DE3806770A1 - Verfahren und vorrichtung zum verbessern der hafteigenschaften einer kunststoffoberflaeche - Google Patents

Description

Kunststoffoberflächen genügen häufig nicht den Anforderungen der Praxis hinsichtlich Haftfähigkeit bei der Verbindung mit anderen Bauteilen, Bedruckbar­ keit, Galvanisierbarkeit usw.

Solche Kunststoffoberflächen müssen deshalb zur Erzielung der gewünschten Hafteigenschaften vorbehan­ delt werden. Es existieren unterschiedliche Möglichkei­ ten und Techniken der Vorbehandlung, z.B. die Nieder­ druckplasma- oder Korona-Vorbehandlung, die Behandlung mit Laser, ein Beizen oder dgl. Solche Verfahren sind aufwendig und nicht ohne weiteres in großtechni­ schem Maßstab anwendbar. Ein Beizen beispielsweise von Polymeroberflächen kann nur mit hochgiftigen Mitteln durchgeführt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfah­ ren zum Behandeln von Kunststoffoberflächen anzugeben, mit welchem die Haftfähigkeit bzw. Adhäsivität solcher Oberflächen gegenüber gasförmigen, flüssigen oder festen Stoffen verbessert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß die Oberfläche im Vakuum mit Ionen einer Energie von 10 oder mehr keV beschossen werden.

Ionenimplantationsverfahren sind an sich bekannt. Dabei werden Ionen von je nach dem Anwendungszweck unterschiedlichen Elementen in die Oberflächenbereiche von zu behandelnden Werkstücken implantiert. Der erstrebte Zweck ist hierbei meist die Veredelung der Oberfläche, beispielsweise zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit, des Korrosionsschutzes und damit der Lebensdauer des behandelten Werkstückes.

Überraschenderweise hat sich nun herausgestellt, daß die Beschießung von Oberflächen mit Ionen gemäß der Erfindung zu einer Änderung der Oberfläche von Kunststoffen führt, welche die Haftfähigkeit gegenüber Stoffen aller Aggegratzustände verbessert.

Eine nach dem Verfahren gemäß der Erfindung behandelte Kunststoffoberfläche läßt sich mit Teilen aus festen Werkstoffen hochfest verkleben.

Versuche haben gezeigt, daß auch die Haftfähigkeit gegenüber flüssigen und gasförmigen Stoffen verbessert wird. Mit anderen Worten wird die Benetzbarkeit von nach der Erfindung behandelten Kunststoffoberflä­ chen mit Flüssigkeiten ganz erheblich verbessert, was bei vielen technischen Anwendungen, z.B. in der Lager- und Schmiertechnik oder bei der Herstellung von Kontaktlinsen für das menschliche Auge von großem Vorteil ist.

Es kommt bei der Erfindung nicht auf das mit der Ionenimplantation gewöhnlich bezweckte "Einpflanzen" von Ionen in die Oberfläche an. Vielmehr kommt es lediglich auf die Veränderung der Oberfläche durch den Ionenbeschuß an, d.h. die Schaffung einer neuartigen Oberflächenstruktur, mit welcher die Haftfähigkeit von Kunststoffoberflächen nach den Feststellungen der Erfinder entscheidend verbessert wird.

Die Erfinder haben bei der versuchsweisen Bestrahlung von Kunststoffoberflächen aus Polytetrafluoräthylen (PTFE) eine erhebliche Verbesserung der Klebefähigkeit der Oberfläche und eine erhebliche Verbesserung der Bedruckbarkeit festgestellt.

Das Verfahren nach der Erfindung läßt sich in ähnli­ cher Weise durchführen, wie dies bei der Ionenimplanta­ tion von Werkstoffen zur Veredelung bzw. Beschichtung der Oberfläche, z.B. zur Erhöhung der Verschleißfestig­ keit und dgl., üblich ist.

So wird die Oberfläche vorzugsweise mit einer Energie von 70 bis 160 keV, insbesondere mit einer Energie von 92 keV, mit Ionen beschossen.

Die Ionendosis liegt dabei vorteilhafterweise im Bereich zwischen 1 × 10¹³ bis 1 × 10¹⁷, vorzugsweise im Bereich zwischen 1 × 10¹⁴ bis 1 × 10¹⁶ Ionen/cm².

Das bei der Behandlung einzuhaltende Vakuum sollte nach Möglichkeit ein Hochvakuum sein, d.h. in einem Druckbereich von 10^-3 bis 10^-6 mbar, liegen.

