DE10248382B4

DE10248382B4 - Verfahren zum Laminieren von Folien und Folienanordnung

Info

Publication number: DE10248382B4
Application number: DE10248382A
Authority: DE
Inventors: Arno Hohmann; Joachim Hoppe
Original assignee: Giesecke and Devrient GmbH
Current assignee: Giesecke and Devrient GmbH
Priority date: 2002-10-17
Filing date: 2002-10-17
Publication date: 2010-09-30
Anticipated expiration: 2022-10-18
Also published as: DE10248382A1

Abstract

Verfahren zum Laminieren von Folien (6, 7, 9) mit den Schritten:
– Anordnen von drei oder mehr Folien (6, 7, 9) und mindestens einer Heißschmelzklebstoffschicht (8) übereinander, so daß zwischen mindestens zwei Folien (7, 9) eine Heißschmelzklebstoffschicht (8) liegt während zugleich wenigstens zwei Folien (6, 7) unmittelbar aufeinanderliegen, wobei für die Heißschmelzklebstoffschicht (8) ein Heißschmelzklebstoff mit einer aktivierbaren Vernetzungskomponente verwendet wird,
– Zusammenpressen der Folienanordnung (6, 7, 9) und
– Erwärmen der Folienanordnung derart, daß die Heißschmelzklebstoffschicht (8) eine Temperatur (T_k) erreicht, bei der sie eine Verbindung zwischen den zwei an die Heißschmelzklebstoffschicht (8) angrenzenden Folien (7, 9) herstellen kann,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Folienanordnung über die Temperatur (T_k) hinaus weitererwärmt wird, derart, daß die Heißschmelzklebstoffschicht (8) eine Temperatur (T_A) erreicht, bei der die Vernetzungskomponente aktiviert und damit die Aushärtung des Heißschmelzklebstoffs angestoßen wird, wodurch die Schmelztemperatur des Heißschmelzklebstoffs über die zur Verbindung der Folien...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laminieren von Folien unter Einwirkung von Druck und Temperatur, bei dem mehrere Folien übereinander angeordnet sind, von denen mindestens zwei Folien mittels eines Heißschmelzklebers verbunden werden. Die Erfindung betrifft ferner eine Folienanordnung zur Laminierung.
Aus der WO 99/39306 ist ein Laminierverfahren zur Herstellung von kartenförmigen Datenträgern bekannt. Der mit dem bekannten Verfahren herstellbare Datenträger weist zwei Kernschichten auf, zwischen denen elektronische Komponenten des Datenträgers eingebettet sind. Die beiden Kernschichten sind über Heißschmelzklebstoffschichten mit jeweils einer Deckfolie aus Polyester verbunden, die die Kernschichten beim Aneinanderfügen nach außen abdecken und gegen Verformen sichern.
Zur Laminierung des Datenträgers wird ein Stapel gebildet, der aus den beiden Kernschichten mit den zwischen den Kernschichten liegenden elektronischen Komponenten, den Heißschmelzklebstoffschichten und den äußeren Deckfolien besteht. Dieser Stapel wird in eine Wärmepresse eingebracht und unter Druck auf 150°C erwärmt, so daß die Kernschichten erweichen und sich miteinander verbinden. Da die Außenfolien eine Schmelztemperatur oberhalb von 150°C aufweisen, werden die Außenfolien während des Pressvorgangs nicht erweicht. Die Verbindung der Außenfolien mit den Kernschichten erfolgt allein durch die Klebstoffschichten. Die Außenfolien bleiben dabei formstabil und leisten auftretenden Spannungen im Inneren des Kartenkörpers nach der Abkühlung ausreichend Widerstand, um eine gute Planlage des kartenförmigen Datenträgers zu erreichen.
Ein Nachteil des bekannten Verfahrens besteht darin, daß die Schmelztemperatur der für die Heißschmelzklebstoffschichten verwendeten Klebermaterialien deutlich unterhalb der Einstelltemperatur der Heizpresse liegt. Die Klebstoffschichten werden daher während des Pressvorgangs stark verflüssigt und fließen bei entsprechend langer Druckeinwirkung aus. Das Ausfließen des Klebstoffs führt unter Umständen auch zu einem Ausfließen von Druckschichten, mit denen die Kernschichten oder die Deckfolien oder dazwischen liegende Folien bedruckt sind.
Ein ähnlicher Effekt kann auftreten, wenn die Folien ausschließlich durch Klebstoffschichten miteinander laminiert werden, wie z. B. ABS-Folien. In diesem Fall erweicht der Klebstoff der näher an den Heizpressplatten liegenden Folien schneller als der Klebstoff zwischen den innen liegenden Folien.
