DE3039411C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Beschichten
des Oberflächenbereichs eines elastischen Körpers mit einer zu
sammenhängenden Schicht aus Metall oder Metalloxid mittels eines Vakuumbe
schichtungsverfahrens. Anwendung findet die Erfindung unter anderem auf
die Beschichtung gummielastischer Formkörper, z. B. aus Silikon-Kaut
schuk, die als Prothesen in organisches Gewebe eingepflanzt werden
sollen. Dabei wird auf den Formkörper zuvor eine Schicht z. B. aus
Titan aufgebracht, welche die Gewebeverträglichkeit des Implantats
erhöht. Eine andere Anwendung betrifft Kontaktlinsen, bei denen durch
einen geeigneten absorptionsfreien Überzug, z. B. aus Titanoxyd, eine
hydrophile Oberfläche geschaffen werden soll, um die Reizwirkung zu
verringern, die von unbeschichteten Kontaktlinsen sonst häufig aus
geübt wird.
Ein Problem, das bei der Beschichtung elastisch verformbarer Körper
stets auftritt, betrifft die Haftfestigkeit der aufgebrachten Schich
ten. Diese neigen nämlich dazu, bei der späteren Verformung des Kör
pers zu reißen bzw. infolge der Relativbewegung zwischen Implantat
und umgebendem Gewebe abgerieben zu werden. Insbesondere besteht die
Gefahr des Abreibens bei weichen implantierten Prothesen, die einer
häufigen Verformung unterworfen werden.
Um die Haftfestigkeit und Abriebfestigkeit von im Vakuum aufgebrachten
Schichten zu verbessern, wurden schon verschiedene Maßnahmen ergriffen;
z. B. ist es bekannt, daß auf manchen Kunststoffunterlagen durch Katho
denzerstäubung aufgebrachte Schichten besser haften als durch gewöhnli
ches Aufdampfen aufgebrachte. Auch die neueren Verfahren des ionenunter
stützten Aufdampfens können angewendet werden, um eine erhöhte Haftfestig
keit zu erzielen. Ferner kann eine Haftschicht nützlich sein, die zwischen
der Unterlage und der die Gewebeverträglichkeit gewährleistenden Schicht
angebracht wird, z. B. eine Kupferschicht als Haftschicht zwischen einer
Unterlage aus Silikon-Kautschuk und einer metallischen Titanschicht als
gewebeverträglicher Schicht.
Jedoch genügen alle diese bekannten Maßnahmen nicht, wenn die elasti
schen Körper beim Gebrauch stärkerer und häufiger Beanspruchung durch
Verformung unterliegen, wie dies z. B. eben bei Implantaten infolge
Körperbewegungen oft der Fall ist.
Aus der US-PS 36 63 288 ist ein Beschichtungsverfahren be
kannt, bei dem ein elastomerer Körper mit einer Schicht
einer organischen Verbindung, nämlich Polyacrylsäure oder
Polymethacrylsäure, durch Abscheiden aus einer flüssigen
Lösung der Verbindung beschichtet wird. Dabei wird durch
Dehnen des in eine Beschichtungslösung einzutauchenden
elastomeren Gegenstandes erreicht, daß die aus der Lö
sung abgeschiedene, den Überzug bildende Polyacrylsäure
oder Polymethacrylsäure nicht nur an der Oberfläche des
Körpers abgeschieden wird, sondern auch in die Tiefe des
elastomeren Körpers eindringt und gegebenenfalls sogar
dessen gesamte Masse durchsetzt. Der bei dem bekannten
Verfahren erzielte Effekt beruht somit auf einer Veranke
rung der chemisch aufgebrachten Überzugsschicht in tiefe
ren Bereichen des elastomeren Körpers, wobei die chemi
sche Affinität des organischen Überzugsmaterials zu dem
ebenfalls organischen Material des elastomeren Körpers
die Haftung des Überzugsmaterials beeinflußt, was beim
Aufbringen von anorganischen Überzugsmaterialien auf orga
nische Träger nicht erfolgt.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zum Beschichten eines Oberflächenbereichs eines
elastischen Körpers mit einer zusammenhängenden Schicht aus
Metall oder Metalloxid mittels eines Vakuumbeschichtungs
verfahrens anzugeben, bei dem die Schicht auch bei starken
Verformungen während des späteren Gebrauchs weitgehend frei
von Rissen bleibt.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1
angegebenen Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche betreffen
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß derart aufgebrachte Schich
ten frei von Rissen bleiben, auch wenn Schichten aus demselben Material,
die auf gleiche Weise lediglich ohne Dehnung des elastischen Körpers
während des Aufbringens hergestellt wurden, auf gummielastischen Unterla
gen bei Dehnungsbeanspruchung rissig werden und sich dann leicht ablö
sen. Man kann vermuten, daß infolge der durch die Risse entstandenen
Kerben die Haftung der Schicht für reibende Beanspruchung stark herabge
setzt wird. Betrachtet man die Oberfläche eines nach der Erfindung be
schichteten elastischen Körpers unter dem Mikroskop, erscheint diese als
eine Art Schrumpfhaut, d. h. sie besitzt zahllose Falten, ähnlich einem
zusammengeschobenen Tuch. Diese Schrumpfhaut ist aber kerbenfrei und gut
zusammenhängend, obwohl der elastische Körper an seiner Oberfläche durch
die Schrumpfhautbildung starken lokalen Spannungen unterworfen ist.