Bei der konkreten Behandlung wird ein Vorvakuum mit niedrigerem Druckniveau zwischen 1 × 10^-4 und 1 × 10^-7 mbar erzeugt, wobei dann das eigentliche Arbeitsvakuum während des Ionenbeschusses auf Werte zwischen 1 × 10^-3 und 5 × 10^-5 mbar ansteigt und dort gehalten wird.

Die mittlere Temperatur während des Ionenbeschusses wird auf einem Wert unterhalb der Schmelz- bzw. Zersetzungstemperatur gehalten.

Die Behandlungsdauer ergibt sich aus der gewählten Ionendosis und dem gewählten Ionenstrom. In der Praxis liegt sie je nach Anwendungsfall und Grad der Optimierung im Bereich von wenigen Minuten oder gar im Sekundenbereich.

Als Ionen haben sich Gasionen, insbesondere Stickstoff­ ionen oder Ionen inerter Gase, bewährt.

Eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach der Erfindung ist in Anspruch 10 angegeben. Die Ausgestaltung der Vorrichtung nach den Ansprüchen 14 bis 16 ist besonders vorteilhaft und auch bei der Durchführung anderer Verfahren, z.B. beim Bedampfen der Oberflächen von Werkstücken mit Metallen, einsetz­ bar.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Probenaufnah­ men mit unterschiedlichen Vergrößerungen und von Schemadarstellungen zweier unterschiedlicher Vorrich­ tungen zur Durchführung des Verfahrens mit weiteren Einzelheiten näher erläutert.

Die Fig. 1 bis 3 veranschaulichen die Veränderung der Oberflächenstruktur durch Ionenbeschuß gemäß der Erfindung, wobei diese Figuren mit dem Rasterelek­ tronenmikroskop aufgenommene unterschiedliche Oberflä­ chenbereiche ein und derselben Probe zeigen, und zwar

Fig. 1 eine 220fache Vergrößerung (1 cm im Bild entspricht etwa 45 µm), wobei rechts in Fig. 1 eine unbehandelte PTFE-Oberfläche, in der Mitte ein Übergangsbereich und links der behandelte Oberflächenbereich gezeigt sind;

Fig. 2 eine 1100fache Vergrößerung der Probe (1 cm im Bild entspricht etwa 10 µm) und

Fig. 3 eine Vergrößerung um das 5000fache (1 cm im Bild entspricht ca. 2 µm), wobei in den Fig. 2 und 3 jeweils im rechten Bildteil der unbehandelte Teil der PTFE-Oberfläche gemäß Fig. 1, in mittleren Bildteil der Übergangsbereich und im linken Bildteil der behandelte Bereich gezeigt sind;

Fig. 4 und 5 zeigen schematisch den Aufbau zweier unterschiedlicher Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In den Aufnahmen der behandelten PTFE-Oberfläche gemäß den Fig. 1 bis 3 fällt auf, daß im Übergangsbe­ reich zwischen behandelter und nicht behandelter Oberfläche sich eine Struktur nach Art einer "Krater­ landschaft" mit steilen, kegelartigen Strukturen ausbildet, während der in den Fig. 1 bis 3 links davon gelegene, behandelte Bereich im wesentlichen zur Oberfläche senkrechte Ioneneinschußkanäle zeigt, deren Durchmesser jedoch erheblich größer als diejeni­ gen der Ionen sind. Dies erklären sich die Erfinder dadurch, daß die Umsetzung eines Teils der hohen kinetischen Energie der Ionen beim Aufprall auf die Oberfläche in Wärme zu einem Ausbrennen bzw. Ausschmelzen der von den Ionen erzeugten Einschußkanäle führt.

Die Einschußkanäle bilden also Kavitäten, welche für die erhebliche Verbesserung der Benetzbarkeit der behandelten Oberfläche bzw. für die bessere Haftfähigkeit verantwortlich sein dürften.

Die Fig. 4 und 5 zeigen zwei im Prinzip gleich aufgebaute Vorrichtungen zum Beschießen von Kunststoff­ oberflächen im Vakuum mit Ionen, wobei der Vorrich­ tungsaufbau im wesentlichen gleich ist und dementspre­ chend gleiche Bezugszeichen für gleiche bzw. funktions­ gleiche Teile verwendet und solche Teile nur anhand der Fig. 4 und nicht nochmals in Verbindung mit Fig. 5 beschrieben sind.

