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Transparentes Polymer mit glasartigen Eigenschaften
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Die Erfindung betrifft die Herstellung eines transparenten Polymers mit glasartigen Eigenschaften nach Anspruch 1 sowie ein Produkt aus einem transparentem Polymer mit glasartigen Eigenschaften nach Anspruch 2.
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Allgemeiner Stand der Technik:
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Da die Gewichtsreduzierung in der Transportindustrie ein immer wichtigerer Parameter wird, zeigt sich immer deutlicher der Bedarf an einem glasartigen, aber leichten Material. Sowohl Glas als auch Kunststoffe verfügen über einzigartige, wünschenswerte Eigenschaften, die manchmal im Widerspruch zueinander stehen, aber beide erforderlich sind. Zu diesen Eigenschaften zählen Kratzfestigkeit, aber auch Bruchzähigkeit, Hochglanzpolierung, aber auch Reflexionsfreiheit, kalte Haptik, aber auch Wärmeisolierung, geringes Gewicht, aber auch schwerer Klang, Spannungsfreiheit, aber auch geringe Dicke. Solche Eigenschaften kommen in der Regel entweder nur bei Kunststoffen oder nur bei Glasmaterialien, selten aber bei beiden vor.
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Es wurden bereits verschiedene Versuche unternommen, zum Beispiel: Die Windschutzscheibe des Autos besteht aus Glas mit einer Kunststofflaminierung. Sie ist hart und zerbricht nicht, ist jedoch schwer. Die Scheibe des Laptops ist reflexionsfrei, aber auch nicht glänzend usw.
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Ein gebräuchliches Material, das mehr gemeinsame Eigenschaften der beiden Materialtypen aufweist, ist Silikon, das wie Glas ein Derivat des Elements Silicium (Si) ist. Silikone gelten als molekularer Hybrid zwischen Glas und organischen linearen Polymeren, sie weisen aufgrund ihres niedrigen dn/dT-Wertes eine sehr geringe Doppelbrechung auf, sind in dünnen Querschnitten mit mehreren Krümmungen und speziellen Oberflächenbehandlungen sehr einfach zu verarbeiten, was sie reflexionsfrei und gleichzeitig hochglanzpoliert, chemisch stabil und äußerst zäh macht. Die einzigen beiden Eigenschaften, die mit der gängigen Materialzusammensetzung nicht erreicht werden können, sind Härte und kalte Haptik.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, die Eigenschaften sowohl von Glas als auch von Kunststoffpolymeren zu erzielen. Die Aufgaben werden durch ein Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 und durch ein Produkt nach Anspruch 2 gelöst.
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Beschreibung der Erfindung:
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Ein wesentlicher Bestandteil der Erfindung ist es, ein einziges Produkt und/oder Material zu erhalten, das durch die Kombination von Materialien und Verfahren sowohl die Eigenschaften von Glas- als auch von Kunststoffpolymeren erzielen und ein entsprechendes Herstellungsverfahren durchführen kann.
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Die Lösung zur Erzielung der für Quarzglas typischen Eigenschaften von Härte und kalter Haptik unter Beibehaltung der Eigenschaften des flexiblen Silikons von optischer Qualität ist die Abscheidung von Quarzglasmolekülen in Form eines chemischen Gasphasen-Abscheideverfahrens unter Vakuumatmosphäre vor Abschluss der vollständigen Aushärtung, die das Silikon chemisch stabil macht.
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Das chemische Gasphasen-Abscheideverfahren ermöglicht die Herstellung reiner, gleichmäßiger Beschichtungen von Polymeren selbst auf konturierten Oberflächen. Das chemische Gasphasen-Abscheideverfahren beginnt vorzugsweise in Tanks, die ein Initiatormaterial und ein oder mehrere Monomere enthalten, die die Bausteine der gewünschten Polymerbeschichtung bilden. Diese werden entweder durch Erwärmung oder Druckreduzierung verdampft und anschließend in eine Vakuumkammer eingebracht, die das zu beschichtende Material enthält. Der Initiator hilft, den Prozess zu beschleunigen, bei dem sich die Monomere in Ketten verbinden, um Polymere auf der Oberfläche des Trägermaterials zu bilden.