(Diese Spannungen werden jedoch bei dehnender Beanspruchung infolge Ver
formung eher abgebaut als erhöht.)
Was den Grad der während der Aufbringung der Schicht anzuwendenden Deh
nung angeht, ist zu berücksichtigen, in welchem Maße der elastische
Körper durch die Verformung beim späteren Gebrauch einer Dehnung unter
liegt. Die Dehnung während der Beschichtung sollte mindestens gleich groß,
zweckmäßigerweise aber etwas größer gewählt werden, um Rißbildung
durch Überdehnung der Schicht beim späteren Gebrauch mit Sicherheit zu
vermeiden. Bei gummielastischen Körpern, deren Beschichtung die Erfindung
vor allem im Auge hat, ist im allgemeinen eine Dehnung während der Auf
bringung der Schicht von 10% oder mehr zu empfehlen, dies wenigstens in
einer Richtung. Bei bandförmigen oder fadenförmigen Körpern beispiels
weise dürfte eine Dehnung allein in Längsrichtung aufgrund der Art der
späteren Beanspruchung durch Verformung meistens genügen. Vorteilhaft
ist die Anwendung der Erfindung besonders in jenen Fällen, in denen
die aufzubringenden Schichten selbst nicht genügend duktil sind und des
halb schon bei geringer Überdehnung reißen. Andererseits ist auch
darauf zu achten, daß eine zu starke Dehnung der zu beschichtenden Flä
che während der Beschichtung vermieden wird, z. B. bei optischen Elementen,
deren Funktion durch die entstehende unter Umständen zu starke Schrumpf
haut beeinträchtigt werden könnte (z. B. infolge Streulicht). Grenzt die
betreffende Fläche jedoch an ein Medium an, dessen Brechwert von demje
nigen der Schicht nicht allzusehr abweicht - bei Kontaktlinsen kann dies
zutreffen - macht sich die Schrumpfhaut nicht störend bemerkbar.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der
schematischen Zeichnung näher beschrieben. Die
Fig. 1 zeigt
eine Anordnung, mit welcher die Beschichtung eines blasenförmigen elasti
schen Hohlkörpers in einer Kathodenzerstäubungsanlage unter Vakuum vor
genommen werden kann.
Die Blase 1 befindet sich in einem Vakuumrezipienten 2, der mittels eines
Pumpstutzens 3 mit einer Vakuumpumpe verbindbar ist. Als Quelle für das
Schichtmaterial ist ein schematisch angedeutetes planares Magnetron 4
vorgesehen, dessen Kathode durch Ionenbeschuß zerstäubt wird. Die zu be
schichtende Blase 1 hängt in aufgeblähtem Zustand an einem Röhrchen 5,
welches vakuumdicht und drehbar durch die Rezipientenwand hindurchgeführt ist
und während der Beschichtung gedreht werden kann, um einen allseitig
gleichmäßigen Niederschlag auf dem Substrat zu erzielen.
Die Blase 1 kann mit einem passenden Medium - bevorzugt mit dem
Arbeitsgas des Magnetrons - gefüllt und gedehnt werden. Es ist zweckmä
ßig, sie während des Auspumpens über den Dreiweghahn 6 mit dem Rezipien
ten zu verbinden, so daß sie sicher nie übermäßigen Druckdifferenzen aus
gesetzt wird. Nach Erreichen des für den Beschichtungsvorgang erforderli
chen Vakuums wird der Dreiweghahn so gedreht, daß die Blase 1 über das
Dosierventil 7 mit einer Gasflasche 8 verbunden wird; in dieser Stellung
läßt man soviel Gas einströmen, daß der gewünschte Dehnungszustand er
reicht wird. Anschließend wird der Hahn 6 für alle Wege geschlossen und
die Beschichtung des drehenden Substrates durchgeführt. Nach Erreichen der
gewünschten Schichtdicke z. B. 0,1 µm wird das Magnetron abgestellt und die
Blase 1 mittels des Hahns 6 wieder mit den Rezipienten verbunden, während
dieser belüftet wird, um den fertig beschichteten Körper zu entnehmen.
