DE29606258U1 - Gegenstand mit mattierter Oberfläche - Google Patents
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Description
Hanau, 22.02.1996 CS/Sta/ls/P0004 ISAM
Heraeus Noblelight GmbH Gegenstand mit mattierter Oberfläche
Die Erfindung betrifft einen Gegenstand mit mattierter Oberfläche, mit einem Substrat, auf dem
eine Kunststoffschicht aus einem polymerisierten, organischen Material mit einer strukturierten,
optisch matt erscheinenden Oberfläche aufgebracht ist.
Es ist bekannt, mattierte Oberflächen auf Gegenständen, wie beispielsweise Papier-, Holzoder
Kunststoffbahnen, dadurch herzustellen, daß das Substratmaterial mit einem durch UV-Licht
oder mittels Elektronenstrahien härtbaren Mattlack versehen wird. Derartige Mattlacke
enthalten Mattierungsmittel, die zur Erzeugung der Mattierung dienen. Als Mattierungsmittel
sind SiO2-Teilchen gebräuchlich, die im Lack dispergiert sind.
Die mattierte Oberfläche der Gegenstände wird bei den bekannten Polymerisationsverfahren
dadurch erzeugt, daß ein Film des Lackes auf ein Substrat aufgetragen wird und anschließend
durch Bestrahlung mit einer Wellenlänge im ultravioletten Bereich oder durch Elektronenstrahlen
polymerisiert wird. Beim Aushärten des Lackfilms erzeugen die dispergierten Mattierungsmittel
eine leichte Unebenheit der freien Oberfläche, die deswegen optisch matt erscheint.
Die im Lack dispergierten Mattierungsmittel reflektieren die UV-Strahlung bzw. die Elektronenstrahlen
und behindern daher, insbesondere bei hohen Konzentrationen an Mattierungsmitteln,
die Durchpolymerisation des Lackfilms. Die bekannten Mattlackschichten können daher ein
schlechtes Trocknungs- bzw. Polymerisationsverhalten aufweisen.
Häufig sind den Lack zur Beschleunigung der Aushärtung polymerisationsfördernde Zusätze,
wie beispielsweise Photoinitiatoren beigemischt. Diese Zusätze sind häufig gesundheitsschädlich.
Es kann auch vorkommen, daß die Lackschichten nur zum Teil ausgehärtet sind und daß
-2-
aus den nicht durchgehärteten Bereichen gesundheitsschädliche Substanzen freigesetzt
werden.
Bei den bekannte Polymerisationsverfahren ist es vor dem Auftragen der Lackschichten erforderlich,
eine homogene Verteilung der Zusätze im Lack, insbesondere der dispergierten Mattierungsmittel
herzustellen und diese während des Auftragens des Lackfilms auf das Substrat aufrechtzuerhalten.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß sich die Mattierungsmitte! bei manchen Verfahrenschritten
beim Auftragen des Lackfilmes absetzen. So können beispielsweise beim Auftragen von Farbiacken mittels Walzen auf das Substrat die Mattierungsmittel an den Walzen
angereichert werden, wodurch Lackschichten mit inhomogener Verteilung der Mattierungsmittel
entstehen können.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Gegenstand mit homogener
mattierter Oberfläche anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Oberfläche der Kunststoffschicht
von einer dünnen, durch Polymerisation des organischen Materials mittels UV-Strahlung einer
Wellenlänge von höchstens 200 nm erzeugten Hautschicht gebildet wird, die auf einer, durch
Polymerisation des organischen Materials mit UV-Strahlung einer Wellenlänge von mindestens
220 nm oder mittels Elektronenstrahlen erzeugten Trägerschicht ausgebildet ist.
Im Bereich der Hautschicht der Kunstststoffschicht ist das organische Material vollständig oder
teilweise unter Ausbildung einer strukturierten, optisch matt erscheinenden Oberfläche polymerisiert.
