DE4221800A1 - Vakuum-bedampfungsanlage zur erzeugung von oxidschichten auf kunststoffolien - Google Patents

Description

Die hier beschriebene Vakuum-Bedampfungsanlage dient zur Erzeugung von Oxid­ schichten auf einer von einer Rolle zu einer anderen umgewickelten Kunststoffolie, insbesondere einer solchen aus Polypropylen oder aus Polyaethylen.

Es ist Stand der Technik, Kunststoffolien aus Polyester oder auch Polyamid mit einer lichtdurchlässigen Keramikschicht zu bedampfen, vorzugsweise solche aus Siliziummonoxid, aber auch mit solchen aus Oxidgemischen oder solchen aus Gemischen von Oxiden mit Metallen. Die Patentliteratur nennt hierzu unter US-Patent 34 42 686 die Beschichtung von Polyester mit Silizium-Monoxid. Weitere Patente, wie z. B. Offenlegungsschrift DE 35 30 106 A1 und DE 38 42 506 A1 beziehen sich auf besondere Ausführungen der Verdampfungsquellen. Patent DE 41 13 364 C1 bezieht sich auf die Verdampfung von Quarz mittels Elektronenstrahl, wobei als Verdampfungsgut ein rotierende Quarzrohr verwendet wird, welches durch den oszillierenden Stahl abgetragen wird. Ein weiteres, nicht patentiertes Verfahren benutzt einen über dem als Schüttgut vorliegenden Siliziummonoxid oszillierenden Elektronenstrahl als Energiequelle. In allen Fällen ist das Ziel, die Permeation von Sauerstoff, Wasserdampf und Aromastoffen durch das Folienmaterial durch eine Bedampfung wesentlich zu verringern.

Während die vorgenannten Verfahren sich nur auf die Art und Ausführung der Ver­ dampfung beziehen, aber sonst die von Vakuum- Bedampfungsanlagen für Aluminium bekannten Anordnungen des Bahntransports und der Bedampfungszone verwenden, lassen sich diesen Anordnungen zwar brauchbare Ergebnisse bei Oxidbedampfungen auf Polyester- und Polyamidfolien erzielen, nicht jedoch bei den wesentlich weniger temperaturbeständigen Folien, wie Polypropylen und Polyaethylen. Letztere beiden Folien unterscheiden sich durch

• a) einen geringeren Elastizitätsmodul bei der durch die Bedampfung auftretenden Temperatur der Folien. Der sogenannte Glaspunkt wird meistens überschritten, wenn Schichten von über 40 Nanometern aufgedampft werden.
• b) einen höheren Ausdehnungskoeffizient als dies der Fall ist bei Polyester-, Polyamidfolien. Die erzielbaren Permeationswerte für Sauerstoff liegen z. B. bei Polyester und Polyamid unter 2 ccm/qm 24 h, während bei Polypropylen Werte von 30-60 ccm/qm 24 h typisch sind, bei gleicher Aufdampfdicke und gleichem angewandten Verfahren. Die erzielbaren Werte für Polyaethylen sind noch ungünstiger. Die im Rahmen dieser Patentanmeldung durchgeführte Untersuchung fand als Gründe:
• c) Die vom Verdampfer ausgehende Strahlungswärme ist der Kondensationswärme überlagert. Im Gegensatz zu einer klassischen Aluminium-Aufdampfung bildet sich nicht sofort eine Infrarot- reflektierende Metallschicht aus. Im Gegenteil, die für Infrarot-Strahlung gut durchlässige Oxidschicht wird in den klassischen Anlagen an der dem Verdampfer gegenüberliegenden Kühlwalze reflektiert und durchquert die Folie zweimal. Die aufgedampfte Oxidschicht benötigt etwa die doppelte Schichtdicke einer Bedampfung mit Aluminium. Die thermische Belastung der Folie ist entsprechend größer. Die Folge davon ist, daß die glasartige aufgedampfte Oxidschicht Dehnungsrisse bildet, welche die Barrierewirkung der bedampften Folie wesentlich verschlechtern.
• d) Der thermische Ausdehnungskoeffizient der aufgedampften Oxidschicht und der der einer Polypropylenfolie oder Polyaethylenfolie verhält sich wie etwa 1:10.
• e) besonders bei dünnen Folien im Bereich von unter 20 Mikrometer treten als Folge der unter a) bis d) genannten Erhitzung der Folie eine Gasabgabe auf der der Kühlwalze zugewandten Seite der Folie auf. Dieses Gas kann jedoch nicht abströmen und bläht, auch wegen der thermischen Dehnung der Folie quer zur Bahnrichtung diese auf. Dieser Effekt ist von der Aluminiumbedampfung bekannt und äußert sich in Doppellinien von 1-3 mm Breite und ca. 100-500 mm Länge, an deren Flanken die Bedampfungsdicke geringer ist. Bei transparenten Schichten aus Oxiden wären diese Doppellinien zwar so gut wie unsichtbar, jedoch wäre die Barriereeigenschaft in diesen Fehlstellenbereichen wesentlich geringer. Eine einfache und kostengünstige Inspektionsmethode für diese Art von Fehlern besteht bei transparenten Schichten nicht.

