DE102022119490A1

DE102022119490A1 - Herstellung kohlenstoffbeschichteter Kunststofffolien und Kunststofffilme

Info

Publication number: DE102022119490A1
Application number: DE102022119490.6A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-08-03
Filing date: 2022-08-03
Publication date: 2024-02-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung einer Kunststofffolie mit einer als Dünnschicht ausgebildeten, elektrisch leitfähigen Kohlenstoffbeschichtung sowie die Herstellung eines Kohlenstofffilms. Die Herstellung der beschichteten Kunststofffolie erfolgt durch Verteilen und Einreiben von Grafitpulver auf der zu beschichtenden Oberflächenseite der Kunststofffolie mittels eines Reibballens. Die mit der Dünnschicht aus Grafit und/oder Graphen beschichteten Kunststofffolien sowie der Kohlenstofffilm eignen sich für den Einsatz in einer Vielzahl optischer und elektrotechnischer Anwendungen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer kohlenstoffbeschichteten Kunststofffolie sowie eine mit diesem Verfahren hergestellte kohlenstoffbeschichtete Kunststofffolie; sie betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstofffilms sowie den mit diesem Verfahren hergestellten Kohlenstofffilm. Die mit der dünnen Kohlenstoffschicht beschichteten Kunststofffolien sowie der Kohlenstofffilm eignen sich für den Einsatz in einer Vielzahl optischer und elektrotechnischer Anwendungen.
Es ist allgemein bekannt, Kunststoffe durch Aufbringen von Oberflächenbeschichtungen elektrisch leitfähig zu machen. Solche elektrisch leitfähigen Oberflächenbeschichtungen auf Kunststoffen finden unter anderem Anwendung im Rahmen der elektromagnetischen Bauteilabschirmung oder zur Ableitung elektrostatischer Aufladungen an Bauteiloberflächen. Ebenso wie metallische Werkstoffe eignet sich auch Kohlenstoff auf Basis von Grafit und/oder Graphen, um die elektrische Leitfähigkeit von Kunststoffen zu realisieren. US 2009/0189125 A1 offenbart beispielhaft einen leitfähigen Polymer, der Kohlenstoff in Form von Grafit oder Graphen enthält.
Das Aufbringen von Beschichtungen auf Kunststofffolien, insbesondere als Dünnschicht mit einer Schichtdicke im Nano- und Mikrometerbereich, erfordert regelmäßig gerätetechnisch vergleichsweise aufwendige und mithin meist kostenintensive Verfahren, zum Beispiel die Verfahren der Gasphasenabscheidung. Das Aufbringen von nichtmetallischen Dünnschichten auf Kunststofffolien ist beispielsweise in DE 692 31 344 T2 oder in DE 101 96 405 B4 beschrieben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein kostengünstiges Verfahren zur Beschichtung einer Kunststofffolie mit einer als Dünnschicht ausgebildeten, elektrisch leitfähigen Kohlenstoffbeschichtung sowie ein auf der Folienbeschichtung basierendes Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Kohlenstofffilms bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer kohlenstoffbeschichteten Kunststofffolie nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstofffilms nach Anspruch 2 gelöst. Die nebengeordneten Ansprüche 9 und 10 beschreiben jeweils die kohlenstoffbeschichtete Kunststofffolie sowie den Kohlenstofffilm. Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 3 bis 8 aufgeführt.
Nach Maßgabe der Erfindung wird das Verfahren zur Herstellung einer kohlenstoffbeschichteten Kunststofffolie gemäß der nachfolgend aufgeführten Verfahrensschritte ausgeführt:

Hierzu wird eine Kunststofffolie, die eine zu beschichtende Oberflächenseite und eine der zu beschichtenden Oberflächenseite gegenüberliegende Rückseite aufweist, bereitgestellt.