Bei der Füllung elastischer Hohlkörper mit einer Flüssigkeit ist eine
sehr wirksame Kühlung während der Beschichtung möglich. Die Flüssigkeit
sollte aber einen gegenüber dem gewünschten Druck während der Beschich
tung vernachlässigbaren Dampfdruck haben. Bei Füllung mit einer Flüssig
keit sollten Gasblasen (wenn es auf gleichmäßige Kühlung der zu beschich
tenden Flächen ankommt) vermieden werden. Auch für das Füllen mit Flüs
sigkeiten ist es - wie oben für das Füllen mit einem Gas beschrieben - am
einfachsten, den Hohlkörper vorher zu evakuieren und nachfolgend die
Flüssigkeit einströmen zu lassen.
Ein gut geeignetes Verfahren für die Aufbringung der Schicht ist in der
CH-PS 6 31 743 beschrieben. Auch die schon seit lan
gem bekannten gewöhnlichen Beschichtungsverfahren, wie das Vakuumaufdamp
fen aus einem widerstandsbeheizten Verdampfungstiegel, die klassische
Kathodenzerstäubung, Niederschlagung von Schichten aus der Gasphase und
andere mehr sind brauchbar. Bei der Aufbringung können die bekannten unter
stützenden Maßnahmen zur Erzielung einer guten Haftfestigkeit zusätzlich
angewendet werden, z. B. eine gute vorherige Reinigung der Substratflächen,
vorausgehende Entgasung durch Erhitzung oder Elektronenbeschuß, Wegstäu
bung der obersten Schicht des Substrats durch kathodische Ätzung, Anwen
dung einer elektrischen Vorspannung (vorausgesetzt, daß die Substrate
eine genügende elektrische Leitfähigkeit aufweisen.).
Wenn ein elastischer Körper nicht hohl ist, kann das Verfahren nach der
Erfindung trotzdem angewendet werden, sofern eine Dehnung der zu beschich
tenden Fläche während der Aufbringung der Schicht auf irgendeine Weise mög
lich ist. Zum Beispiel können elastische Folien vor der Beschichtung zu Hohlkörpern
(Beuteln) verschweißt und als solche beschichtet werden und nachher - wenn
gewünscht - wieder zerschnitten werden. Formteile aus elastischen Werkstoffen
können zusammen mit Hilfskörpern vorübergehend für die Beschichtung Hohlkör
per bilden. Oft kann ohne Bildung eines Hohlkörpers durch eine passende Halte
vorrichtung eine Dehnung der Oberfläche erreicht werden. Ebene Platten z. B.
können durch eine Einspannvorrichtung einer Biegung unterworfen werden, wo
bei die konvexe Seite gedehnt wird. Fadenförmige oder bandförmige elastische
Substrate können unter Streckung in Längsrichtung an der Bedampfungsquelle
vorbeigeführt werden.
Wie eine Dehnung der zu beschichtenden Fläche bei Kontaktlinsen mit Hilfe
einer besonderen Haltevorrichtung erreicht werden kann, zeigt die Fig. 2.
Der Linsenkörper 11, der auf seiner konkaven Seite mit einem hydrophilen
Überzug versehen werden soll, wird in einen Haltering 12 mit Schulter 13
eingelegt und gegen diese von der konvexen Seite her durch die Platte 14
angepreßt; die konkave Fläche erleidet dabei eine Dehnung. Der Grad der
Anpressung und damit der Dehnung kann z. B. mittels eines Gewinderings 15
der Platte 14, welcher mit der ebenfalls mit Gewinde versehenen Außensei
te des Halterings 12 zusammenarbeitet, eingestellt werden.
Claims (5)
1. Verfahren zum Beschichten eines Oberflächenbereichs
eines elastischen Körpers mit einer zusammenhängenden Schicht
aus Metall oder Metalloxid mittels eines Vakuumbeschichtungs
verfahrens, dadurch gekennzeichnet, daß der
Körper gedehnt und dadurch der zu beschichtende Teil seiner
Oberfläche vorübergehend vergrößert wird, und daß die
Schicht auf die derart gegenüber dem normalen Gebrauchs
zustand des Körpers vergrößerte Oberfläche niedergeschlagen
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die zu beschichtende Fläche mindestens soviel gedehnt
wird wie durch die Verformung beim späteren Gebrauch des elastischen
Körpers.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die zu beschichtende Oberfläche wenigstens in einer
Richtung um mindestens 10% gedehnt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, zum Überziehen eines elastischen Hohl
körpers, dadurch gekennzeichnet, daß der
Körper während der Beschichtung durch eine Gasfüllung entsprechen
den Drucks in gedehntem Zustand gehalten wird.
5. Gemäß Verfahren nach Anspruch 1 mit einer Schicht überzogener
Körper, dadurch gekennzeichnet, daß
die Oberfläche des Körpers in normalem Gebrauchszustand eine
Schrumpfhaut aufweist.
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