DE1105149B - Verfahren und Einrichtung zur Verbesserung der Oberflaechen-haftfestigkeit von Kunststoffen - Google Patents

Description

Gegenstand der Hauptpatentanmeldung ist ein Verfahren und eine Einrichtung zur Verbesserung der Oberflächenhaftfähig- und haftfestigkeit von Kunststoffen für aufzubringende Schichten, bei dem der Kunststoff unter Vakuum der Einwirkung des Plasmas einer Niederdruckgasentladung ausgesetzt ist. Im besonderen ist bei der Hauptpatentanmeldung die Behandlung von Kunststoffolien angegeben, deren Druckfarbenhaftfestigkeit verbessert werden soll. Gegenstand der Zusatzpatentanmeldung ist die Weiterbildung des Verfahrens nach der Hauptpatentanmeldung zum Behandeln von Hohlkörpern aus Kunststoff und eine Weiterbildung der hierzu verwendeten Einrichtungen.

Die Erfindung besteht darin, daß zur Behandlung eines Hohlkörpers mit mindestens einer Öffnung das Plasma an den inneren und äußeren Oberflächen gleichzeitig zur Wirkung gebracht wird. Somit ist es auf einfache Weise möglich, Kunststoffhohlkörper beliebiger Form gleichzeitig außen und innen zu behandeln, ohne daß eine besondere Anpassung der hierzu verwendeten Einrichtungen an die jeweilige Form der Kunststoffkörper erforderlich ist; insbesondere bei Polyäthylenkörpern in Form von Flaschen od. dgl. besteht ein dringendes Bedürfnis, solche Flaschen gas- und aromadicht zu machen, um darin eingebrachte Substanzen haltbar aufbewahren zu können. Zu einer solchen Behandlung der Oberflächen sollen z. B. Lacke auf die Oberfläche, insbesondere die Innenfläche, des Kunststoffkörpers gebracht werden, die fest haften müssen. Auf unbehandeltem Kunststoff haften jedoch die Lacke od. dgl. nicht sicher. Bisher bestand jedoch keine Möglichkeit, die Innenflächen von solchen Hohlkörpern mit dem allgemein angewendeten Kreideischen Flammverfahren vorzubehandeln. Das Aufbringen von Lacken od. dgl. auf vorbehandelte und bedruckte Außenflächen ist wegen der schlechten Haftung der Lacke auf den meisten Druckfarben oft nicht möglich. Durch die Erfindung wird jedoch auf einfache Weise sowohl die Innen- als auch die Außenfläche von Hohlkörpern für das Aufbringen von Schichten vorbereitet, beispielsweise im Inneren zum Aufbringen der erwähnten Lacke und auf den Außenflächen z. B. zum Bedrucken od. dgl.

45

Es ist zwar schon versucht worden, die Innenflächen von Hohlkörpern vorzubehandeln, jedoch sind die bekannten Methoden (Kreidelsches Flammverfahren) — von Einzelfällen abgesehen — für die Massenbehandlung ungeeignet, da eine Beschädigung der Kunststoffkörper dabei kaum zu vermeiden ist. Diese Nachteile werden mit dem Verfahren nach der Erfindung sicher vermieden.

Das Plasma kann durch Glimmentladung oder Verfahren und Einrichtung
zur Verbesserung der Oberflächenhaftfestigkeit von Kunststoffen

Zusatz zur Patentanmeldung S 56363 X/39 a
(Auslegeschrift 1 089 154)

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktienges ells chaf t_r

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dr. phil. Heinz Fröhlich, Erlangen,
ist als Erfinder genannt worden

Hochfrequenzentladung oder durch beide Entladungsarten gemeinsam erzeugt werden, wobei die Erzeugung der Hochfrequenzentladung durch elektromagnetische oder elektrische Felder oder beide erfolgen kann.

Durch die erfindungsgemäße Behandlung werden ferner die Oberflächen außen und innen von elektrostatischen Aufladungen befreit, so daß keine Staubund Schmutzteilchen angezogen werden und bei vorzugsweise unmittelbar anschließend folgender Bearbeitung der Kunststoffhohlkörper eine saubere Oberfläche gewährleistet wird, die sich in einer besonders guten Qualität des fertigen Erzeugnisses äußert.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der Zeichnung, in der einige Ausführungsbeispiele von Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung dargestellt sind, näher erläutert.