Diese oberflächliche Polymerisation erfolgt durch Bestrahlung des organischen Materials
mit einer UV-Strahlung einer Wellenlänge von höchstens 200 nm. Die kurzwellige UV-Strahlung
wird innerhalb eines dünnen Bereiches unterhalb der Oberfläche, der hier als Hautschicht bezeichnet
wird, absorbiert.Die Photonenenergie der dabei verwendeten kurzwelligen UV-Strahlung
ist so hoch, daß die Monomere des organischen Materials diese Strahlung unter Bindungsbruch
absorbieren können, wobei die zur Polymerisierung notwendigen Radikale erzeugt werden. Es ist daher nicht notwendig, daß dem organische Material Photoinitiatoren zugesetzt
sind. Das organische Material zieht sich infolge der oberflächlichen Polymerisation zusammen,
schrumpft dabei etwas und bildet dabei eine unebene, strukturierte Oberfläche. Die Strukturierung
ist mit bloßem Auge als solche nicht zu erkennen. Die konkrete Ausbildung der Strukturierung
bestimmt den Mattierungsgrad der Oberfläche. Sie ist abhängig von der Reaktivität des organischen
Materials bezüglich der UV-Strahlung, der Photonendichte (Intensität) dieser
Strahlung sowie der Bestrahlungsdauer. Bei hoher Reaktivität bzw. bei hoher Photonendichte
und langen Bestrahlungszeiten ergibt sich ein dichtes Netz von Strukturelementen, bei geringer
Reaktivität des organischen Materials und niedrigerer Photonendichte sowie kurzen Bestrahlungszeiten
ein weitmaschigeres Netz. Die optimalen Parameter sind einfach anhand weniger Polymerisatuionsversuche zu ermitteln. Die Bestrahlungszeiten können sehr kurz, beispielsweise
im Nanosekundenbereich, gewählt werden.
Die Hautschicht ist relativ dünn. Eine Dicke von wenigen Monolagen reicht aus, um den gewünschten
optischen Effekt zu erzeugen. Je dicker die Hautschicht ist, umso deutlicher wird die
Strukturierung der Oberfläche. Bei sehr dicken Hautschichten, beispielsweise mit einer Dicke
von mehr als ca. 2 pm, wirkt die matte Oberfläche nicht mehr glatt, was häufig unerwünscht ist.
Die Trägerschicht stützt die Hautschicht. Sie ist, wie im Stand der Technik üblich, mittels UV-Strahlen
einer Wellenlänge oberhalb von 220 nm oder mittels Elektronenstrahlen homogen polymerisiert.
Die Dicke der Trägerschicht hängt von der Funktion der Kunststoffschicht ab. Als
Schutzschicht weist sie eine relativ große Dicke auf, als reine Stützschicht für die Hautschicht
kann sie auch sehr dünn ausgebildet sein. Sie ist aber in jedem Fall dicker als die Hautschicht.
Bei der erfindungsgemäß mattierten Oberfläche sind Mattierungsmittel nicht erforderlich. Bei
Schichten ohne Mattierungsmittel besteht die Gefahr einer inhomogenen Verteilung solcher Mittel
nicht. Die zusätzliche Verwendung von Mattierungsmitteln ist jedoch nicht ausgeschlossen,
solange sie das erfindungsgemäße Polymerisationsverfahren zur Erzeugung der Mattierung
nicht behindern.
Bei dem Substrat kann es sich beispielsweise um Papier, Holz, Keramik, Glas oder um ein Polymer
handeln.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Hautschicht und die Trägerschicht
die gleiche chemische Zusammensetzung auf. Eine derartige Schicht, bei der die Hautschicht
und die Trägerschicht integral miteinander verbunden sind, zeichnet sich durch eine besonders
homogene Mattierung aus.
Vorteilhafterweise besteht die Kunststoffschicht aus nur einer einzigen homogenen Phase. Mattierungsmittel
sind darin nicht dispergiert, so daß die Gefahr einer inhomogenen Verteilung derartiger
Mattierungsmittel nicht besteht.
-A-
Eine besonders homogene Mattierung wird erhalten bei Kunststoffschichten, bei der die Hautschicht
durch Bestrahlung mit UV-Strahlung einer Wellenlänge von 172 nm erzeugt ist.
Als organische Materialien für die Ausbildung der Kunststoffschicht haben sich Acrylate oder
Epoxide bewährt. Es ist zu erwarten, daß auch andere ungesättigte, poiymerisierbare, organische
Verbindungen für die Ausbildung der Kunststoffschicht geeignet sind. Bei sogenannten
"radikalischen Systemen", bei dem die zur Polymerisation führende Kettenreaktion von Radikalen
ausgelöst wird, wirkt Sauerstoff inhibierend. Diese Wirkung des Sauerstoffs beruht darauf,
daß er mit den im System enthaltenen Radikalen reagiert und sie dadurch abfängt. Die Gegenwart
von Sauerstoff verlangsamt daher die Polymerisation. In der Hautschicht wird das organische
Material mindestens teilweise polymerisiert. Die dadurch auf dem Film erzeugte Haut
weist eine höhere Dichte auf als der darunter liegende, noch nicht polymerisierte Kembereich
des Films und sie behindert so die Eindiffusion von Sauerstoff in das Innere des Filmes. Üblicherweise
wird der Kembereich in zeitlicher Folge nach der Bildung der Hautschicht polymerisiert.
