHz, weiter bevorzugt 10–100 kHz, insbesondere von 10–50 kHz verstanden. Die hochfrequente Hochspannung kann eine hochfrequente Wechselspannung, aber auch eine gepulste Gleichspannung sein.
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Ein auf diese Weise erzeugter atmosphärischer Plasmastrahl weist eine hohe Reaktivität bei verhältnismäßig geringer Temperatur auf. Aufgrund der hohen Reaktivität ist der Plasmastrahl gut zur Aktivierung bzw. Fraktionierung des Precursors geeignet, so dass die Bildung der Haftvermittlerschicht durch den Precursor auf der Oberfläche des Substrats begünstigt wird. Da ein derart erzeugter Plasmastrahl relativ kalt ist, wird die thermische Belastung des Precursors bzw. des beaufschlagten Substrats reduziert. Ein derartiger Plasmastrahl ermöglicht somit einen besonders sicheren und zuverlässigen Betrieb. Vorzugsweise wird der atmosphärische Plasmastrahl mit einer dafür vorgesehenen Plasmadüse erzeugt.
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Die Plasmadüse wird vorzugsweise mit einem Arbeitsgas betrieben. Hierdurch kann prozesssicher ein Plasmastrahl erzeugt werden. Als Arbeitsgas kann beispielsweise Luft, Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Argon oder eine Mischung daraus verwendet werden.
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Das zuvor beschriebene Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils kann mit verschiedenen industriellen Herstellungsverfahren kombiniert bzw. in diese implementiert werden, insbesondere mit folgenden Verfahren:
- – Extrudierverfahren, insbesondere durch unmittelbares Aufbringen des extrudierten Materials auf das mit der Haftvermittlerschicht versehene Substrat,
- – Formpressen von Kunststoffen und Gummi (Compression molding CM),
- – Laminieren von Glas
- – Solarmodulherstellung, insbesondere inklusive Liquid Solar Lamination Process,
- – Herstellen von Verbundrohrleitungssystemen (Multilayer pipe),
- – Einvulkanisation von Gummi an Metall, z. B. Gummierung,
- – PU- und TPU-Metall-Verbund-Verfahren,
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird.
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In den Zeichnungen zeigen
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1a–c ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie ein mit diesem Verfahren hergestelltes Verbundbauteil,
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2 eine schematische Darstellung einer Plasmadüse zur Erzeugung eines atmosphärischen Plasmastrahls, die für den Einsatz bei dem beschriebenen Verfahren geeignet ist und
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3a–c ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie ein mit diesem Verfahren hergestelltes Verbundbauteil.
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Die 1a–c zeigen ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung eines Verbundbauteils in schematischer Darstellung zu drei verschiedenen Verfahrenszeitpunkten. Bei dem Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundglases. Das Verfahren ist allgemein jedoch nicht auf die Herstellung von Verbundgläsern beschränkt, sondern kann entsprechend für die Herstellung anderer Verbundbauteile abgewandelt werden.
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Bei dem in 1a dargestellten ersten Verfahrensschritt wird ein anorganisches Substrat 2 in Form eines ersten Flachglases bereitgestellt. Mit einer Plasmadüse 4 zur Erzeugung eines atmosphärischen Plasmastrahls 6 wird ein atmosphärischer Plasmastrahl 6 erzeugt und auf eine Oberfläche 8 des Substrats 2 gerichtet. Über eine Precursorzufuhr 10 wird ein zur Bildung einer Haftvermittlerschicht geeigneter Precursor 12 in den Plasmastrahl 6 eingebracht und dadurch aktiviert. Mit dem Plasmastrahl 6 gelangt der aktivierte Precursor 12 auf die Oberfläche 8 des Substrats 2 und bildet dort eine Haftvermittlerschicht 14 aus. Zur Bildung der Haftvermittlerschicht 14 auf der gesamten Oberfläche 8 des Substrats 2 kann beispielsweise die Plasmadüse 4 relativ zum Substrat 2 oder das Substrat 2 relativ zur Plasmadüse verfahren werden.