Elektrisch isolierte Teile werden hierzu zur besse^ ren Übersichtlichkeit doppelt schraffiert dargestellt und allen Ausführungsbeispielen gemeinsame Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Einrichtung nach Fig. 1 bis 3 arbeitet mit Glimmentladungen, während die Einrichtung nach Fig. 4 mit elektrischer Hochfrequenzentladung, die Einrichtung nach Fig. 5 mit magnetischer Hochfrequenzentladung arbeitet und die Einrichtung nach Fig. 6 eine kombinierte elektromagnetische Hochfrequenzentladung aufweist.

109 577/368

Die bei der Einrichtung nach Fig. 1 bis 3 benutzten Niederdruckglimmentladungen werden z. B. bei einem Luftdruck von 0,1 bis 1 Torr, einigen 100 Volt Brennspannungen und einigen mA/cm² Stromdichte unterhalten. Die Niederdruekglimmentladung geschieht nach Fig. 1 in einer Unterdruckkammer 1, der mehrere metallische stiftförmige Elektroden 2 parallel zueinander senkrecht angeordnet und untereinander galvanisch durch einen Träger 3 verbunden sind, der bei kleinem Öffnungsquerschnitt der Hohlkörper seinerseits isoliert ist und durch eine innerhalb der Unterdruckkammer 1 isolierte Zuleitung 4 über einen außerhalb der Kammer befindlichen Lastwiderstand 5 an den einen Pol einer Gleich- oder Wechselspannungsquelle 6 angeschlossen ist. Bei großem Öffnungsquerschnitt der Hohlkörper kann die Isolierung des Trägers und der Zuleitung wegfallen. Die einzelnen Stabelektroden 2 können an ihren freien Enden mit Isolierkappen 7 bedeckt werden, damit die auf die Elektroden gestülpten Kunststoffkörper 8 bei intensiver Vorbehandlung nicht in direkte Berührung mit den Elektroden kommen und beschädigt werden. Ebenfalls sind die Verbindungsstellen der Elektroden 2 mit dem Träger 3 bei kleinen Öffnungsquerschnitten mit einem vorzugsweise in den Innenraum der Kunststoffkörper 8 reichenden Isoliermantel zu versehen. Die einzelnen Elektroden 2 sind in solchen Abständen voneinander angebracht, daß sich die daraufgestülpten Kunststoffkörper 8 gegenseitig nicht berühren können. Auf diese Weise wird eine gute Vorbehandlung der Innen- und Außenflächen der Kunststoffkörper erzielt. Eine für alle Stabelektroden 2 angebrachte Gegenelektrode 9 ist z. B. plattenförmig ausgebildet und durch eine innerhalb der Kammer 1 isolierte Zuleitung 10 mit dem anderen Pol der Spannungsquelle 6 verbunden. Die Größe der Gegenelektrode 9 ist so bemessen, daß sie eine möglichst gleichmäßige Berührung aller Kunststoffkörper mit der Entladung ergibt. Durch die angegebene Isolierung der Elektroden und ihrer Zuleitungen und Träger, durch die nur ein Teil der Stiftelektroden innerhalb der Kunststoffhohlkörper frei bleibt, geht auch bei kleinem Öffnungsquerschnitt der Hohlkörper bei bestimmtem Unterdruck in der Kammer 1 und ausreichender Spannung eine Glimmentladung von den Stabelektroden 2 aus dem Inneren der Kunststoffkörper 8 zur Gegenelektrode 9 und erfüllt sowohl die inneren als auch die äußeren Räume zwischen den Kunststoffkörpern. Da die mittlere freie Weglänge der Ladungsträger der Entladung innerhalb der angegebenen Drücke im allgemeinen klein ist gegenüber den geometrischen Abmessungen der Kunststoffkörper, abgesehen von engen Spalten, Kapillaren u.dgl.), schmiegt sich die Glimmentladung praktisch genau an die Innen- und Außenflächen der Körper an und gewährleistet eine gleichmäßige Vorbehandlung. Es entfällt somit die Notwendigkeit einer Anpassung der Elektrodenformen an die Kunststoffkörper. Es ist gegebenenfalls nur die Länge der Stabelektroden 2 und die Größe ihrer gegenseitigen Abstände etwa an die Größe der Kunststoffkörper anzupassen.

Bei gleichzeitiger Vorbehandlung mehrerer Kunststoffkörper ist es zur Erzeugung einer gleichmäßigen Glimmentladung in allen Körpern zweckmäßig, möglichst solche gleicher Form und Größe in die Unterdruckkammer einzubringen.