Die Erzeugung des Hautschicht kann aber auch gleichzeitig mit der Polymerisation des
Kernbereichs erfolgen.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Patentzeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen in schematischer Darstellung im einzelnen
Figur 1a, Figur 1b ein Substrat mit einem darauf aufgetragenen Film aus einem polymerisierbaren
organischen Material, bzw. eine Ausschnittsvergrößerung davon,
Figur 2a, Figur 2b die Erzeugung des Hautschicht auf dem Film unter Verwendung
eines Excimerstrahlers, bzw. eine Ausschnittsvergrößerung davon und
Figur 3a, Figur 3b das Durchpolymerisieren des Films unter Verwendung einer
UV-Lampe, bzw. eine Ausschnittsvergrößerung davon.
In sämtlichen Figuren ist die Bezugsziffer 1 einer Papierbahn zugeordnet. Die Figuren 1a und
1b zeigen in schematischer Darstellung die Papierbahn 1, auf die ein Film 2 aus einem mittels
UV-Strahlung polymerisierbaren Acrylat mit einer Dicke von ca. 5 pm aufgetragen ist.
Aus der Vergrößerung des Ausschnittes 3 in Figur 1b ist ersichtlich, daß der Film 2 homogen
ist und darin keinerlei dispergierte Mattierungsmittel enthalten sind.
-5-
Bei dem in Figur 2a schematisch gezeigten Verfahrensschritt wird der Film 2 oberflächlich polymerisiert
unter Erzeugung einer Hautschicht 4. Die Hautschicht 4 weist eine Dicke von nur wenigen
Monolagen auf. Die Dickenverhältnisse zwischen der Hautschicht 4 und dem Film 2 insgesamt
sind aus Gründen der Deutlichkeit nicht maßstabsgerecht dargestellt. Zur Erzeugung
der Hautschicht 4 wird der Film 2 mit einem Xenon-Excimerstrahler 5 bestrahlt. Der Xenon-Excimerstrahler
5 erzeugt kurzwellige UV-Strahlen einer Wellenlänge von 172 nm, die schematisch
mit den Richtungspfeilen 6 gekennzeichnet sind. Diese kurzwellige, energiereiche UV-Strahlung
6 wird im Film 2 sehr rasch absorbiert, so daß im Acrylat-Film 2 die zur Polymerisierung
notwendigen Radikale erzeugt werden. Photoinitiatoren sind nicht erforderlich und nicht
enthalten. Aufgrund der dabei ablaufenden oberflächennahen Polymerisation kommt es zu
Schrumpfungserscheinungen im Bereich der freien Oberfläche des Films 2, die hier als Hautschicht
4 bezeichnet werden. Die Schrumpfungserscheinungen bewirken eine feine Strukturierung
der Oberfläche des Films 2 in Form fein verästelter Linien, die die Oberfläche optisch matt
erscheinen lassen. Der Xenon-Excimerstrahler 5 ist in Form eines rohrförmigen Rundstrahlers
ausgebildet. Er weist eine Länge von 30 cm und einen Außendurchmessser von 3 cm auf und
wird mit einer elektrischen Leistung von 25 W/cm gespeist. Die Bestrahlungsdauer beträgt bei
diesem Ausführungsbeispiel 10 ms.
Im Ausführungsbeispiel erfolgt die Bestrahlung mit der kurzwelligen Strahlung 6 kontinuierlich,
wobei die Papierbahn 1 unterhalb des Xenon-Excimerstrahlers 5 in Richtung des Richtungspfeiles
7 hindurchbewegt wird.