Diese Kunststofffolie wird auf einer ebenen Unterlage mit glatter Oberfläche durch Eigenadhäsion lösbar fixiert, wobei das Aufbringen so erfolgt, dass die Kunststofffolie mit ihrer Rückseite blasen- und faltenfrei auf der ebenen Unterlage zur Anlage gebracht wird. Als glatte, ebene Unterlage eignet sich insbesondere eine Glasplatte oder Scheibe. Die Kunststofffolie kann zur Vermeidung von Blasen- oder Faltenbildung beim Aufbringen auf die Unterlage beispielsweise vorgespannt aufgezogen oder von einer Vorratsrolle abgerollt werden, wodurch sich die Kunststofffolie gleichmäßig an die Unterlage anschmiegt. Die Kunststofffolie haftet auf der Unterlage hierbei durch die beim flächigen Anliegen auftretenden Adhäsionskräfte; sie lässt sich insofern bei Bedarf lösen und ggf. wieder anbringen, zum Beispiel wenn einzelne Blasen oder Falten auftreten sollten und zu entfernen wären.
Die verwendeten Kunststofffolien besitzen vorzugsweise eine Foliendicke im Bereich von 1 µm bis 0,1 mm, insbesondere eine Foliendicke im Bereich von 5 µm bis 25 µm.
Bevorzugt bestehen die Kunststofffolien aus Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid oder Polyester, besonders bevorzugt aus Low-Density-Polyethylen (LDPE). Geeignete Kunststofffolien sind u. a. die haushaltsüblichen Frischhaltefolien.
Im nächsten Schritt wird Grafitpulver auf die zu beschichtende Oberflächenseite der Kunststofffolie aufgetragen. Das Auftragen kann durch Bestauben erfolgen, zum Beispiel mittels eines Pudersacks oder eines ähnlichen Hilfsmittels, welches einen gleichmäßigen Pulverauftrag ermöglicht. Als Grafitpulver eignet sich handelsübliches Grafitpulver, das zum Beispiel als Feststoffschmiermittel Verwendung findet. Vorzugsweise kommt Grafitpulver mit einer Pulverpartikelgröße im Bereich von 5 µm bis 20 µm zur Anwendung.
Das auf die zu beschichtende Oberflächenseite der Kunststofffolie aufgetragene Grafitpulver wird anschließend mittels eines Reibballens auf der zu beschichtenden Oberflächenseite der Kunststofffolie verteilt und eingerieben, bis sich eine Kohlenstoffbeschichtung auf Basis von Grafit und/oder Graphen mit optisch gleichmäßigem Erscheinungsbild ausbildet. Der hierzu erfindungsgemäß eingesetzte Reibballen ist ein Kissen, welches zumindest in dem Bereich, der die zu beschichtende Oberflächenseite der Kunststofffolie berührt bzw. kontaktiert, mit einer Reibballen-Kunststofffolie überspannt ist. Diese Reibballen-Kunststofffolie besteht vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die zu beschichtende Kunststofffolie. Zur universellen Verwendung hat sich außerdem eine Reibballen-Kunststofffolie aus handelsüblicher Frischhaltefolie bzw. Kunststofffolie aus Low-Density-Polyethylen erwiesen, die eine Foliendicke im Bereich von 5 µm bis 25 µm aufweist.
Das Einreiben des Grafitpulvers erfolgt bevorzugt unter einem leichten Anpressdruck, zum Beispiel im Bereich von 0,1 kPa bis 5 kPa. Ferner hat es sich als günstig erwiesen, das Grafitpulver in kreisenden Bewegungen zu verreiben.
Im nächsten Verfahrensschritt wird das überschüssige Grafitpulver entfernt, zum Beispiel durch Abstreifen, Abrütteln und/oder Abblasen.
Schließlich wird die grafit- und/oder graphenbeschichtete Kunststofffolie von der Unterlage abgenommen, d. h. zum Beispiel abgezogen oder abgelöst.