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Neben dem Substrat 2 wird analog zur Darstellung in 1a auch noch ein weiteres anorganisches Substrat 16 in Form eines Flachglases in gleicher Weise mit einer zweiten Haftvermittlerschicht 18 versehen.
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In dem in 1b dargestellten Verfahrensschritt wird ein Element 20 aus Polymermaterial in Form einer thermoplastischen oder duroplastischen Folie im Bereich der ersten Haftvermittlerschicht 14 mit dem ersten Substrat 2 und im Bereich der zweiten Haftvermittlerschicht 18 mit dem zweiten Substrat 16 verbunden, so dass sich das in 1c dargestellte Verbundbauteil 22 in Form eines Verbundglases ergibt. Die Flachgläser sind mit der Folie über die jeweiligen Haftvermittlerschichten 14, 18 fest miteinander verbunden.
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Bei dem Verbundbauteil 22 kann es sich beispielsweise um ein Sicherheitsglas handeln. Bei einem solchen Sicherheitsglas sorgt die Folie 20 dafür, dass das Glas bei mechanischer Gewalteinwirkung nicht in scharfe Splitter zerbricht und reduziert dadurch das Verletzungsrisiko. Derartige Sicherheitsgläser werden beispielsweise als Windschutzscheiben in Kraftfahrzeugen eingesetzt.
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2 zeigt in schematischer Schnittansicht die Plasmadüse 4, die vorzugsweise bei dem Verfahren aus 1a–c eingesetzt werden kann. Die Plasmadüse 4 weist ein Düsenrohr 28 aus Metall auf, das sich im Wesentlichen konisch zu einer Düsenrohrmündung 30 verjüngt. An dem der Düsenrohrmündung 30 entgegengesetzten Ende weist das Düsenrohr 28 eine Dralleinrichtung 32 mit einem Einlass 34 für ein Arbeitsgas, beispielsweise Luft auf.
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Eine Zwischenwand 36 der Dralleinrichtung 32 weist einen Kranz von schräg in Umfangsrichtung angestellten Bohrungen 38 auf, durch die das Arbeitsgas verdrallt wird. Der stromabwärtige, konisch verjüngte Teil des Düsenrohres 28 wird deshalb von dem Arbeitsgas in Form eines Wirbels 40 durchströmt, dessen Kern auf der Längsachse des Düsenrohrs 28 verläuft. An der Unterseite der Zwischenwand 36 ist mittig eine Elektrode 42 angeordnet, die koaxial in Richtung des verjüngten Abschnittes in das Düsenrohr 28 hineinragt. Die Elektrode 42 ist elektrisch mit der Zwischenwand 36 und den übrigen Teilen der Dralleinrichtung 32 verbunden. Die Dralleinrichtung 32 ist durch ein Keramikrohr 44 elektrisch gegen das Düsenrohr 28 isoliert. Über die Dralleinrichtung 32 wird an die Elektrode 42 eine hochfrequente Hochspannung angelegt, die von einem Transformator 46 erzeugt wird. Der Einlass 34 ist über einen nichtgezeigten Schlauch mit einer unter Druck stehenden Arbeitsgasquelle mit variablem Durchsatz verbunden. Das Düsenrohr 28 ist geerdet. Durch die angeregte Spannung wird eine Hochfrequenzentladung in Form eines Lichtbogens 48 zwischen der Elektrode 42 und dem Düsenrohr 28 erzeugt.
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Die Begriffe „Lichtbogen” bzw. „Bogenentladung” werden vorliegend als phänomenologische Beschreibungen der Entladung verwendet, da die Entladung in Form eines Lichtbogens auftritt. Der Begriff „Lichtbogen” wird anderweitig auch als Entladungsform bei Gleichspannungsentladungen mit im Wesentlichen konstanten Spannungswerten verwendet. Vorliegend handelt es sich jedoch um eine Hochfrequenzentladung in Form eines Lichtbogens, also um eine hochfrequente Bogenentladung.
