DE3806770C2 - - Google Patents
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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 vorbe
handelt werden.
Ein bekanntes Verfahren zur Verbesserung der Haft
eigenschaften von Kunststoffen wendet eine Korona-
Vorbehandlung an, bei der in einer Gasatmosphare
(Gemisch aus N2 und CO2) eines Druckes zwischen 100
Torr und 3 Atm. eine Hochspannung von 2 kV bis
30 kV zwischen zwei Elektroden angelegt wird, von
denen eine als Walze ausgebildet ist, über welche
die zu behandelnde Kunststoffolie geführt wird
(EP 00 10 632 A1).
Bei einem anderen bekannten Verfahren, welches
die Beseitigung von Restmonomeren in Verpackungsfolien
bezweckt, wird die zu behandelnde Folie mit nieder
energetischen Elektronenstrahlen im Bereich von
150 bis 300 kV Beschleunigungsspannung bestrahlt
(DE 36 02 865 A1).
Schließlich ist eine Behandlung eines Folienmaterials
beim Transport durch eine Kammer mittels einer
ionisierenden Strahlung, insbesondere Elektronen
strahlung, zu verschiedenen Zwecken, insbesondere
zu einer Härtung, bekannt (DE 35 09 484 A1).
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 sind bei einem Verfahren
gemäß der Erfindung die Merkmale des Anspruchs 1
vorgesehen.
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.
Überaschenderweise 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 vorzugsweise im Bereich
zwischen 1×1014 bis 1×1016 Ionen/cm2.
Das bei der Behandlung einzuhaltende Vakuum ist
ein Hochvakuum. 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 Gasionen haben sich insbesondere Stickstoff
ionen oder Ionen inerter Gase bewährt.
Eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens
nach der Erfindung ist in Anspruch 8 angegeben.
Die Ausgestaltung der Vorrichtung nach den Ansprüchen
12 bis 14 ist besonders vorteilhaft und auch bei
der Durchführung anderer Verfahren, z.B. beim Bedamp
fen der Oberflächen von Werkstücken mit Metallen,
einsetzbar.
Die Erfindung ist im folgenden anhand von Probenaufnah
men mit unterschiedlichen Vergößerungen 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 220-fache 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 1100-fache Vergrößerung der Probe (1 cm
im Bild entspricht etwa 10 µm) und
Fig. 3 eine Vergrößerung um das 5000-fache (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 als Hochvakuum
pumpe 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,
24, 26 aus der gezeigten Vertikalstellung stufenlos
im Winkel bis in die Horizontalstellung verstellbar
ist.
Die Oberflächen von Proben aus PTFE wurden mit
Azeton 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 (14)
1. Verfahren zum Verbessern der Hafteigenschaften
einer Kunststoffoberfläche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Oberfläche im Hochvakuum,
d.h. in einem Druckbereich von 10-3 bis 10-6
mbar, mit Gasionen einer Energie von 10 oder
mehr keV und einer Ionendosis zwischen 1×1013
und 1×1017 Ionen/cm2 beschossen wird.
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
Ionendosis zwischen 1×1014 und 1×1016 Ionen/cm2
liegt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß vor
dem Ionenbeschuß ein Vakuum, im Bereich zwischen
zwischen 1×10-4 und 1×10-5 mbar erzeugt wird,
und daß das Arbeitsvakuum während des Ionenbeschus
ses im Bereich 1×10-3 und 5×10 5 mbar gehalten
wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Ionenstromdichte nicht kleiner als 1011 Ionen/s
×cm2 ist, insbesondere im Bereich 1013 bis
1014 Ionen/s×cm2 liegt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß Stick
stoffionen oder Ionen inerter Gase verwendet
werden.
8. Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens
nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem vakuum
dichten Rezipienten (1) mit einer Einrichtung
(13 bis 15; 22) zur Halterung bzw. zu kontrollierter
Bewegung eines Werkstückes (16; 18) mit einer
Kunststoffoberfläche im Bereich eines von einer
Ionenquelle (12) ausgehenden Ionenstrahles
(17), dadurch gekennzeichnet,
daß an den Rezipienten (1) eine Hochvakuumpumpe
(4) angeschlossen ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, 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.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Einrichtung
eine drehantreibbare Scheibe (22) mit mehreren
Aufnahmen (bei 19) für die zu behandelnden
Werkstücke (18) aufweist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Aufnahmen
(bei 19) ebenfalls drehangetrieben sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch ge
kennzeichnet, daß ein Getriebe zwischen
der drehangetriebenen Scheibe (22) und den
Aufnahmen (19) für die Werkstücke (18) vorgesehen
ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, 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.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Anordnung
aus Scheibe (22) und Getriebe zwischen der
Vertikalen und der Horizontalen im Winkel einstell
bar ist.
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