Ein weiterer erschwerender Nachteil der Bedampfung von Folien mit Oxiden ist die Notwendigkeit, die Kühlwalze über dem Verdampfer durch eine Randabdeckung der Folie zu schützen: Bei heute üblichen Bahnlängen von 12 000 bis 24 000 Metern würde sich bei einer typischen Bedampfungsdicke von 40 bis 120 Nanometern dort ein glasartiger Belag von mehreren Millimetern Dicke aufbauen. Der Belag aus einem oxidischen Bedampfungsmaterial ist an seinen Kanten, im Gegensatz zu einem solchen aus Aluminium scharf und würde die Folie an den Rändern zerschneiden. Eine Randabdeckung bedeutet aber, daß auf beiden Seiten der Folienbahn je 1-2 cm nicht bedampftes Material als Abfall anfällt. Bei einer größeren Vakuum-Bedampfungsanlage entspricht dies jährlich 20 000 bis 40 000 kg.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vakuum-Bedampfungsanlage zu konzipieren, welche die obengenannten Schwierigkeiten durch eine neue Anordnung des Walzen- und Wickelsystems und durch die Anwendung von Zusatzeinrichtungen vermeidet, mit dem Ziel, auch thermisch wenig belastbare und weiche Folienmaterialien bedampfen zu können. Die Kombination von Polypropylen mit Siliziummonoxid­ schichten ist von besonderem ökologischem Interesse, da Barriereschichten aus PVDC oder Walzaluminium vermieden werden können. Die erfindungsgemäße Anordnung ist kombinierbar mit den heute eingesetzten Verdampfungsquellen bekannter Bauart.

Fig. VII zeigt die Elastizitätsmodule von Polyesterfolie und Polypropylenfolie über der Temperatur. Die Dehnung beider Folien verhält sich bei Raumtemperatur etwa wie 1:3, während bei 80 Grad C diese sich wie 1:15 verhält. Abhängig von der Folientype und den Fabrikaten kann daraus geschlossen werden, daß Polypropylenfolie höchstens einer um 75 Grad C Temperatur niedrigeren Temperatur bei der Bedampfung ausgesetzt werden darf, als dies bei einer Polyesterfolie der Fall ist.

Tabelle I Momentane maximale Erhitzung um delta T einer Folie (20 Mikrometer Polypropylen) bei vernachlässigbarer Wärmeabfuhr an die Kühlwalze in Abhängigkeit von der Aufdampfdicke einer Schicht aus Soliziummonoxid

Meßbedingungen: Bahngeschwindigkeit v = 250 m/min, ca. 80% der Bedampfungsdicke werden nach Fig. I an einer Strecke der Bahn über dem Verdampfer (3) von 0,35 Meter abgeschieden. Die Messung der maximalen Folientemperatur erfolgte durch Anbringen einer Zusatzwalze (1), welche die Folie unmittelbar nach dem Verlassen der Bedampfungszone von der Kühlwalze (4) abhebt. Dort erfolgt, abgeschirmt von der Wärmestrahlung des Verdampfers (3) eine Messung der Temperatur der Folie durch einen Pyrometer (2). Die Ausgangstemperatur der unbedampften Folie war bekannt. Diese wurde gemessen durch einen Durchlauf bei abgeschaltetem Verdampfer und gleicher Kühlwalzentemperatur.