Aus der schematischen Darstellung gemäß Figur 2b ist ersichtlich, daß nach der Bestrahlung
mit dem Xenon-Excimerstrahler 5 die Oberfläche des Films 2 unter Bildung des Hautschicht 4
polymerisiert ist. Der darunter liegende Kernbereich 8 des Films 2 ist aufgrund der kurzen Eindringtiefe
der kurzwelligen UV-Strahlung 6 noch nicht polymerisiert. In diesem Verfahrensstadium
bildet die Hautschicht 4 eine Diffusionsbarriere für Gase, insbesondere für Sauerstoff, so
daß das nachfolgende Aushärten des Kernbereichs 8, wie es schematisch in Figur 3a gezeigt
ist, durch Sauerstoffeinfluß nicht behindert wird.
In der Figur 3a ist die Bezugsziffer 10 einem XeCI-Excimerstrahler zugeordnet, der UV-Strahlung
11 einer Wellenlänge von ca. 308 nm abgibt. Mittels der UV-Strahlung 11 wird der Kernbereich
8 des Films 2 unter Erzeugung einer polymerisierten Trägerschicht 12 gehärtet. Die Trägerschicht
12 dient dabei als Stütze für die dünne Hautschicht 4. Im Ausführungsbeispiel weist
-6-
der XeCI-Excimerstrahler 10, der ebenfalls als rohrförmigen Rundstrahler ausgebildet ist, eine
Länge von 100 cm und einen Außendurchmesser von 3 cm auf. Er wird mit einer elektrischen
Leistung von 50 W/cm gespeist. Die Aushärtezeit beträgt ca. 100 ns.
Im Ausführungsbeispiel erfolgt die Härtung des Kernbereichs 8 der Schicht 2 in zeitlicher Folge
nach der Erzeugung der Hautschicht 4 dadurch, daß der XeCI-Excimerstrahler 10 in Bewegungsrichtung
7 der Papierbahn 1 gesehen, nach dem Xenon-Excimerstrahler 5 angeordnet ist.
Die endgültig polymerisierte Acrylat-Kunststoffschicht ist in der Vergrößerung des Ausschnittes
13 in Figur 3b dargestellt und insgesamt mit der Bezugsziffer 14 bezeichnet. Die Dichten von
Hautschicht 4 und von Trägerschicht 12 unterscheiden sich bei dieser Verfahrensweise kaum.
Die Polymerisation des Kernbereichs 8 zur Erzeugung der Trägerschicht 12 kann mittels jedem
üblichen Verfahren erfolgen, beispielsweise auch mittels eines KrCI-Excimerstrahlers, eines Hg-Mitteldruckstrahlers
oder mittels Elektronenstrahlen.
Claims (6)
1. Gegenstand mit mattierter Oberfläche, mit einem Substrat, auf dem eine Kunststoffschicht
aus einem polymerisierten, organischen Material mit einer strukturierten, optisch matt erscheinenden Oberfläche aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Kunststoffschicht (14) von einer dünnen, durch Polymerisation des organischen Materials mittels UV-Strahlung einer Wellenlänge von höchstens 200 nm erzeugten Hautschicht (4) gebildet wird, die auf einem, durch Polymerisation des organischen Materials (2) mit UV-Strahlung einer Wellenlänge von mindestens 220 nm oder mittels Elektronenstrahlen erzeugten Trägerschicht (12) ausgebildet ist.
aus einem polymerisierten, organischen Material mit einer strukturierten, optisch matt erscheinenden Oberfläche aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Kunststoffschicht (14) von einer dünnen, durch Polymerisation des organischen Materials mittels UV-Strahlung einer Wellenlänge von höchstens 200 nm erzeugten Hautschicht (4) gebildet wird, die auf einem, durch Polymerisation des organischen Materials (2) mit UV-Strahlung einer Wellenlänge von mindestens 220 nm oder mittels Elektronenstrahlen erzeugten Trägerschicht (12) ausgebildet ist.
2. Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hautschicht (4) und die
Trägerschicht (12) der Kunststoffschicht (14) die gleiche chemische Zusammensetzung
aufweisen.
3. Gegenstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hautschicht (4)
und die Trägerschicht (8) der Kunststoffschicht (14) aus einer einzigen homogenen Phase
bestehen.
4. Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Hautschicht (4) durch Bestrahlung mit UV-Strahlung (6) einer Wellenlänge von 172
nm erzeugt ist.
5. Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Hautschicht (4) eine Dicke im Bereich von 1 nm bis 50 nm aufweist.
6. Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kunstststoffschicht (14) ein Acrylat, ein Epoxid enthält.
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