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Aufgrund der drallförmigen Strömung des Arbeitsgases wird dieser Lichtbogen 48 im Wirbelkern auf der Achse des Düsenrohr 28 kanalisiert, so dass er sich erst im Bereich der Düsenrohrmündung 30 zur Wand des Düsenrohrs 28 verzweigt.
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Das Arbeitsgas, das im Bereich des Wirbelkerns und damit in unmittelbarer Nähe des Lichtbogens 48 mit hoher Strömungsgeschwindigkeit rotiert, kommt mit dem Lichtbogen 48 in innige Berührung und wird dadurch zum Teil in den Plasmazustand überführt, so dass ein atmosphärischer Plasmastrahl 6 durch die Düsenrohrmündung 30 in eine an die Düsenrohrmündung angrenzende Auslassdüse 50 gelangt.
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Aus der Auslassdüse 50 tritt der Plasmastrahl 6 dann aus der Plasmadüse 4 heraus.
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Der Precursor 12 kann durch eine vor dem Auslass der Plasmadüse 4 angeordnete Precursorzufuhr 10 in den Plasmastrahl 6 eingebracht werden. Alternativ ist es auch denkbar, den Precursor 12 innerhalb der Plasmadüse 4 in den Plasmastrahl 6 einzubringen, beispielsweise durch eine in die Wand der Plasmadüse 4 eingesetzte Precursorzuführung 56 oder zusammen mit dem Arbeitsgas durch den Einlass 34.
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Die 3a–c zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung eines Verbundbauteils in schematischer Darstellung zu drei verschiedenen Verfahrenszeitpunkten. Bei dem Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls bzw. eines Teils davon. Das Verfahren ist allgemein jedoch nicht auf die Herstellung von Solarmodulen beschränkt, sondern kann entsprechend für die Herstellung anderer Verbundbauteile abgewandelt werden.
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Bei dem in 3a dargestellten ersten Verfahrensschritt wird ein anorganisches Substrat 62 in Form einer ersten Glasscheibe bereitgestellt. Mit einer Plasmadüse 64 zur Erzeugung eines atmosphärischen Plasmastrahls 66 wird ein atmosphärischer Plasmastrahl 66 erzeugt und auf eine Oberfläche 68 des Substrats 62 gerichtet. Über eine Precursorzufuhr 70 wird ein zur Bildung einer Haftvermittlerschicht geeigneter Precursor 72 in den Plasmastrahl 66 eingebracht und dadurch aktiviert. Mit dem Plasmastrahl 66 gelangt der aktivierte Precursor 72 auf die Oberfläche 68 des Substrats 62 und bildet dort eine Haftvermittlerschicht 74 aus. Zur Bildung der Haftvermittlerschicht 74 auf der gesamten Oberfläche 68 des Substrats 62 kann beispielsweise die Plasmadüse 64 relativ zum Substrat 62 oder das Substrat 62 relativ zur Plasmadüse verfahren werden.
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Neben dem Substrat 62 wird analog zur Darstellung in 3a auch noch eine Rückseitenplatte 76 in Form einer weiteren Glasscheibe in gleicher Weise mit einer zweiten Haftvermittlerschicht 78 versehen.
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In dem in 3b dargestellten Verfahrensschritt werden die Rückseitenplatte 76, eine thermoplastische Folie 80, Solarzellen 82, eine zweite thermoplastische Folie 84 und die Glasscheibe 62 übereinander gestapelt und dann unter Druck und/oder Hitze miteinander verbunden, so dass sich das in 3c dargestellte Verbundbauteil 86 in Form eines Solarmoduls ergibt. Die Glasscheiben 62 und 76 sind über die Haftvermittlerschichten 74, 78 fest und blasenfrei mit der jeweiligen Folie 80 bzw. 84 verbunden. Die Solarzellen 82 werden durch die beiden Folien 80 und 84 derart umschlossen (verkapselt), dass sie vor Feuchtigkeit und Verschmutzung geschützt sind.
