DE2457694C2

DE2457694C2 - Verfahren zur Erzeugung einer kleb- und beschichtungsfähigen Oberfläche an unpolaren Plastwerkstoffen

Info

Publication number: DE2457694C2
Application number: DE19742457694
Authority: DE
Inventors: Hans-Jörg Dipl.-Phys. DDR 9000 Karl-Marx-Stadt Erler; Jochen DDR 9387 Niederwiesa Klemm; Günter Dr.rer.nat. DDR 9000 Karl-Marx-Stadt Reiße; Manfred Dipl.-Phys. DDR 8253 Coswig Rost; Christian Prof. Dr.rer.nat.habil DDR 9000 Karl-Marx-Stadt Weißmantel
Original assignee: VEB HOCHVAKUUM DRESDEN DDR 8020 DRESDEN DD
Current assignee: VEB HOCHVAKUUM DRESDEN DDR 8020 DRESDEN DD
Priority date: 1974-02-15
Filing date: 1974-12-06
Publication date: 1982-04-08
Also published as: GB1483823A; DE2457694A1; DD109891A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren Zvir Erzeugung einer kleb- und beschichtungsfähigen Oberfläche an unpolaren Plastwerkstoffen, vorzugsweise an Polyfluorkohlenwasserstoffen, deren antiadhäsive Oberfläche so aktiviert wird, daß kraftschlüssige Klebeverbindungen und das Aufbringen haftfester Überzüge ermöglicht werden.

Für die Oberflächenvorbehandlung zur Verbesserung der Kleb- und Beschichtungsfähigkeit von Plastwerkstoffen sind eine Vielzahl von Verfahren bekannt, wobei die Einwirkungen auf die Plastoberfläche mechanischer, chemischer oder physikochemischer Art sein können. Für unpolare, teilkristalline Plastwerkstoffe, beispielsweise Polyfluorkohlenwasserstoffe, ist erfahrungsgemäß die rein mechanische Haftgrundvorbereitung völlig unzureichend.

Es ist bereits bekannt, bei unpolaren Plastwerkstoffen durch Oxydation der Oberfläche in geeigneten Oxydationsmitteln die Kleb- und Beschichtungsfähigkeit zu verbessern, beispielsweise wird Polyäthylen mit Hilfe von Chromschwefelsäure oxydiert. Des weiteren ist bekannt, daß die Einwirkung von Xenonfluorid auf die Oberfläche unpolarer Plastwerkstoffe deren Hafteigenschaften verbessert. Speziell für die Vorbehandlung der Oberflächen von Polyfluorkohlenwasserstoffen zum Zwecke der Verklebung ist deren Behandlung mit metallischem Natrium in wasserfreiem Ammoniak bekannt.

Außerdem ist bereits bekannt, unpolare Plastwerkstoffe vor der Verklebung in einer Korona- oder Glimmentladung bei Drücken zwischen 760 und 10-²Torr der Einwirkung niederenergetischer Ladungsträger auszusetzen. Hierbei werden in der

5 Oberfläche des Plastwerkstoffes polare Gruppen erzeugt, welche die Verbesserung der Klebfähigkeit bewirken. Die Klebfähigkeit der Oberfläche bleibt jedoch unter Sauerstoffeinwirkung nur für eine begrenzte Zeit erhalten.

Es wurde auch vorgeschlagen (US-PS 29 55 953) die Oberfläche unpolarer Plastwerkstoffe mit ionisierter Korpuskularstrahlung, wie z. B. Alphateilchen, mit Energien im Kiloelektronenbereich im Vakuum zu behandeln.