Zur erfindungsgemäßen Herstellung des Kohlenstofffilms wird als zusätzlicher Verfahrensschritt die Kunststofffolie chemisch abgelöst, zum Beispiel mittels eines geeigneten chemischen Lösungsmittels, wodurch die Kohlenstoffbeschichtung als freistehender Kohlenstofffilm verbleibt. Als Lösungsmittel für Kunststofffolien aus Polyethylen kann u. a. Aceton verwendet werden.
Die mit dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellte kohlenstoffbeschichtete Kunststofffolie besitzt eine aus Grafit und/oder Graphen bestehende, optisch durchscheinende dünne Schicht, deren Schichtdicke typischerweise im Längenwellenbereich des sichtbaren Lichts liegt, d. h., deren Schichtdicke bis circa einen Mikrometer reicht. Aufgrund der geringen Schichtdicke ist die kohlenstoffbeschichtete Kunststofffolie flexibel verformbar, ohne dass es bei der Handhabung der beschichteten Kunststofffolien zu mechanischen Beeinträchtigungen der Beschichtung kommt. So bleibt auch die elektrische Leitfähigkeit der beschichteten Kunststofffolie nach Verformung, zum Beispiel nach dem Drapieren der kohlenstoffbeschichteten Kunststofffolie auf ein unregelmäßig geformtes Substrat, erhalten.
Die kohlenstoffbeschichtete Kunststofffolie kann - aufgrund der guten elektrischen Leitfähigkeit - zum Beispiel zur Verkleidung oder Beschichtung von Alltagsgegenständen ebenso wie von Bauteilen für Industrieanwendungen genutzt werden. Zudem besitzen die erfindungsgemäß erzeugten Dünnschichten eine ihnen infolge der im Lichtlängenwellenbereich liegenden Schichtdicke innewohnende, Interferenzerscheinungen verursachende Ästhetik.
Der freistehende - nach Auf- bzw. Ablösung der Kunststofffolie erzeugte - Kohlenstofffilm eignet sich mit seiner flächig ausgedehnten graphen- bzw. grafittypischen Struktur aus hexagonal gebundenen Kohlenstoffatomen als kostengünstiges Ausgangsmaterial zur industriellen Weiterverarbeitung.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Als Ausgangsmaterialien werden eine als zu beschichtende Kunststofffolie handelsübliche Polyethylen-Frischhaltefolie sowie ein als Feststoffschmiermittel gebräuchliches Grafitpulver bereitgestellt. Die Kunststofffolie wird blasen- und faltenfrei auf einer Glasplatte durch Eigenadhäsion fixiert.
Anschließend wird die freiliegende, zu beschichtende Oberflächenseite unter Verwendung eines Pudersackes mit dem Grafitpulver eingestaubt. Das aufgepuderte Grafitpulver wird danach mittels des Reibballens unter leichtem manuellen Druck und kreisenden Bewegungen eingerieben. Als Reibballen dient ein Schaumstoffkissen, welches im Bereich der Kontaktfläche zur Kunststofffolie mit einer ebenfalls aus handelsüblicher Polyethylen-Frischhaltefolie bestehenden Reibballen-Kunststofffolie überspannt ist. Durch die Reibung wird die Schichtstruktur des Grafits aufgelöst, wobei sich die Kohlenstoffschichten planar auf der zu beschichtenden Oberfläche ausrichten bzw. anordnen und haften bleiben.
Das überschüssige Grafitpulver wird von der Oberfläche der Kunststofffolien durch Abstreifen entfernt. Die mit Grafit und/oder Graphen beschichtete Kunststofffolie wird schließlich von der Glasplatte abgelöst, zum Beispiel durch Aufrollen der elektrisch leitfähigen, kohlenstoffbeschichteten Kunststofffolie auf eine Vorratsrolle.
