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Verfahren zur Verbesserung der Verklebbarkeit bzw.
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Bedruckbarkeit von Kunststoffen Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Verbesserung der Verklebbarkeit bzw. Bedruckbarkeit von Kunststoffen, insbesondere
von Polyäthylen, durch Aufrauhen der zu verklebenden bzw. zu bedruckenden Oberflächen.
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Die sog. Vorbehandlung von Kunststoffen, welche ursprWnglich fUr das
Bedrucken von Kunststoffolien, Flaschen und dgl. entwickelt wurde, ist heute ein
außerordentlich wichtiges Hilfsmittel, um schwierig zu verklebende Kunststoffe klebbar
machen zu können. Sinn und Zweck feder Vorbehandlungemethode ist es, die Oberflächen
von entweder nur unbefriedigend oder llberhaupt nicht verklebbaren bzw. bedruckbaren
Kunststoffen so zu verändern, daß sie leicht bedruckt oder verklebt werden können.
Die bekannten Verfahren zur Vorbehandlung von Kunststoffen, welche in ~Kunststoffe
und ihre Verklebung" Verlag Brunke Garrels, Hamburg, 1967, Seiten 14 bis 31 von
H. Lucke zusammengestellt wurden, werden in rein mechanische, chemische und physikalische
Vorbehandungsmethoden gegliedert.
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Bei den rein mechanischen Vorbehandlungsmethoden werden die Oberflächen
der Kunststoffe durch Schmirgeln, Bürsten oder Sandstrahlen aufgerauht. Neben dem
Abtragen einer adhäsionsfeindlichen
Schicht wird durch dieses Aufrauhen
eine Vergrößerung und eine gewisse Aktivierung der Oberflächen erreicht, wodurch
die Haftung eines Klebstoffes oder einer Druckfarbe gesteigert wird.
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3ei den chemischen Vorbehandlungsmethoden wird die Veränderung der
Oberflächen durch die Einwirkung bestimmter Chemikalien herbeigefthrt. Die Auswahl
dieser Chemikalien richtet sich hierbei Jeweils nach den infrage kommenden Kunststoffen
oder Kunststoffgruppen. So werden Polyfluorcarbon-Kunststoffe beispielsweise mit
Metallen, wie Lithium, Natrium oder Kalium in Form von Schmelzen, Dämpfern1 Lösungen
oder Dispersionen oder mit Alkalimetall-Aryl-Komplex-Lösungen behandelt. Zu der
chemischen Vorbehandung von Polyolefinen sind beispielsweise Halogene, Halogenwasserstoffsäuren,
starke Oxydationsmittel wie Chromschwefelsäure und Ozon, Lösungsmitteldämpfe wie
Perchloräthylendämpfe und itansäureester geeignet. Hierbei kann zur Vorbehandlung
von Polyäthylen-Folien mit Chlorgas oder Ozon die Aktivierung der Folienoberflächen
durch gleichzeitige UV-Bestrahlung weiter gesteigert werden. Der Einsatz chemischer
Vorbehandlungsmethoden wird Jedoch eingeschränkt durch einen möglichen Angriff nicht
säureresistenter Materialien, die in den Kunststoff ganz oder teilweise eingebettet
sind. So werden beispielsweise in Polyäthylen verankerte Metallteile bei der chemischen
Vorbehandlung angegriffen.
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Die physikalischen Vorbehandlungsmethoden, die sich fast ausschließlich
auf die Oberflächenbehandlung von Polyolefinen wie Polyäthylen und Polypropylen
beschränken, werden in thermische und elektrische Verfahren unterteilt. Bei den
thermischen Vorbehandlungsverfahren wird durch die Temperatureinwirkung einer mit
Sauerstoffüberschuß brennenden Gasflamme die Molektilstruktur der Kunststoffe an
der Oberfläche verändert. Zu den elektrischen Vorbehandlungsverfahren zählt die
Bestrahlung mit hochenergetischen Elementarteilchen, bei welcher durch Moleklllver-
netzung
und/oder Molokiilabbau in Verbindung mit einer Oxydation der Kunststoffoberflächen
das Verkleben oder Bedrucken von Polyolefinfolien ermöglicht wird. Bei der elektrischen
Vorbehandlung mittels Koronaentladungen wird die Kunststoffoberfläche mit Elektronen
bombardiert. Durch die IOnisierung der Luft im Elektrodenspalt entsteht dann instabiles
Ozon, welches durch die Abspaltung von atomaren Sauerstoff eine Oxydation der Oberflächen
bewirkt.
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Eine Weiterbildung des vorstehend geschilderten Verfahrens, das sog.