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Das erfindungsgemäße chemische Gasphasen-Abscheideverfahren bezeichnet die Abscheidung eines Feststoffes aus einer Gasphase auf einem Trägermaterial durch eine chemische Reaktion. Die damit verbundene Abscheidungsreaktion ist in der Regel eine thermische Zersetzung, eine chemische Oxidation oder eine chemische Reduktion. Auf und in der Nähe der heißen Oberflächen finden chemische Reaktionen statt, die zur Abscheidung einer dünnen Schicht auf der Oberfläche führen. In einem Beispiel für die thermische Zersetzung werden Quarzglasverbindungen als Dampf auf die Trägeroberfläche transportiert und auf den elementaren Polymerzustand auf der Trägeroberfläche reduziert.
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Daher wird ein solches Gasphasen-Abscheideverfahren vorzugsweise in einer Vakuum- oder Quasi-Vakuumatmosphäre durchgeführt, die bei einer niedrigen Temperatur unter 30 °C, vorzugsweise unter 20 °C und vorzugsweise über 5 °C gehalten wird, um den Abschluss der Silikonaushärtung deutlich zu verlangsamen, der die chemische Bindung der heißen Quarzglasabscheidung an Abmessungen der Mikrometerdicke ermöglicht. Nach Abschluss der Abscheidung wird das Produkt auf Silikonbasis ein zweites Mal bei einer Temperatur über 150 °C, vorzugsweise über 180 °C, ausgehärtet, um den Stabilisierungsprozess abzuschließen, der zu einem Materialverbund führt, der einen leichten, weichen und zähen Körper mit optisch stabilen Eigenschaften über einen großen Temperaturbereich bei gleichzeitig glatter, hochglanzpolierter und harter Oberfläche aufweist.
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Für das zu erzielende Material gibt es zahlreiche Varianten des chemischen Gasphasen-Abscheideverfahrens, die zum Einsatz kommen können. Es ist möglich, Heißwandreaktoren und Kaltwandreaktoren bei einem Gesamtdruck im Unterdruckbereich (sub-torr) bis hin zu einem überatmosphärischen Druck mit und ohne Träger zu verwenden. Es gibt darüber hinaus eine Vielzahl von unterstützten chemischen Gasphasen-Abscheideverfahren, die den Einsatz von Plasmen, Ionen, Photonen, Lasern, Heißfilamenten oder Verbrennungsreaktionen zur Erhöhung der Abscheidungsraten und/oder zur Senkung der Abscheidungstemperaturen beinhalten.
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Die harte Oberfläche kann mit einer Art Schicht gleichgesetzt werden, die auf dem flexiblen optischen Körper der Endstruktur angeordnet ist.
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Es ist zu erwähnen, dass die Erfindung nicht auf eine Ausgestaltung der Struktur mit nur einer Schicht beschränkt ist; natürlich kann das Material, d. h. die Struktur, aus mehreren entsprechenden Schichten bestehen. Das Gleiche gilt für das weiche Silikon, d. h. den flexiblen optischen Körper; auch hier können mehrere Körper vorhanden sein.
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Obwohl bei diesem Verfahren ein Material mit weichen Eigenschaften wie das weiche Silikon verwendet wird, umfasst das Ergebnis ein Material, das auf der einen Seite aus einer harten Quarzglasoberfläche und auf der anderen Seite aus einem flexiblen optischen Körper besteht, wobei es sich bei dem Material im Wesentlichen um ein einziges Stück Material handelt.
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Im Produktionsprozess ist der flexible optische Körper, d. h. der weichere Teil des Materials, das erste Teil, der produziert und fertiggestellt wird. Die Schicht, die die harte Oberfläche bildet, wird im Herstellungsprozess unter Verwendung des glasbildenden Elements erlangt .