Die Nachteile der bekannten Verfahren zur Oberflächenbehandlung antiadhäsiver Plastwerkstoffe zum Zwecke der Verklebung und Beschichtung bestehen darin, daß entweder nur jeweils eine der mechanischen, chemischen oder physikochemischen Einwirkungen erzielt wird oder mehrere Verfahrensvarianten gekoppelt werden müssen, wobei nach Verklebung der behandelten Oberflächen die Zugfestgikeit der Klebstelle nicht die Werte des kompakten Plastwerkstoffes erreicht und aufgebrachte Schichten eine ungenügende Haftfestigkeit besitzen. Des weiteren führen einige Verfahren zu einer zeitlich begrenzten Kleb- und Beschichtungsfähigkeit der Oberfläche und sind daher für Produktionszwecke nur bedingt geeignet. Außerdem gestatten die bekannten Verfahren nur in geringem Maße eine selektive Vorbehandlung der Oberfläche und führen zum Teil zu Beeinträchtigungen der Eigenschaften des Plastwerkstoffes.

Zweck der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von antiadhäsiven Plastwerkstoffen zu schaffen, um die aufgezeigten Mängel zu beseitigen und zu gewährleisten, daß bei Verklebung dieser Oberflächen die Zugfestigkeit der Klebestelle die des kompakten Plastwerkstoffes erreicht und bei Beschichtung Überzüge genügender Haftfestigkeit ermöglicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Oberfläche von unpolaren Plastwerkstoffen, vorzugsweise Poiyfluorkohlenwasserstoffen, in einem Arbeitsgang ohne Beeinträchtigung der Eigenschaften des kompakten Materials mechanisch, chemisch und physikochemisch so vorzubehandeln, daß kraftschlüssige Klebeverbindungen mit handelsüblichen Universalklebstoffen hergestellt und haftfeste Überzüge aufgebracht werden können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß Atom- oder Molekülionen mit Energien im Kiloelektronenvoltbereich bei Vor- oder Hochvakuumbedingungen auf die Oberfläche der Plastwerkstoffe aufgeschossen werden, wobei in Abhängigkeit von den Verfahrensparametern an der Oberfläche des Plastwerkstoffes Materialteilchen durch Zerstäuben selektiv abgetragen werden. An der Oberfläche werden spezifische Ätzstrukturen und polare Gruppen ausgebildet. Die Oberflächenbehandlung erfolgt nach entsprecheder Modifikation der Targetelektrode entweder in einer an sich bekannten Plasma-Zerstäubungsvorrichtung, vorzugsweise in einer Hochfrequenz-Plasmazerstäubungsvorrichtung, bei Drücken von 10-³ bis 10-' Torr und Ionenenergien von 1 bis 5 Kiloelektronenvolt oder in einer an sich bekannten Ionenstrahl-Zerstäubungsvorrichtung bei Drücken von 10~⁶ bis 10-³Torr und Ionenenergien von 1 bis 10 Kiloelektronenvolt, wobei der Plastwerkstoff als Target geschaltet

ist und die entsprechende Targetaufladung in geeigneter Weise, beispielsweise durch Einstrahlung von Elektronen, kompensiert wird.

In weiterer Ausführung der Erfindung kann bei Verwendung einer Ionenstrahl-Zerstäubungsvorrichtung zur Oberflächenbehandlung der Einschußwinkel der Ionen relativ zur Oberfläche des Plastwerkstoffes beliebig variiert werden, so daß die entsprechenden Ätzstrukturen, beispielsweise kugelartige Gebilde, die in Richtung der einfallenden Ionen zeigen, unter einem bestimmten Winkel relativ zur Oberfläche geneigt sind.

Ferner werden zur Oberflächenbehandlung von Plastwerkstoffen reaktionsträge Ionen, vorzugsweise Edelgasionen wie Argon- oder Krypton-Ionen, oder Ionen von reaktionsfreudigen Elementen und Verbindungen, beispielsweise von Sauerstoff, Halogen und Halogenverbindungen verwendet, wobei die reaktionsfreudigen Ionen gleichzeitig eine chemische Ätzung der Oberfläche bewirken.

Des weiteren werden die Behandlungsdauer und die Ionenenergie so bemessen, daß sich eine, für den jeweiligen Verwendungszweck optimale Rauhtiefe auf der Werkstücksoberfläche ergibt. Die Leistungsdichte auf der Werkstücksoberfläche, die Kühlung des Plastwerkstückes und die Behandlungsdauer müssen so aufeinander abgestimmt sein, daß keine temperaturbedingten Änderungen der Eigenschaften des Plastwerkstoffes entstehen.