Bei einer Mehrlagenlaminierung, bei der mehrere Laminierblechsätze zwischen einem Heizpressplattenpaar liegen, wächst die vorbeschriebene Problematik mit der Anzahl der Blechsätze.
Aus der DE 195 41 923 A1 ist der Vorschlag entnehmbar, niedrigschmelzende thermoplastische Klebefolien durch Zusatz einer reaktiven Komponente so zu verändern, daß mit der Folie erzeugte Klebeverbindungen nachhärten und eine große Wärmestandfestigkeit erreichen. Durch das Nachhärten lassen sich Endprodukte mit hoher Wärmestandfestigkeit herstellen, auch wenn der Klebeprozess selbst nur bei vergleichsweise geringeren Temperaturen erfolgen kann.
EP 485 008 A1 , US 4,352,858 B und EP 1 197 541 A1 offenbaren jeweils nachvernetzende Klebstoffe.
Aus der DE 195 19 499 A1 ist ein Verfahren zum Implantieren von elektrischen Modulen in einen Kartenkörper unter Verwendung von thermoplastischen Klebstoffolien bekannt, bei dem die Reaktionstemperaturen der verwendeten Klebstoffolie so herabgesetzt sind, daß das Verfahren bei niedrigeren Temperaturen erfolgen kann. Die Klebstoffolien werden dazu durch Zusatz von Harzen so modifiziert, daß die Aktivierungstemperaturen der in der Folie enthaltenen unmodifizierten Polymere und die Erweichungstemperatur der Folie insgesamt gesenkt werden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Lösung anzugeben, wie sich ein Folienstapel, von dem mindestens zwei Folien durch eine Klebstoffschicht miteinander verbunden sind, durch Wärmebehandlung ohne Ausfluß von Klebstoff laminieren läßt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Folienanordnung mit den in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmalen. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein Heißschmelzklebstoff verwendet, der eine aktivierbare Vernetzungskomponente enthält. Beim Laminieren wird die Vernetzungskomponente des Heißschmelzklebstoffs erst aktiviert, wenn der Heißschmelzklebstoff die notwendige Temperatur zur Herstellung eines Verbunds der an die Klebstoffschicht angrenzenden Folienschichten erreicht hat.
Durch Aktivierung der Klebstoffschicht wird der Aushärtevorgang der Klebstoffschicht angestoßen. Durch den nachfolgenden Aushärtevorgang wird die Schmelztemperatur des Klebstoffs so angehoben, daß der ausgehärtete Klebstoff eine höhere Schmelztemperatur als der noch offene Klebstoff aufweist. Wenn der Klebstoff so gewählt wird, daß die Schmelztemperatur des ausgehärteten Klebstoffs oberhalb der zur Verbindung der übrigen Folien notwendigen Laminiertemperatur liegt, ist nicht zu befürchten, daß der Klebstoff während der Wärme- und Druckbehandlung ausfließt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Aktivierung der Klebstoffschicht selbständig während der Wärmebehandlung ausgelöst. Zu diesem Zweck wird für die Klebstoffschicht insbesondere ein Klebstoff mit einer Klebstoffmatrix verwendet, in die die Aktivierung auslösende Substanzen in verkapselter Form eingebettet sind, z. B. in einem Polyurethan-Heißschmelzkleber eingelagerte Isocyanat-Kapseln.
Die verkapselten Vernetzungskomponenten brechen erst bei einer Temperatur auf, die deutlich oberhalb der Verbindungstemperatur des Heißschmelzklebstoffs liegen. Daher kann der Klebstoff zunächst auf Folien beschichtet werden, ohne daß die chemische Reaktion einsetzt. Beim Laminieren wird während der Wärmebehandlung zunächst der Klebstoff erweichen und einen Verbund mit einer angrenzenden Folie herstellen. Durch weitere Erwärmung des Klebstoffs wird der verkapselte Vernetzungsstoff freigesetzt und bewirkt die Vernetzung der Klebstoffmatrix. Der Aushärtevorgang läuft typischerweise innerhalb weniger Minuten ab und bewirkt nach kurzer Zeit einen starken Anstieg der Klebstofffestigkeit.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden Heißschmelzklebstoffe verwendet, deren Vernetzung durch das Einwirken von Strahlung, insbesondere UV-Strahlung, aktivierbar sind, beispielsweise radikalisch oder kationisch reagierende Stoffe. In diesem Fall ist es von Vorteil, wenn eine der beiden an die Klebstoffschicht angrenzenden Folien für die zur Aktivierung des Klebstoffs erforderliche Strahlung transparent ist. Dies ist bei gängigen Klebstofffolien in der Regel der Fall.