Aus den obengenannten auftretenden Schwierigkeiten bei der Anwendung des klassischen Wickelmechanismus (Fig. II) stellen sich zur Lösung folgende Forderungen, welche die zu konzipierende Vakuum-Bedampfungsanlage zu erfüllen hat:

• f) Tabelle I zeigt, daß durch eine Erniedrigung der Folientemperatur vor der Bedampfung Werte der Sauerstoffdurchlässigkeit erreichen werden, wie man sie von Polyesterfolien kennt. Der Erniedrigung der Folientemperatur sind Grenzen gesetzt durch die Tatsache, daß bei den im Wickelraum typisch vorherrschenden Vakuum von 0,5 bis 1 Pascal bereits unter -60 Grad C die Folie als Kryofläche wirkt und Wasserdampf aus dem Restvakuum auf sich selbst kondensiert, unabhängig davon, ob weitere Kryoflächen von wesentlich niedrigerer Temperatur und ausreichender Größe vorhanden sind, z. B. großflächige Kryoflächen, welche mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden.
• g) Die Folie soll während der Bedampfung nicht auf einer Kühlwalze anliegen, um die sonst notwendige Randabdeckung und die sogenannten Dehnungsfalten zu vermei­ den.
• h) Die Folie soll unmittelbar nach der Bedampfung wieder auf Umgebungstempera­ tur oder eine niedrigere Temperatur zurückgekühlt werden.
• i) Die Folie soll, bis sie zurückgekühlt ist, nur geringster mechanischer Zugspannung ausgesetzt sein, um Dehnungsrisse der aufgedampften Schicht zu vermeiden.
• j) Das neben den Folienrändern in der Maschine kondensierende Material soll nicht als Partikel auf die Folie fallen, bzw. von ihr elektrostatisch angezogen werden. Dieses Material muß kontinuierlich entfernt werden.
• k) Ungleiche Wickelhärten der Ausgangsrolle sollen beseitigt werden, bevor sie die Aufdampfzone erreichen.
• l) Aufdampfmaterialien wie Siliziummonoxid sind etwa fünfzehnmal teurer als Aluminium. Deshalb ist anzustreben, das Verhältnis "Verdampftes Material"/"auf dem Produkt kondensiertes Material" von ca. 20 bis 25% bei klassischen Vakuum- Bedampfungsanlagen auf 70 bis 80% zu steigern. Dies ließe sich erreichen durch eine Kühlwalze mit extrem großem Radius. Eine Bahnführung in gerader Strecke über dem Verdampfer erzeugt genau diese Bedingung.

Fig. III zeigt die erfindungsgemäße Anordnung des Walzensystems des unter Vakuum befindlichen Wickelmechanismus von der Abwickelstation (6) über eine Strahlenheizung (7), welche in Abhängigkeit von der Bahngeschwindigkeit schnell regelbar ist, zur Kühlwalze I (4). Dazwischen befinden sich eine Anzahl von Umlenkwalzen (8), Breitstreckwalzen (9) bekannter Bauart. Die Kühlwalze I (4) wird innen von einer Kühlsole durchströmt, welche wiederum von einem Kälte­ aggregat auf der gewünschten Temperatur von -10 bis -60 Grad C gehalten wird. Es ist angestrebt, die Kühlwalze I (4) so zu dimensionieren, daß der Weg der Bahn auf ihr ausreichend lang ist, um bei der gewünschten Bahngeschwindigkeit die Bahn (10) so weit abzukühlen, daß die durch die Bedampfung eingebrachte Kondensations­ wärme und Strahlungswärme die Bahn (10) nur bis auf eine Temperatur erhitzt, bei welcher der in Fig. VII gezeigte beginnende Abfall des Elastizitätsmoduls noch nicht eintritt. Die Bahn (10) läuft über dem Verdampfer (3) frei und ohne Aufliegen auf einer Walze zur Kühlwalze II (11). Beide Kühlwalzen I (4) und II (11) sind motorisch oder durch Getriebe so synchronisiert, daß die Bahn (10) im Aufdampf­ bereich zugspannungsfrei ist oder einem nur sehr geringen mechanischen Zug ausgesetzt wird. Entsprechend gering wird die Dehnung der Bahn (10) während der thermischen Belastung durch die Bedampfung. Die Bildung von Mikrorissen in der aufgedampften Schicht wird dadurch weitgehend vermieden. Die Häufigkeit dieser Risse ist verantwortlich für die Verschlechterung der Barriereeigenschaft der aufgedampften Schicht. Eine über dem Verdampfer (3) eingebaute Blende (5) bekannter Bauart deckt diesen ab, solange die Bahn (10) eine gewisse Geschwindigkeit unterschreitet.