TRAVER-Verfahren beruht darauf, daß die zu behandelnde Polyolefinoberfläche in einer
zwischen zwei im Abstand voneinander angeordneten Elektroden befindlichen Gasatmosphäre
einer elektrischen Entladung ausgesetzt wird, wobei die Gasatmosphäre unabhängig
von dieser elektrischen Entladung durch eine äußere Ionisierungsquelle ionisiert
wird. Hierdurch wird eine unerwwnschte Sprüh- oder Koronaentladung, die stets von
einer für Polyolefine schädlichen Ozonbildung begleitet ist, vermieden. Die Aktivierung
der Oberflächen durch Oxydation erfolgt in diesem Fall also ausschließlich durch
angeregte Sauerstoffmole0ct1le. Bei einer weiteren Variante der bekannten elektrischen
Vorbehandlungsver fahren wird eine Oxydation der Kunststoffoberflächen durch Niederdruck-Glimmentladungen
herbeigeführt.
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Eine kritische Betrachtung der bekannten Vorbehandlungsmethoden für
Kunststoffe führt zu dem Ergebnis, daß die rein mechanische Vorbehandlung nur zu
geringen Haftfestigkeiten führt und daß die chemischen Vorbehandlungsmethoden nur
beschränkt anwendbar sind.
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Die physikalischen Vorbehandlungsmethoden sind nur für wenige Kunststoffe
oder Kunststoffgruppen geeignet und hinsichtlich der erzielbaren Haftfestigkeiten
verbesserungsbedürftig.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Verbesserung der Verklebbarkeit bzw. Bedruckbarkeit von Kunststoffen zu schaffen,
bei welchem hohe Haftfestigkeiten ohne die Nachteile der chemischen Vorbehandlung
erzielt werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren
der eingangs genannten Art die Oberflächen durch Ionenätzung aufgerauht werden.
Im Gegensatz zu den bekannten physikalischen Vorbehandlungsmethoden erzeugt der
Ionenätzvorgang eine gleichmäßig rauhe Oberfläche mit Rauhtiefen von weniger als
0,1/um. Derart fein und gleichmäßig aufgerauhte Oberflächen konnten bislang auch
nicht durch die bekannten mechanischen Vorbehandlungsmethoden erzielt werden. Neben
der Abtragung einer antiadhäsiven Oberflächenschicht bewirkt das erfindungsgemäße
Verfahren eine wesentliche Vergrößerung der Oberflächen, wodurch die Adhäsion eines
Klebstoffes oder einer Druckfarbe erheblich gesteigert werden kann. Außerdem wird
durch die Ionenätzung auch eine gewisse Aktivierung der Oberflächen erzielt, d.h.
es entstehen reaktionsfähige Gruppen, welche mit polaren Gruppen der Klebstoffe
oder Druckfarben relativ feste Bindungen eingehen können. Ein weiterer Vorteil des
erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß es im Gegensatz zu den bekannten chemischen
Vorbehandlungsmethoden keinen Angriff mit dem gunststoff verbundener, nicht säureresistenter
Materialien bewirkt.
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Die Ionenätzung der Kunststoffoberflächen kann mit beliebigen hochfrequenzaktivierten
Gasen, also auch mit inerten Gasen, wie Argon, durchgeführt werden. Bei einer bevorzugten
Ausftihrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Oberflächen Jedoch
durch Ionenätzung mit einem hochfrequenzaktivierten, aktivierenden Gas aufgerauht.
Derartige aktivierende Gase bewirken eine weitere Verbesserung der Aktivierung der
Oberflächen und somit eine weitere Verbesserung der Klebbarkeit bzw. Bedruckbarkeit.
Hierbei hat es sich als besonders günstig herausgestellt, wenn als aktivierendes
Gas Sauerstoff verwendet wird.
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Weiterhin empfiehlt es sich, die Ionenätzung für eine Zeitdauer zwischen
5 und 20 Minuten durchzuführen. Wie Versuche ergeben haben, lassen sich in diesem
Bereich der Zeitdauer des Ionenätzvorganges hinsichtlich der Verklebbarkeit bzw.
Bedruckbar-
keit die besten Ergebnisse erzielen.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der
Zeichnung näher erläutert.
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Die Zeichnung zeigt das Schema einer Gasentladungsanlage, in welcher
die Oberflächen von Kunststoffen durch lonenätzung aufgerauht werden können. Derartige
Gasentladungsanlagen werden beispielsweise dazu verwendet, die Strukturen von Kunststoffen
durch lonenätzung freizulegen und hierdurch für nachfolgende elektronenmikroskopische
Aufnahmen vorzubereiten (~Gummi Asbest Kunststoffe", 25. Jahrgang, 1972, Heft 12,
Seiten 1159 bis 1164).