Bei der Verwendung von kationisch vernetzbaren Klebstoffen müssen die Deckfolien nicht notwendigerweise transparent sein, da diese Klebstoffe nach einer kurzzeitigen Energiezufuhr selbst weiter reagieren. Die Verwendung von radikalisch vernetzbaren Klebstoffen wird aber bevorzugt, weil sie im allgemeinen bessere Verbindungseigenschaften besitzen.
Daher wird bei einer bevorzugten Variante dieses Ausführungsbeispiels ein radikalisch vernetzbarer Klebstoff in einem ersten Schritt mittels eines Beschichtungsverfahrens, z. B. thermisch mittels Walzenauftrag, auf eine Folie aufgebracht und anschließend mit einer zweiten Folie zusammengefügt, wobei mindestens eine der beiden Folien transparent ist. Findet der Fügevorgang noch zu einem Zeitpunkt statt, an dem der auf die Folie aufgebrachte Klebstoff ausreichend weich ist, kann durch das Zusammenfügen bereits eine ausreichende Anfangshaftung zwischen den Folien erzielt werden. Ansonsten kann diese Anfangshaftung in einem separaten Laminierschritt thermisch erzeugt werden. In einem dritten Verfahrensschritt wird der Klebstoff durch Belichten aktiviert, so daß sich eine temperaturstabiler Schichtverbund ergibt. Anschließend wird dieser Schichtverbund mit weiteren Folien laminiert.
Diese Variante kann in einem Endlosprozess realisiert werden, bei dem die einzelnen Verfahrensschritte in einer Produktionslinie nacheinander ausgeführt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung im einzelnen anhand der beigefügten Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch eine Laminierpresse;
2 ein Diagramm, das den Temperaturverlauf beim Laminieren ohne Klebstoffaktivieren zeigt; und
3 ein weiteres Diagramm, das den Temperaturverlauf bei einer frühzeitigen Aktivierung der Klebstoffschicht zeigt.
1 zeigt eine Laminierpresse 1 mit jeweils zwei beheizten Pressplatten 2. Zwischen den beheizten Pressplatten 2 sind Laminierbleche 3 eingebracht, zwischen denen sich ein Folienstapel 4 befindet. Der Folienstapel 4 setzt sich beispielsweise aus einer transparenten Grundfolie 5, einer Kernfolie 6, einer bedruckten Druckfolie 7, einer Heißschmelzklebstoffschicht 8 und einer Deckfolie 9 zusammen.
In 1 sind in den Folienstapel 4 ein innenliegender Temperaturmesspunkt M_i sowie zwei äußere Temperaturmesspunkte M_a eingezeichnet. Beim Aufheizen der Pressplatten 2 der Laminierpresse 1 ist die Temperatur im Bereich der äußeren Temperaturmesspunkte M_a zunächst größer als die Temperatur im Bereich des inneren Temperaturmesspunkts M_i. Dies wird anhand 2 näher erläutert.
In 2 zeigt eine Kurve 10 den Temperaturverlauf im Bereich des inneren Messpunkts M_i. Eine weitere Kurve 11 zeigt den Temperaturverlauf im Bereich eines der beiden äußeren Temperaturmesspunkte M_a. Ein in 2 schraffiert eingezeichneter Toleranzbereich 12 bezeichnet den Bereich innerhalb des Temperatur-Zeit-Diagramms, in dem der Kleber der Klebstoffschicht 8 einen für die Laminierung ausreichend festen Zustand aufweist. Das heißt, je höher die Klebertemperatur ist, desto schneller muß der Laminierprozeß beendet werden, damit der Klebstoff bei den herrschenden Laminierdrücken nicht wegfließt.