Bei Verwendung einer Gleichspannungsquelle 6 ist es vorteilhaft, die Stabelektroden 2 an negatives Potential und die gemeinsame Elektrode an positives Potential anzuschließen. In diesem Fall wird an irgendeiner der Stabelektroden 2 die Glimmentladung einsetzen, und bei genügend hoher Spannung und genügend kleinem Belastungswiderstand 5 wird sich der nicht isolierte Teil der betreffenden Stiftelektrode sofort vollständig mit Kathoden glimmdicht überziehen. Dabei geht der normale Kathodenfall in den anomalen Kathodenfall über. Die Brennspannung steigt stark an, so daß die nächste Elektrode wirksam wird, wobei sich dieser Vorgang so lange wiederholt, bis alle Elektroden gezündet haben. Zur Verminderung der

ίο notwendigen Zündspannung können vorzugsweise noch gesonderte Zündelektroden 11 an jeder Stabelektrode 2 angeordnet sein, und zwar im Bereich der öffnungen der Kunststoffkörper 8. Bei genügend großen Öffnungsquerschnitten der Hohlkörper ist der Spannungsanstieg durch den anomalen Kathodenfall ausreichend, um Träger und Stifte auch ohne besondere Hilfsmaßnahmen mit einer Glimmhaut zu überziehen.

Bei Anschluß der Elektroden an eine Wechselspannungsquelle wird zwar für die Halbwellen, bei der

ao die Stabelektroden 2 positives Potential haben, die Stromspannungskennlinie einen anderen Verlauf haben, so daß bei zu hohem Gasdruck oder zu kleiner Stromdichte das Glimmlicht nicht an allen Elektroden ansetzt. Jedoch genügt bei entsprechender Einstellung der erwähnten Betriebsbedingungen die negative Halbwelle an den Stabelektroden, so daß in jedem Fall ein einwandfreier Behandlungseffekt erzielt wird.

In Fig. 2 ist an Stelle der gemeinsamen Elektrode 9 eine der Zahl der Stabelektroden entsprechende Zahl von Einzelelektroden 12 vorgesehen, die die gleiche Form und Anordnung wie die Stabelektroden 2 haben und die ebenfalls mit Kunststoffhohlkörpern 8 bestückt sein können. Die Wirkungsweise ist die gleiche wie im erstgenannten Fall, nur mit dem Unterschied, daß bei Verwendung einer Wechselspannungsquelle 6 die Stromübergänge in beiden Halbwellen gleich sind.

Eine Beeinflussung des Behandlungseffektes bei gegebener Form der Glimmentladung kann durch den Gasdruck, die Stromstärke, die Elektrodenform, die Elektrodenabstände und durch die Behandlungszeit erfolgen. Man kann aber auch, wenn besondere Umstände dieses erfordern, die Form der Entladung selbst zur Änderung des Behandlungseffektes ausnutzen, indem man zwischen die Elektroden metallische oder nichtmetallische Hilfskörper in Form von Lochplatten, Netzen, Rohren od. dgl. anbringt und die Strombahnen der Glimmentladung in eine bestimmte Richtung zwingt. Als Hilfskörper können hierzu entsprechend geformte isolierte Teile der Elektroden selbst dienen. Es ist somit möglich, eine gute Symmetrierung der Stromrichtung in bezug auf die zu behandelnden Kunststoffkörper zu erreichen.

Ferner kann durch Einstellen der Plasmadaten, der Behandlungszeit oder beider eine bestimmte Dosierung des Behandlungseffektes erreicht werden, der der Dauer der Lagerung der vorbehandelten Körper bis zur weiteren Oberflächenbehandlung, z. B. Auskleiden mit Lack oder Bedrucken, angepaßt ist. Je länger die Lagerung dauert, desto stärker wird die Dosierung gewählt.

Ein Ausführungsbeispiel hierfür ist in Fig. 3 gezeigt. Die zur Beeinflussung der Glimmentladung dienenden Hilfskörper sind mit 13 und 14 bezeichnet. Sie schließen die Elektroden 2 bzw. 12 und die auf diese aufgesteckten Kunststoffkörper 8 ein. Die Hilfskörper können vorteilhaft an die jeweilige Form der Elektroden und der Kunststoffkörper angepaßt sein. Die Entladung und die Behandlung kann wie bei dem Verfahren nach der Hauptpatentanmeldung durch Einbringen von für den jeweiligen Kunststoffkörper

geeigneten Gasen in bestimmter Dosierung vorteilhaft beeinflußt werden. Für Kunststoffkörper aus Polyäthylen eignet sich z. B. besonders Sauerstoff, bei dessen Vorhandensein in der Unterdruckkammer eine außerordentlich gute Haftdruckfestigkeit und -haftfähigkeit der zu behandelnden Oberflächen erreichbar ist.