Die Bahn (10) kann auf ihrer Rückseite während der Bedampfung frei entgasen, wodurch keine Dehnungsfalten auftreten. Eine Randabdeckung ist nicht notwendig, da der bedampften Seite der Bahn (10) gegenüberliegend und berührungslos zu ihr ein endloses Metallband (12) quer zur Bahnrichtung läuft. (Fig. III, Schnitt A-B).

Die Geschwindigkeit dieses endlosen Metallbandes (12) welches auch ein Band aus einem wärmebeständigen Kunststoff sein kann, z. B. aus Polyimid, wird so geregelt, daß sich durch das auf beiden Seiten der Bahn (10) vorbeidampfende Material eine Schicht einer solchen Dicke bildet, welche noch nicht zum Abplatzen neigt. Das Metallband (12) ist beidseitig auf Walzen (13) geführt und durch diese gespannt.

Mindestens eine der beiden Walzen (13) ist mit einer Innenkühlung ausgerüstet. Im Bereich der ersten Walze (13) in Laufrichtung des endlosen Metallbandes (12) platzt durch die Umlenkung ein großer Teil des Kondensates bereits ab. Zurückbleibende Reste werden durch einen Schaber (14) oder eine rotierende Metallbürste (15) oder durch mehrere Schaber (14) und rotierende Metallbürsten (15) entfernt und in einem Sammelbehälter (16) aufgefangen.

Fig. IV zeigt eine Variante der Kondensatentfernung: Es werden zwei endlose Metallbänder eingesetzt (12a) und (12b). Beide haben eine Laufrichtung, die vom Rand der Bahn (10) wegführt. Schaber (14a) und (14b) und oder rotierende Metall-bürsten (15a) und (15b) befinden sich an der jeweils ersten Walze (13a) und (13b). Das Kondensat fällt in die Sammelbehälter (16a) und (16b).

Anstelle eines endlosen Metallbandes (12) nach Fig. III Schnitt A-B oder zwei endlosen Metallbändern (12a, 12b) ist alternativ möglich die Verwendung von einer oder zwei sich abwickelnden Rollen (21) oder (21a, 21b) nach Fig. VI, welche auch ein hitzebeständiges Polyimidband sein kann. Dieses nicht endlose Band wird laufend auf die Rollen (22) oder (22a, 22b) aufgewickelt. Das überschüssige Kondensat verbleibt dort. Es kann gemäß Fig. III Schnitt A-B entfernt werden oder es wird außerhalb der Vakuumanlage später entfernt.

An der Kühlwalze II (11) wird die Bahn (10) durch Wahl der von der Bahn­ geschwindigkeit und der Aufdampfdicke abhängigen Temperatur so weit abgekühlt, wie dies für die Weiterverarbeitung der Folie außerhalb der Vakuum- Bedampfungsanlage gewünscht wird. Über weitere Umlenkwalzen (8) und Breitstreckwalzen (9) gelangt die Bahn zum Aufwickler (17), auf welchem sie nach bekannter Technik bei geregelter Zugspannung aufgewickelt wird. Die Vakuumkammer ist nach bekannter Art in zwei separat gepumpte Räume geteilt, den Wickelraum (18) und den Aufdampfraum (19). Die Verbindung zwischen beiden besteht aus engen Schlitzen, die so bemessen sind, daß nur ein geringer Übertritt von Gas vom Wickelraum (18), der typisch bei einem Vakuum von 0,5 bis 1 Pascal gehalten wird, in den Aufdampfraum (19) erfolgt. Letzterer weist einen Arbeitsdruck im Bereich von 0,05 bis 0,005 Pascal auf.