Bei der in 2 eingezeichneten Temperatur T_E handelt es sich um die Einstelltemperatur der Pressplatten 2. Die Temperatur T_L ist die notwendige Mindesttemperatur, um die Kernfolie 6 mit der Druckfolie 7 zu laminieren. Die Temperatur T_K ist schließlich die Mindesttemperatur, die für die Heißschmelzkleberlaminierung zwischen der Druckfolie 7 und der Deckfolie 9 benötigt wird. Die Mindesttemperatur T_L für die Folienlaminierung liegt, wie eingangs erwähnt, im allgemeinen höher als die Mindesttemperatur T_K für die Kleberlaminierung. Da die Temperatur T_E der Pressplatten 2 um eine Differenztemperatur oberhalb der Mindesttemperatur T_L für die Folienlaminierung gehalten wird, durchlauft die äußere Temperaturkurve 11 die Mindesttemperatur T_K zu einem Zeitpunkt t_k und die Mindesttemperatur T_L für die Folienlaminierung zu einem Zeitpunkt t₁. Die innere Temperaturkurve 10 dagegen erreicht die Mindesttemperatur T_L für die Folienlaminierung erst zu einem Zeitpunkt t₂, der erheblich nach dem Zeitpunkt t₁ liegt. Zu diesem Zeitpunkt t₂ hat die äußere Temperaturkurve 11 bereits einen Punkt X erreicht, der deutlich außerhalb des Toleranzbereichs 12 der Kleberfestigkeit liegt. Das bedeutet, daß der Klebstoff der Klebstoffschicht 8 ausläuft.
Umgekehrt genügt es nicht, nur die Laminierzeit bis zum Zeitpunkt t₁ einzuhalten, da zum Zeitpunkt t₁ die Temperatur der inneren Temperaturkurve 10 weit unterhalb der Mindesttemperatur T_L der Folienlaminierung liegt und somit kein Verbund erreicht würde.
Anhand 3 wird nunmehr ein Verfahren dargestellt, wie sich durch den Einsatz eines vernetzbaren Heißschmelzklebstoffs die oben beschriebenen Schwierigkeiten vermeiden lassen. Bei diesem Verfahren ist der Klebstoff in der Klebstoffschicht 8 so beschaffen, daß bei einer Aktivierungstemperatur T_A, die über der Mindesttemperatur T_K liegt, eine Vernetzungskomponente des Klebstoffs aktiviert wird, wodurch eine rasche Verfestigung des Klebstoffs beginnt. Dadurch steigt die Temperaturobergrenze 13 des Toleranzbereichs 12 stark an. In 3 ist der Temperatur- und Zeitpunkt, zu dem die Vernetzungskomponente aktiviert wird, mit Y bezeichnet. Durch die Aktivierung des Klebstoffs in der Klebstoffschicht 8 eröffnet sich ein relativ großes Temperaturfenster für die Laminierung weiterer Folienlagen. Weitere sich bei höheren Temperaturen verbindende Bestandteile des Folienstapels 4 können somit problemlos laminiert werden.
Als Klebstoff für das in 3 dargestellte Verfahren kommen die eingangs genannten Polyurethan-Heißschmelzkleber mit verkapselten Isocyanaten in Frage. Die Verkapselung der die Reaktion auslösenden Isocyanate bricht erst bei der Aktivierungstemperatur T_A auf, die deutlich oberhalb der Erweichungsgrenze des Polyurethan-Heißschmelzklebers liegt. Somit ist es möglich, den Kleber zunächst auf Folien zu beschichten, ohne daß die chemische Reaktion einsetzt. Beim Laminieren des Folienstapels 4 wird zunächst der Klebstoff der Klebstoffschicht 8 erweicht. Der Klebstoff stellt daraufhin einen Verbund zwischen der Deckfolie 9 und der Druckfolie 7 her. Bei einer weiteren Erwärmung der Klebstoffschicht 8 kommt der Klebstoff durch Freisetzung der verkapselten Isocyanate zur Reaktion. Die Reaktion läuft in Abhängigkeit von der Temperatur in wenigen Minuten ab und bewirkt bereits nach kurzer Zeit einen starken Anstieg der Temperaturobergrenze 13. Nach etwa 10 Minuten hat der Kleber seine Endfestigkeit erreicht. Bei üblichen Laminierzeiten von 5 bis 20 Minuten und teilweise darüber kann somit kein übermäßiges Erweichen des Klebers und damit Ausfließen des Laminats mehr erfolgen.
Anstelle der Polyurethan-Heißschmelzkleber mit verkapselten Isocyanaten können durch Licht vernetzbare Polyurethan-Heißschmelzkleber eingesetzt werden. Dabei können zum einen radikalisch vernetzende Kleber verwendet werden, welchen während der Reaktion Energie z. B. in Form von UV-Strahlung zugeführt werden muß. Die Zuführung von Strahlung durch die Laminierbleche hindurch ist jedoch schwierig. Daher wird in diesem Fall der Einsatz von kationisch vernetzenden Klebern bevorzugt, die nach einer kurzzeitigen Energiezufuhr selbst weiter reagieren, und daher bereits kurz vor dem Laminierprozess aktiviert werden können.