In den vorgenannten Ausführungsbeispielen sind Glimmentladungen verwendet worden, bei denen die Laufzeit der Elektronen von einer Elektrode zur anderen klein gegenüber der Periodendauer der speisenden Wechselspannung ist. Eine gleichzeitige Innen- und Außenbehandlung der in die Unterdruckkammer eingebrachten Kunststoffkörper läßt sich aber auch durch Hochfrequenzentladung, die entweder durch elektrische oder elektromagnetische Wechselfelder oder durch beide gemeinsam erzeugt wird, erreichen. Hierbei ist es nicht erforderlich, daß die Elektroden in das Innere der zu behandelnden Kunststoffkörper reichen müssen, sondern es genügt vielmehr, daß die betreffenden Hohlkörper zwischen zusammenarbeitenden Elektrodenpaaren oder im Inneren eines Spulenkörpers angeordnet sind.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine mit elektrischer Hochfrequenzentladung arbeitende Einrichtung nach der Erfindung. In der Unterdruckkammer 1 sind die zu behandelnden Kunststoffkörper 8 jeweils zwischen zwei für eine bestimmte Anzahl von Kunststoffkörpern gemeinsamen plattenförmigen Elektroden 15 und 16 angeordnet. An die zusammenarbeitenden Elektroden 15 und 16 ist die hochfrequente Spannung eines Hochfrequenzgenerators 17 gelegt. Die Elektroden sind mit isolierenden Halterungen 18 versehen, auf welche Kunststoffkörper 8 aufgebracht werden können. Die Halterungen der Kunststoffkörper können jedoch auch in anderer Weise geschehen; es ist nur gefordert, daß die Kunststoffe nicht miteinander und mit den Elektroden selbst in unmittelbare Berührung kommen. Die für die Hochfrequenzentladung erforderlichen Feldstärken hängen von der Frequenz, der Gasart und dem Gasdruck ab. Es ist z. B. für Luft bei einem Druck von 0,1 Torr und von einer Frequenz von 40 MHz eine effektive Feldstärke von 30 bis 40 Volt/cm ausreichend.

In Fig. 5 ist eine Einrichtung nach der Erfindung mit elektromagnetisch erzeugter Hochfrequenz dargestellt. In der Unterdruckkammer 1 sind die vorzubehandelnden Kunststoffkörper 8 angebracht, und zwar innerhalb einer Spule 19, die zur Erzeugung der Entladung dient. Diese Spule 19 ist Teil eines von einem Generator 20 gespeisten Schwingungskreises. An Stelle einer einzigen Spule können auch mehrere nebeneinander oder übereinander angeordnete Spulen vorgesehen sein, die in der Unterdruckkammer 1 angeordnet sind. Die zu behandelnden Kunststoffkörper 8 werden innerhalb der Spule 19 in der Nähe der Innenwände angeordnet, da die Intensität der Entladung in Richtung zur Spulenachse geringer wird. Auch hier werden die Kunststoffkörper auf isolierende Halterungen 21, 22 aufgebracht, so daß sie sich gegenseitig nicht berühren und ebenfalls mit den Spulenwandungen nicht in Berührung kommen können.

In Fig. 6 ist noch eine kombinierte, mit elektrischen und elektromagnetischen Hochfrequenzfeldern arbeitende Einrichtung dargestellt. Auf diese Weise gelingt eine bessere Raumausnutzung der Spuleninnenfläche, da die in der Nähe der Spulenachse angeordneten Kunststoffkörper durch das elektrische Hochfrequenzfeld behandelt werden. Hierzu sind die Elektroden 15, 16 am oberen und unteren Ende der Spule 19 parallel zueinander angeordnet, wobei die Speisung der Spule und der Elektroden über einen mit Abgriffen versehenen Widerstand 24 durch einen entsprechenden Generator 23 erfolgt. Die Wirkungsweise der letztgenannten Einrichtung ist dieselbe wie die der vorgenannten Einrichtungen.

Selbstverständlich ist.die Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Es kann auch zweckmäßig sein, eine mit Glimmlicht arbeitende Einrichtung nach Fig. 1 bis 3 mit einer oder beiden Einrichtungen nach den Fig. 4, 5 und 6 zu kombinieren, indem Elektroden und Spulen in der Unterdruckkammer 1 angeordnet werden und mit Speisequellen verbunden werden. Die Kopplung bzw. Parallelschaltung eines Hochfrequenzgenerators mit einer Gleichoder Wechselspannungsquelle erfolgt dabei in an sich bekannter Weise.