Die Anordnung der Kühlwalzen I (4) und II (11 )ist in verschiedenen Varianten möglich:
Ihre Achsen können sowohl, wie in Fig. III in einer horizontalen Ebene liegen, aber auch in jedem Winkel bis zu 90 Grad zur Horizontalen angeordnet sein, sofern ein Verdampfer (3) verwendet wird, welcher in der entsprechenden Richtung senkrecht auf die Bahn (10) abdampfen kann. Sämtliche anderen Komponenten aus Fig. III und Fig. III, Schnitt A-B sind dann im entsprechenden Winkel zur Horizontalen eingebaut.

Den Verlauf der an der Bahn (10) anliegenden Zugspannung zeigt Fig. V schematisch.

Nach Beendigung des Aufdampf- und Wickelvorganges wird die Vakuum- Bedampfungsanlage zum Wechsel der Rollen entnommen. Der Verdampfer (3) wird nachgefüllt. Der Sammelbehälter (16) oder die Sammelbehälter (16a) und (16b) werden entleert.

Claims (8)

1. Vakuumanlage zur Erzeugung von Oxidschichten auf Kunststoffolien, insbesondere solchen aus Polypropylen und Polyaethylen, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahn (10) im Bedampfungsbereich (20) nach Fig. III zwischen zwei Kühlwalzen (4) und (11) mit gleicher oder geringfügig unterschiedlicher Umfangsgeschwindigkeit annähernd zugspannungsfrei und ohne Kontakt zu anderen Flächen transportiert und in voller Breite bedampft wird, nachdem die Bahn (10) vorher an einer Kühlwalze (4) eine Vorkühlung um mindestens eine Temperatur erfahren hat, welche der durch die Bedampfung zu erwartenden Temperaturerhöhung entspricht, wobei die von der Bahn (10) aufgenommene Wärmemenge an eine nachfolgende Kühlwalze (11) abgegeben wird.

2. Anspruch nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle einer Kühlwalze I (4) zur Vorkühlung der Bahn (10) mehrere Kühlwalzen zum Einsatz kommen.

3. Anspruch nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Bahn (10) aufgenommene Wärmemenge, bestehend aus Kondensations- und Strahlungswärme der Bedampfung an mehrere nachfolgende Kühlwalzen abgegeben wird.

4. Anspruch nach 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bedampfung der Bahn (10) in voller Breite durchgeführt wird, indem im Raum zwischen den Kühlwalzen I und II (4 und 11) nach Fig. III, Schnitt A-B ein in Querrichtung zur Bahn (10) und auf deren Rückseite befindliches endloses Metallband (12) ohne Berührung der Bahn (10) bewegt wird und das neben den Rändern der Bahn (10) kondensierende oxidische Aufdampfmaterial in einen Sammelbehälter (16) befördert, wo es durch Abplatzen bei der Umlenkung des endlosen Metallbandes (12) um eine Walze (13), unterstützt durch einen Schaber (14) und/oder eine rotierende Metallbürste (15) vom endlosen Metallband (12) entfernt wird.

5. Anspruch nach 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach Fig. IV zwei end­ lose Metallbänder (12a und 12b) und je zwei Sammelbehälter (16a und 16b), Walzenpaare (13a und 13b), Schaber (14a und 14b), rotierende Metallbürsten (15a und 15b) zum Einsatz kommen.

6. Anspruch nach 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des endlosen Metallbandes (12) oder der Metallbänder (12a und 12b), solche aus einem Polyimid- Band verwendet werden.

7. Anspruch nach 1, 4, 5, 6, dadurch gekennzeichnet, daß statt eines oder zweier endlosen Metallbänder (12 oder 12a, 12b) bandförmiges Material aus Metall oder Polyimid gemäß Fig. VI von einer Rolle (21) oder zwei Rollen (21a, 21b) zu einer Rolle (22) oder zwei Rollen (22a, 22b) gewickelt wird, wobei das neben den Rändern der Bahn (10) kondensierende oxidische Aufdampfmaterial entweder laufend entfernt wird oder mit der Rolle (22) oder den Rollen (22a, 22b) aufgewickelt wird.

8. Anspruch nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlwalzen I (4) und II (11) im Verhältnis ihrer Umfangsgeschwindigkeiten so geregelt werden, daß die Bahn (10) den Bedampfungsbereich (20) mit einem konstanten Durchhang durchläuft.