Die Vorrichtung umfaßt einen Rezipienten 1, der über ein Flutventil 2 mit der umgebenden Atmosphäre verbindbar ist. In dem Rezipienten 1 läßt sich bei abgesperrtem Flutventil 2 mittels eines Vorvakuum­ ventils 5 und einer Vorvakuumpumpe 6 über ein Grob­ vakuumventil 7 und mittels einer Diffusionspumpe 4 über ein Hochvakuumventil 3 ein Hochvakuum im Rezipienten 1 erzeugen. Eine Gasversorgung 8 für ein Implantationsgas, im vorliegenden Fall Stickstoff, liefert über eine Hochspannungskaskade 9 über eine Leitung 11 das unter Hochspannung stehende Implanta­ tionsgas zur Ionenquelle 12 mit Beschleuniger.

Innerhalb des Rezipienten 1 ist auf einem Abzugswickel 13 eine Kunststoffolie 16 aufgewickelt, die über eine Kühl- und Führungswalze 14 mittels eines moto­ risch angetriebenen Aufzugswickels 15 abgezogen wird. Im Bereich der Kühl- und Führungswalze 14 passiert dabei die Kunststoffolie den bei 17 angedeute­ ten Ionenstrom des Implantationsgases.

Während der Behandlung wird der Aufzugswickel 15 kontinuierlich angetrieben, so daß die Oberfläche der Kunststoffolie kontinuierlich durch den Ionenbe­ schuß in einer Weise verändert wird, wie dies prinzi­ piell in den Fig. 1 bis 3 gezeigt ist. Mit anderen Worten ist die Oberfläche der Kunststoffolie 16 nach der Behandlung, d.h. in auf dem Aufzugswickel 15 aufgewickelten Zustand, so umgestaltet, daß die Haftfähigkeit, die Klebefestigkeit und die Benetzbarkeit in der oben beschriebenen Weise entschei­ dend verbessert ist.

Das Arbeiten der Vorrichtung läßt sich durch ein Fenster 20 im Verschlußdeckel 10 des Rezipienten 1 beobachten. Durch diesen Verschlußdeckel läßt sich auch der Rezipient 1 mit dem Folienwickel vor der Behandlung beschicken und der fertig behandel­ te Folienwickel wieder entnehmen.

Fig. 5 zeigt eine Vorrichtung ähnlich derjenigen nach Fig. 4. Der einzige Unterschied besteht darin, daß anstatt der Folie 16 in diesem Fall rotations­ symmetrische Werkstücke 18, die aus Kunststoff bestehen oder mit Kunststoff wie Polytetrafluoräthylen (PTFE) beschichtet sind, kontinuierlich dem aus der Ionenquelle 12 kommenden Ionenstrahl ausgesetzt werden. Zu diesem Zweck sind die Werkstücke 18 um Achsen 19 rotierend auf einer um die Achse 21 rotierenden Scheibe 22 angeordnet. Der Drehantrieb der Werkstücke 18 um die Achsen 19 ist mittels eines Planetengetriebes von der Drehung der angetriebe­ nen Scheibe 22 abgeleitet. Das Planetengetriebe hat ein feststehendes Sonnenrad 24, auf dem Planetenrä­ der 26 abwälzen. Diese Planetenräder 26 sind an der als "Steg" wirkenden Scheibe 22 drehbar gelagert und machen infolgedessen die Umlaufbewegung der Scheibe 22 um die Achse 21 mit. Gleichzeitig sind die Planetenräder 26 aufgrund ihres Eingriffs mit den Zähnen des feststehenden Sonnenrades 24 zu einer Rotation um ihre Achsen 19 gezwungen. Diese überlagerte Drehbewegung teilen die Planetenräder 26 den von ihnen mitgenommenen Werkstücken 18 mit.

Die Antriebsdrehung der Scheibe 22 kann umkehrbar sein. Somit läßt sich ein gewünschtes gleichmäßiges Behandlungsergebnis unter bestmöglicher Ausnutzung des Ionenstrahls für die gesamten Mantelflächen aller Werkstücke 18 erreichen.

Zur Anpassung an unterschiedliche Werkstücke und zur Variation der Behandlung ist es vorteilhaft, wenn die Anordnung aus Scheibe 22 und Planetengetriebe 24, 26 aus der gezeigten Vertikalstellung stufenlos im Winkel bis in die Horizontalstellung verstellbar ist.

Beispiel

Die Oberflächen von Proben aus PTFE wurden mit Aceton gereinigt. Es wurde ein Ionenbeschuß dieser gereinigten Oberfläche mit N⁺-Ionen mit einer Ionendo­ sis von 10¹⁶ Ionen/cm² bei einer Energie von 92 keV im Hochvakuum durchgeführt. Als Vorvakuum wurde dabei ein Druck von 1 × 10^-5 mbar erzeugt, der dann bei Einleitung des Ionenstroms auf einen Druck von 1 × 10^-4 mbar bei Ionenströmen zwischen 0,5 und 1 mA anstieg. Die maximal gemessene Temperatur während des Ionenbeschusses betrug 70°C, und die Behandlung dauerte nur wenige Minuten.