Ferner kann die Einführung der Kunststoffkörper in die Behandlungskammer chargenweise oder mit an sich bekannten Mitteln der Vakuumtechnik, z. B-. mit Schleusenvorrichtungen, schubweise oder kontinuierlich erfolgen.

Claims (20)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verbesserung der Oberflächenhaftfähig- und -haftfestigkeit von Kunststoffen für aufzubringende Schichten, bei dem der Kunststoff unter Vakuum der Einwirkung des Plasmas einer Niederdruckgasentladung ausgesetzt ist, nach Patentanmeldung S 56363 X/39 a (1089154) dadurch gekennzeichnet, daß zur Behandlung eines Hohlkörpers mit mindestens einer Öffnung das Plasma in den inneren und äußeren Oberflächen gleichzeitig zur Wirkung gebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma durch eine Niederdruckglimmentladung erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma durch eine Niederdruck-Hochfrequenzentladung erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma durch die gleichzeitige Anwendung einer Niederdruckglimmentladung und einer Niederdruck-Hochfrequenzentladung erzeugt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Hochfrequenzentladung elektrische und/oder elektromagnetische Felder benutzt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmadaten und/oder die Behandlungszeit der Dauer der Lagerung der vorbehandelten Kunststoffkörper bis zur weiteren Oberflächenbearbeitung (z. B. Bekleiden mit Lack oder Bedrucken) angepaßt werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbringen der vorzubehandelnden Kunststoffkörper in den Behandlungsraum chargenweise oder kontinuierlich erfolgt.

8. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Isolierkappen oder isolierte Halterungen (7 bzw. 18) zur Vermeidung einer unmittelbaren Berührung der Kunststoffkörper (8) mit den Entladungseinrichtungen (2, 15, 16) vorgesehen sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 7 unter Verwendung einer Glimmentladung, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Unterdruckkammer (1) ein oder mehrere Elektrodenpaare (2,9,12) angeordnet sind und wenigstens eine Elektrode (2,12) jedes Paares in das Innere des Kunststorrkörpers (8; ragt (Fig. 1 bis 3).

10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht in den jeweiligen Kunststoffkörper ragenden Elektroden zu einer sämtlichen Kunststoff körpern (8) gemeinsamen Gegenelektrode (9) zusammengefaßt sind (Fig. 1).

11. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode als ebene oder gekrümmte Flächenelektrode (9) gestaltet ist (Fig/l).

12. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Elektroden zur Einführung in das Innere der zugeordneten Kunststoffkörper ausgebildet sind und je zwei Elektroden ein zusammenarbeitendes Elektrodenpaar bilden bei solcher räumlicher Anordnung zueinander, daß mindestens einer der beiden Elektroden zugeordneten Kunststoffkörper auch an seiner Außenfläche vollständig dem Plasma ausgesetzt ist (Fig. 2).

13. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7, 8 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die in das Innere des Kunststoffkörpers (8) ragenden Elektroden (2,12) teilweise mit einem Isolierkörper (7) bedeckt sind.

14. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper als Mittel zur Verhinderung einer unmittelbaren Berührung des wirksamen Elektrodenteiles mit dem Kunststoff körper benutzt ist.

15. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Zuleitungen (4,10) zu den Elektroden innerhalb der Unterdruckkammer in Isolierkörper eingebettet sind (Fig. 1 und 2).

16. Einrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen 8, 11 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß an den in die Kunststoffkörper (8) ragenden Elektroden (2,12) zusätzliche Zündelektroden (11) angebracht sind, und zwar insbesondere in einem innerhalb des Kunststoffkörpers liegenden Bereich (Fig. 1 bis 3).

17. Einrichtung nach den Ansprüchen 1, 6 oder 10 unter Anwendung einer gegebenenfalls zusätzlichen Hochfrequenzentladung mit elektrischen Feldern, dadurch gekennzeichnet, daß beide Elektroden eines für die Hochfrequenzentladung dienenden Elektrodenpaares als gegebenenfalls für mehrere Kunststoff körper (8) gemeinsame Flächenelektroden (15,16) ausgebildet sind.

18. Einrichtung nach den Ansprüchen 1,4 oder 6 unter Anwendung einer gegebenenfalls zusätzlichen Hochfrequenzentladung mit elektromagnetischen Feldern, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffkörper im Innern der Magnetspule, vorzugsweise in der Nähe der Spulenwandung angeordnet sind.

19. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beeinflussung des Plasmaverlaufes in Anpassung an die Form der Kunststoffkörper (8) dienende Körper (13,14) in die Entladung eingebracht sind (Fig. 3).

20. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden und die Halterungen der Kunststoffkörper zueinander verstellbar sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 109· 577/368 4.