In weiterer Ausbildung der Erfindung können mit Hilfe geeigneter Blenden durch gezielte Ionenführung, zum Beispiel durch entsprechende Ablenkung uder Fokussierung der Ionen, und durch geeignete Positionierung oder Bewegung des Werkstückes ausgewählte Bereiche der Oberfläche des Plastwerkstoffes geätzt werden.

Ferner können Plastwerkstücke beliebiger Form und Konstitution, beispielsweise Platten, Folien, Rohre, Fasern und Gewebe, vorbehandelt werden.

Des weiteren kann die Bearbeitung der Oberfläche von Plastwerkstoffen in Ionen-Zerstäubungsvorrichtungen sowohl kontinuierlich, zum Beispiel in Durchlaufanlagen, als auch diskontinierlich, zum Beispiel im Chargenbelrieb, erfolgen. Das Verfahren eignet sich vorzugsweise zur Oberflächenbehandlung von Polyfluorkohlenwasserstoffen, insbesondere von Polytetrafluoräthylen. So kann beispielsweise beim Polytetrafluoräthylen durch geeignete Wahl der Verfahrensparameter die Vergrößeru'ig der Oberfläche und die Geometrie der Ätzfiguren dem Verwendungszweck angepaßt werden. Beispielsweise wird für nachfolgendes Bedrukken der Oberfläche die Behandlung nach Ausbildung einer feinporigen Oberfläche abgebrochen, hingegen wird für nachfolgende Verklebung oder Aufbringung galvanischer Überzüge die Behandlung bis zur Herausbildung von Ätzfiguren im Mikrometerbereich fortgeführt.

Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung bestehen darin, daß unter Verwendung modifizierter kommerzieller Plasma- und Ionenstrahl-Zerstäubungsvorrichtungen an Oberflächen unpolarer Plastwerkstoffe durch Beschüß mit hochenergetischen Ionen mechanische, chemische und physikochemische Wirkungen in einem Arbeitszyklus erzielt werden, die die Kleb- und Beschichtungsfähigkeit dieser Oberflächen bedeutend erhöhen, so daß beispielsweise nach Verklebung die Zugfestigkeit der Klebestelle die Werte des kompakten Materials erreicht und eins hohe Haftfestigkeit der aufgebrachten Überzüge ermöglicht wird.

Diese Oberflächenbearbeitung erfordert keine Voroder Nachbehandlung des Werkstückes vor der weiteren Verarbeitung, ermöglicht ohne merklichen Zusatzaufwand eine selektive Oberflächenbehandlung und führt bei Einsatz entsprechend dimensionierter Zerstäubungsvorrichtungen zu hoher Produktivität.

Ferner wird durch dieses Verfahren eine dauerhafte Kleb- und Beschichtungsfähigkeit der behandelten Polymeroberfläche erzielt

Die Erfindung soll nachfolgend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 Oberflächenbehandlung des Plastwerkstoffes durch Anordnung als Target in einer Hochfrequenz-Plasma-Zerstäubungsvorrichtung,

Fig.2 Oberflächenbehandlung des Plastwerkstoffes durch Anordnung als Target in einer Ionenstrahl-Zerstäubungsvorrichtung.