Die so behandelten Oberflächen der Proben ließen sich ohne weiteres mit einem Filzstift beschreiben, was vor der Behandlung nicht möglich war.

Auf den behandelten Flächen hafteten Klebeetiketten sehr viel besser als vor der Behandlung.

Der Benetzungsrandwinkel eines auf die behandelte Oberfläche aufgebrachten Wassertropfens war erheblich kleiner als auf der unbehandelten Oberfläche.

Bei der Durchführung des gleichen Versuches mit einer Ionendosis von 1 × 10¹⁵ bei einem Ionenstrom von 1 mA ergab sich eine mattere Oberfläche, die nach Reiben wieder blank wurde. Die Benetzbarkeit mit einem Farbstift war in diesem Fall kaum besser als bei der unbehandelten Oberfläche; jedoch ließ sich die aufgebrachte Farbe nicht so gut abwischen wie bei jener. Die Haftfähigkeit eines Klebeetiketts war nach dem Abreiben nicht wesentlich besser als bei einer unbehandelten Oberfläche.

Dieses änderte sich jedoch bei einer Erhöhung der Ionendosis auf 4,2 × 10¹⁵ Ionen/cm².

Claims (16)

1. Verfahren zum Verbessern der Hafteigenschaften einer Kunststoffoberfläche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Oberfläche im Vakuum mit Ionen einer Energie von 10 oder mehr keV beschossen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Oberfläche aus Polytetra­ fluoräthylen (PTFE) besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche mit einer Energie im Bereich von 70 bis 160 keV, insbesondere mit 92 keV, beschossen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche mit einer Ionendosis im Bereich 1 × 10¹³ bis 1 × 10¹⁷ Ionen/cm², insbesondere 1 × 10¹⁴ bis 1 × 10¹⁶ Ionen/cm², beschossen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenbeschuß im Hochvakuum, d.h. in einem Druckbe­ reich von 10^-3 bis 10^-6 mbar, erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß vor dem Ionenbeschuß ein Vakuum im Bereich zwischen 1 × 10^-4 und 1 × 10^-7 mbar erzeugt wird, und daß das Arbeitsvakuum während des Ionenbeschusses im Bereich 1 × 10^-3 und 5 × 10^-5 mbar gehalten wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Temperatur der Oberfläche während des Ionenbeschusses auf einem Wert unterhalb der Schmelz- bzw. Zersetzungstemperatur gehalten wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenstromdichte nicht kleiner als 10¹¹ Ionen/ s × cm² ist, insbesondere im Bereich 10¹³ bis 10¹⁴ Ionen/s × cm² liegt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Gasionen, insbesondere Stickstoffionen oder Ionen inerter Gase, verwendet werden.

10.Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein vakuumdichter Rezipient (1) eine Einrichtung (13 bis 15; 22) zur Halterung bzw. zu kontrollierter Bewegung eines Werkstückes (16; 18) mit einer Kunststoffober­ fläche im Bereich eines von einer Ionenquelle (12) ausgehenden Ionenstrahles (17) aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einrichtung (13 bis 15) einen Abzugswickel (13) und einen Aufzugswickel (15) sowie eine dazwischen im Bereich des Ionenstrahles (17) angeordnete Kühl- und Führungswalze (14) für eine zu behandeln­ de Kunststoffolie (16) aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einrichtung eine drehantreibbare Scheibe (22) mit mehreren Aufnahmen (bei 19) für zu behandelnde Werkstücke (18) mit Kunststoffoberfläche aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Aufnahmen (bei 19) ebenfalls drehangetrieben sind.

14. Vorrichtung, insbesondere nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Getriebe zwischen der drehangetriebenen Scheibe (22) und den Aufnahmen (19) für die Werkstücke (18) vorgesehen ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Getriebe ein Planetengetriebe mit feststehendem Sonnenrad (24) und darauf abwälzenden Planetenrädern (26) ist, welche von der den Steg bildenden Scheibe (22) mitgenommen werden und die Aufnahmen für die Werkstücke (18) bilden, derart, daß die Werkstücke die Drehbewegung der Planetenräder (26) mitmachen.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Anordnung aus Scheibe (22) und Getriebe zwischen der Vertikalen und der Horizontalen im Winkel einstell­ bar ist.