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Dieses Produkt kann für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, wie zum Beispiel die Blende für Berührungsbildschirme im rauen Automobilumfeld.
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So fühlt sich das erzielte Produkt wie Glas an und „klingt“ wie Glas, wenn der Benutzer es berührt; es fühlt sich kalt an wie Glas, und es fühlt sich hart an wie Glas. Dennoch ist die mechanische Leistung mit der von Silikon bzw. Gummi vergleichbar, d. h. es bricht nicht so leicht, es ist hochglanzpoliert, jedoch reflexionsfrei, es ist wärmeisolierend und leicht, klingt jedoch schwer, es ist spannungsfrei, jedoch dünn. Es weist zudem gute optische Eigenschaften auf. Im Vergleich zu „normalem“ Glas ist das Material wesentlich leichter. Es verfügt auch über gewisse „Dehnungseigenschaften“, die „normales“ Glas nicht hat.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren ausführlicher beschrieben, ohne jedoch auf eine solche Ausgestaltung beschränkt zu sein, wobei
- - 1 die chemische Struktur von Quarzglas, Silsesquioxan-Harzen und linearen Polymeren zeigt;
- - 2 die durch das beschriebene Verfahren neu erzielte Struktur zeigt;
- - 3 durch die neue Struktur erzielte geometrische Strukturen zeigt.
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1 offenbart die chemische Struktur von Quarzglas, Silsesquioxan-Harzen und linearen Polymeren. Das Quarzglas ist die Basis für das chemische Gasphasen-Abscheideverfahren. Siliciumhaltige organische Polymere in der vorliegenden Form von Silsesquioxanen werden gemäß der vorliegenden Erfindung wegen ihres möglichen Ersatzes für und ihrer Kompatibilität mit siliciumbasierten Anorganika in der gegenwärtigen Technologie der Erfindung verwendet. Die für die Erfindung verwendeten Silsesquioxan-Materialien weisen eine Verbesserung der Eigenschaften wie Löslichkeit, thermische und thermomechanische Stabilität, mechanische Zähigkeit, optische Transparenz, Gasdurchlässigkeit, Dielektrizitätskonstante und Feuerhemmung auf.
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2 zeigt die chemische Struktur, die durch das beschriebene Verfahren erzielt wird, wobei sich der Teil links von der gestrichelten vertikalen Trennlinie auf die glasartige Oberfläche bezieht, während sich der Teil rechts von der gestrichelten vertikalen Trennlinie auf den flexiblen Körper von optischer Qualität bezieht. Es liegt nahe, dass die dargestellte chemische Struktur in unterschiedlicher Anzahl vorhanden sein kann, wobei eine für die Herstellung des zu erzielenden Produkts geeignete Polymerkette gebildet wird. Im Wesentlichen handelt es sich hierbei um ein einziges Stück Material. Wie bereits erwähnt, bedeutet dieses Diagramm der chemischen Struktur nicht, dass es nur eine harte Oberfläche, d. h. eine Schicht, gibt; es können mehrere Schichten auf dem flexiblen optischen Körper der Endstruktur angeordnet sein.
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3 zeigt Beispiele für die Geometrie eines mit dem Herstellungsverfahren der Erfindung erzielten Produkts, wobei sich die Ziffer 1 auf die glasartige Oberfläche und die Ziffer 2 auf das zähe, weichere optische Basismaterial bezieht. So kann das erzielte Produkt zum Beispiel eine ebene Oberfläche oder eine Oberfläche mit einer oder mehreren Krümmungen aufweisen. Die Dicke der glasartigen Oberfläche ist in diesem Beispiel erheblich dünner als der flexible Körper von optischer Qualität des gesamten Produkts. Gemäß der Erfindung kann jede beliebige Aufmachung oder geometrische Ausgestaltung des Produkts verwirklicht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- harte glasartige Oberfläche
- 2
- optisches Basismaterial