Wie aus F i g. 1 ersichtlich ist, wird der Plastwerkstoff als Target 1 auf einer gekühlten Hochfrequenzelektrode 2 mit geerdeter Abschirmung 3 angewendet. Die Hochfrequenzelektrode 2 befindet sich im Vakuumrezipienten 4 einer kommerziellen Hochfrequenz-Zerstäubungsvorrichtung. Durch Einspeisung von Hochfrequenzenergie und durch Erzeugung eines Magnetfeldes mittels der Spulen 5 wird mit Argon im Druckbereich von 10~² bis 10-³Torr über dem Plastwerkstoff 1 eine Hochfrequenzgasen'ladung gezündet. Aus dem sicn bildenden Plasma 6 werden Ionen auf den Plastwerk stoff beschleunigt. Die mit Energien von 2 bis 3 Kiloelektronenvolt und Leistungsdichten von 1 bis 4 Watt pro Quadratzentimeter bei 10 mm Materialdicke auf die Oberfläche des Plastwerkstoffes auftreffenden Ionen zerstören in der Oberfläche eine Vielzahl von Bindungen und tragen selektiv Material ab. Dadurch entstehen an der Oberfläche des Werkstückes aktive Zentren sowie mikroskopisch kleine Gruben. Poren, Kegel und Nadeln, so daß sowohl eine chemische als auch eine mechanische Verbindung des Klebers oder der aufzubringenden Schicht mit dem Plastwerkstoff gewährleistet wird. Im Falle von Polytetrafluoräthylen wurden beispielsweise nach einer Behandlungsdauer von 3 Minuten mit Argonionen und anschließender Verklebung mit Epoxydharz im Stirnabriß 50 bis lOOfach größere Abrißkräfte gemessen als bei Verklebung unbehandelter Proben.

Fig. 2 zeigt in einem weiteren Ausführungsbeispiel die Anordnung des Plastwerkstoffes als Target 1 auf der gekühlten und drehbaren Targetelektrode 7 und die Ionenquelle 8, mit deren Hilfe die Ionen erzeugt und auf das Target beschleunigt werden, sowie eine an der Targetelektrode 7 angebrachte Elektronenquelle 9 zur Kompensation der Targetaufladung.

Die genannten Vorrichtungen befinden sich in einem Vakuumrezipienten 1 einer lonenstrahl-Zerstäubungsvorrichtung. Durch Beschüß des Plastwerkstoffes 1 mit Argonionenstrahlen, deren Energie 5 bis 10 Kiloelektronenvolt und die Leistungsdichte 1 bis 4 Watt pro Quadratzentimeter bei 10 mm Werkstückdicke und Vakua von 10~⁴ bis 10"⁵ Torr betragen, werden die bereits im ersten Ausführungsbeispiel dargelegten Veränderungen der Oberfläche des Plastwerkstoffes erreicht.

Darüber hinaus läßt sich bei dieser Verfahrensvariante der Ioneneinschußwinkel durch Drehung der Targetelektrode 7 verändern, so daß gezielt gerichtete Ätzstrukturen, zum Beispiel eine entsprechende Neigung der sich bildenden Nadeln auf Polytetrafluoräthy-

lenoberflächen, erzeugt werden können. Bei entsprechender Verklebung ermöglicht diese Vorbehandlung der Oberfläche eine weitere Erhöhung der Festigkeit der Klebestelle bei Scherbeanspruchung in einer Vorzugsrichtung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung einer kleb- und beschichtungsfähigen Oberfläche an unpolaren Plastwerkstoffen, bei dem Atom- oder Molekülionen mit Energien im Kiloelektronenbereich unter Voroder Hochvakuumbedingungen auf die Oberfläche des Plastwerkstoffes aufgeschossen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenbeschuß so durchgeführt wird, daß an der Oberfläche des Plastwerkstoffes durch Zerstäubung Material unter Bildung spezifischer Ätzstrukturen selektiv abgetragen wird.

Z Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Oberflächenbehandlung in einer Plasma-Zerstäubungsvorrichtung, vorzugsv. eise einf;r Hochfrequenz-Plasmazersiäubungsvorrichtung, bei Drücken von 10~³ bis 10-' Torr und Ionenenergien von eins bis fünf Kiloelektronenvolt erfolgt und der Plastwerkstoff als Targetelektrode geschaltet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Oberflächenbehandlung in einer lonenstrahl-Zerstäubungsvorrichtung bei Drücken von 10-^b bis 10~³Torr und Ionenenergien von eins bis zehn Kiloelektronenvolt erfolgt, der Plastwerkstoff als Target geschaltet ist und die Targetaufladung in geeigneter Weise kompensiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Einschußwinkel der Ionen relativ zur Oberfläche des Plastwerkstoffes so variiert wird, daß die entstehenden Ätzstiukturen relativ zur Oberfläche des Plastwerkstoffes geneigt sind.