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

US 20090189125 A1 [0002]
DE 69231344 T2 [0003]
DE 10196405 B4 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer kohlenstoffbeschichteten Kunststofffolie, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: (a) Bereitstellen einer Kunststofffolie, aufweisend eine zu beschichtende Oberflächenseite und eine der zu beschichtenden Oberflächenseite gegenüberliegende Rückseite; (b) Fixieren der Kunststofffolie auf einer ebenen Unterlage mit glatter Oberfläche, wobei die Kunststofffolie mit ihrer Rückseite blasen- und faltenfrei auf der ebenen Unterlage zur Anlage gebracht wird; (c) Bereitstellen und Auftragen des Grafitpulvers auf die zu beschichtende Oberflächenseite der Kunststofffolie; (d) Verteilen und Einreiben des Grafitpulvers auf der zu beschichtenden Oberflächenseite der Kunststofffolie mittels eines Reibballens, bis sich eine Kohlenstoffbeschichtung auf Basis von Grafit und/oder Graphen mit optisch gleichmäßigem Erscheinungsbild ausbildet, wobei der Reibballen als Kissen ausgebildet ist, welches mindestens in dem die zu beschichtende Oberflächenseite der Kunststofffolie kontaktierenden Bereich mit einer Reibballen-Kunststofffolie überspannt ist; (e) Entfernen überschüssigen Grafitpulvers; und (f) Abnehmen der mit Grafit und/oder Graphen beschichteten Kunststofffolie von der Unterlage.
Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstofffilms, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: (a) Bereitstellen einer Kunststofffolie, aufweisend eine zu beschichtende Oberflächenseite und eine der zu beschichtenden Oberflächenseite gegenüberliegende Rückseite; (b) Fixieren der Kunststofffolie auf einer ebenen Unterlage mit glatter Oberfläche, wobei die Kunststofffolie mit ihrer Rückseite blasen- und faltenfrei auf der ebenen Unterlage zur Anlage gebracht wird; (c) Bereitstellen und Auftragen des Grafitpulvers auf die zu beschichtende Oberflächenseite der Kunststofffolie; (d) Verteilen und Einreiben des Grafitpulvers auf der zu beschichtenden Oberflächenseite der Kunststofffolie mittels eines Reibballens, bis sich eine Kohlenstoffbeschichtung auf Basis von Grafit und/oder Graphen mit optisch gleichmäßigem Erscheinungsbild ausbildet, wobei der Reibballen als Kissen ausgebildet ist, welches mindestens in dem die zu beschichtende Oberflächenseite der Kunststofffolie kontaktierenden Bereich mit einer Reibballen-Kunststofffolie überspannt ist; (e) Entfernen überschüssigen Grafitpulvers; (f) Abnehmen der mit Grafit und/oder Graphen beschichteten Kunststofffolie von der Unterlage; und (g) Auf- oder Ablösen der Kohlenstoffbeschichtung mittels eines Lösungsmittels unter Ausbildung der Kohlenstofffilms.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststofffolie ein Foliendicke im Bereich von 5 µm bis 25 µm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststofffolie aus Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid oder Polyester besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Grafitpulver Grafitpartikel mit einer Partikelgröße im Bereich von 5 µm bis 20 µm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibballen während des Einreibens mit einem Anpressdruck im Bereich von 0,1 kPa bis 5 kPa auf die zu beschichtende Oberflächenseite der Kunststofffolie gedrückt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibballen während des Einreibens in kreisförmigen Bahnbewegungen über die zu beschichtende Oberflächenseite der Kunststofffolie geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dass die Reibballen-Kunststofffolie aus dem gleichen Material wie die Kunststofffolie besteht.
Kohlenstoffbeschichtete Kunststofffolie, hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 1, aufweisend eine als Dünnschicht ausgebildete Kohlenstoffschicht auf Basis von Grafit und/oder Graphen.
Kohlenstofffilm, hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 2, bestehend aus einer Dünnschicht aus Grafit und/oder Graphen.