1: Laminierpresse
2: Pressplatte
3: Laminierblech
4: Folienstapel
5: Grundfolie
6: Kernfolie
7: Druckfolie
8: Klebstoffschicht
9: Deckfolie
10: innere Temperaturkurve
11: äußere Temperaturkurve
12: Toleranzbereich
13: Temperaturobergrenze
M_a: äußerer Messpunkt
M_i: innerer Messpunkt
T_E: Einstelltemperatur der Heizplatten
T_L: Mindesttemperatur für Folienlaminierung
T_K: Mindesttemperatur für Kleberlaminierung
T_A: Temperatur für Aktivierung

Claims

Verfahren zum Laminieren von Folien (6, 7, 9) mit den Schritten: – Anordnen von drei oder mehr Folien (6, 7, 9) und mindestens einer Heißschmelzklebstoffschicht (8) übereinander, so daß zwischen mindestens zwei Folien (7, 9) eine Heißschmelzklebstoffschicht (8) liegt während zugleich wenigstens zwei Folien (6, 7) unmittelbar aufeinanderliegen, wobei für die Heißschmelzklebstoffschicht (8) ein Heißschmelzklebstoff mit einer aktivierbaren Vernetzungskomponente verwendet wird, – Zusammenpressen der Folienanordnung (6, 7, 9) und – Erwärmen der Folienanordnung derart, daß die Heißschmelzklebstoffschicht (8) eine Temperatur (T_k) erreicht, bei der sie eine Verbindung zwischen den zwei an die Heißschmelzklebstoffschicht (8) angrenzenden Folien (7, 9) herstellen kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Folienanordnung über die Temperatur (T_k) hinaus weitererwärmt wird, derart, daß die Heißschmelzklebstoffschicht (8) eine Temperatur (T_A) erreicht, bei der die Vernetzungskomponente aktiviert und damit die Aushärtung des Heißschmelzklebstoffs angestoßen wird, wodurch die Schmelztemperatur des Heißschmelzklebstoffs über die zur Verbindung der Folien (6, 7) benötigte Laminiertemperatur angehoben wird, und die Folienanordnung sodann bis zu einer Laminiertemperatur (T_L) weitererwärmt wird, um die ohne Zwischenlage einer Heißschmelzklebstoffschicht (8) unmittelbar aufeinanderliegenden Folien (6, 7) allein durch das Zusammenpressen und Erwärmen miteinander zu verbinden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Klebstoffschicht (8) ein Klebstoff mit verkapseltem Aktivierungsstoff verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Klebstoffschicht (8) ein Klebstoff auf der Basis von Polyurethan mit verkapselten Isocyanaten verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klebstoffschicht (8) durch das Einwirken von Strahlung aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Klebstoffschicht (8) benachbarte Folie (9) für den Durchtritt der zur Aktivierung notwendigen Strahlung transparent ist und durch diese Folie hindurch aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Klebstoffschicht (8) ein radikalisch vernetzender Klebstoff verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4 der 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Klebstoffschicht (8) ein kationisch vernetzender Klebstoff verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Folienanordnung aus zwei über die Heißschmelzkleberschicht verbundenen Folien besteht, welche nach der Aktivierung der Vernetzung der Heißschmelzkleberschicht mit ein oder mehreren weiteren Folien zusammengeführt und laminiert wird.
Folienanordnung zur Laminierung mit mindestens drei Folien (6, 7, 9), wobei zwischen mindestens zwei Folien (7, 9) eine Heißschmelzklebstoffschicht (8) liegt und wobei mindestens zwei Folien (6, 7) unmittelbar aufeinanderliegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Heißschmelzklebstoffschicht (8) eine aktivierbare Vernetzungskomponente enthält, die bei einer Temperatur (T_A), welche über der Schmelztemperatur (T_K) des Heißschmelzklebstoffes liegt, aktivierbar ist, wobei die Schmelztemperatur des Heißschmelzklebstoffs nach dessen Aushärten über die zur Verbindung der unmittelbar aufeinanderliegenden Folien (6, 7) benötigte Laminiertemperatur (T_L) angehoben wird.
Folienanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Klebstoff ein Polyurethan-Heißschmelzkleber mit verkapselten Isocyanaten als Vernetzungskomponente ist.
Folienanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine Grundfolie (9) eine Heißschmelzklebstoffschicht (8) mit einer aktivierbaren, radikalisch vernetzenden Komponente aufgebracht ist.
Folienanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine Grundfolie (9) eine Heißschmelzkleberschicht mit einer aktivierbaren, kationisch vernetzenden Komponente aufgebracht ist.
Folienanordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfolie (9) für eine zur Aktivierung der Vernetzung des Klebstoffs erforderliche Strahlung transparent ist