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Die in der Zeichnung dargestellte Gasentladungsanlage besitzt einen
Glasrezipienten 1; welcher vakuumdicht auf ein Unterteil 2 aufgesetzt ist. Das Unterteil
2 ist seinerseits über einen Flansch 21 vakuumdicht mit dem Flansch 31 einer abgebrochen
dargestellten Vakuumpumpe 3 verbunden. ober ein am Unterteil 2 angebrachtes Dosierventil
4 und feine ringförmig verteilte in den Mantel des Unterteils 2 eingebrachte Bohrungen
22 strömen geringe Mengen Sauerstoff bei einem Druck von ca. 10 Torr in den Glasrezipienten
1. Die Zufuhr des Sauerstoffs ist hierbei durch den Pfeil 5 angedeutet. In dem Glaarezipienten
1 ist ein wassergekuhlter Probentisch 6 angeordnet, auf welchen ein Kunststoffteil
7 aufgelegt wagen kann. Der Probentisch 6 ist durch den Mantel des Unterteils 2
hindurch an einen Kühlwasserkreislauf angeschlossen, wie es durch die Pfeile 61
und 62 angedeutet ist.
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Der Probentisch 6 ist über das Unterteil 2 an Masse gelegt und dient
auf diese Weise als Gegenelektrode einer von außen her um den Glasrezipienten 1
gelegten HF-Ringelektrode 8, welche an eine Steuereinheit 9 angeschlossen ist. Im
Feld der über die HF-Ringelektrode 8 angekoppelten Hochfreqisiz von 27,12 MHz wird
der Sauerstoff 5 mit einer Leistung von 30 W ionisiert, so daß die
oben
liegende Fläche des Kunststoffteils 7 durch Sauerstoffionenätzung aufgerauht und
danach verklebt bzw. bedruckt werden kann. Die positiv geladenen Sauerstoffionen
können durch eine überlagerte Gleichspannung von beispielsweise 300 V, die zwischen
dem wassergekühlten Probentisch 6 und einer an die Steuereinheit 9 angeschlossenen
Gleichspannungselektrode 10 liegt, zum Kunststoffteil 7 hin beschleunigt werden.
Eine für den vorliegenden Zweck vollauf befriedigende Ionenätzung kann Jedoch auch
ohne Anschluß der Gleichspannungselektrode 10 erzielt werden.
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In der vorstehend beschriebenen Gasentladungsanlage wurden mehrere
aus Polyäthylen bestehende Proben durch lonenätzung aufgerauht und über einen handelsüblichen
Zweikomponentenklebstoff auf der Basis von Epoxidharz miteinander verklebt. Zum
Vergleich wurden einige der Proben auch ohne Vorbehandlung bzw.
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nach einer mechanischen Aufrauhung durch Schmirgeln mit Sandpapier
der Körnung 320 miteinander verklebt. Nach der vollständigen Aushärtung des Zweikomponentenklebstoffes
wurden die zum Trennen der Klebstellen erforderlichen Zugkräfte gemessen. Die Ergebnisse
dieser Versuchsreihe sind in der nachfolgenden Tabelle angegeben, wobei die eingetragenen
Zugkräfte Jeweils Mittelswerte aus fünf Messungen darstellen.
| Probe Nr. 1 2 3 ; 5 6 |
| zen |
| Schmir- Chrom- Schmir- Ionen- Ionen- Ionen- |
| Art der Vorbe- keine geln Schwere ätzung ätzung ätzung |
| säure b.70°C |
| Zeit der Vorbe- - - 2 5 10 20 |
| handlung (min) |
| Klebfläche (mm ) 150 150 150 150 150 150 |
| Zugkraft (N) 86 | 117 381 306 383 352 |
Wie aus der Tabelle hervorgeht, wurden bei der Probe Kr. 5 bei
einer Zeitdauer der lonenätzung von 10 Minuten mit der chemischen Vorbehandlung
(Probe Nr. 3) vergleichbare Festigkeiten der Klebstellen erzielt.
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Eine Vorbehandlung durch lonenätzung ist beispblaweise für Kunststoffe
wie Polyoxymethylen und insbesondere für Polyäthylen geeignet. Bei sämtlichen Anwendungen
wird eine äußerst schonende Behandlung der Kunststoffoberflächen und der im Kunststoff
verankerten Teile ersielt.
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4 Patentansprüche 1 Figur