DE4308632B4

DE4308632B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Nachbehandeln von Aluminium-beschichteten Kunststoff-Folien

Info

Publication number: DE4308632B4
Application number: DE4308632A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr.-Phys. Grimm; Thomas Dr.-Phys. Krug; Rainer Dr.-Phys. Ludwig; Gerhard Dipl.-Phys. Steiniger
Original assignee: Applied Materials GmbH and Co KG
Current assignee: Applied Materials GmbH and Co KG
Priority date: 1993-03-18
Filing date: 1993-03-18
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2013-03-19
Also published as: DE4308632A1

Abstract

Vorrichtung zum Nachbehandeln von Aluminium-beschichteten Kunststofffolien (4, 25, 29) oder -bändern, insbesondere aus Polypropylen, Polyethylen, Polyethylenterephtalat oder ähnlichen Kunststoffen, in einer Vakuumbehandlungskammer (1, 20) mit mindestens einer ein Sauerstoff-Niederdruckplasma (11, 11') erzeugenden Glimmkathode (7, 7'), einer zwischen der Glimmkathode (7, 7') und den Kunststofffolien (4, 25, 29) oder -bändern angeordneten Reaktionszone (5, 5') und Mitteln zum bewegbaren Führen der Kunststofffolien (4, 25, 29) oder -bänder, dadurch gekennzeichnet, dass die Glimmkathode (7, 7') auf die Aluminium-beschichtete Oberfläche der Kunststofffolien (4, 25, 29) oder -bänder weist und die Aluminium-beschichtete Oberfläche der Kunststofffolien (4, 25, 29) oder -bänder von den Mitteln zum bewegbaren Führen durch die Reaktionszone (5, 5') geführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Nachbehandeln von Aluminium-beschichteten Kunststoff-Folien oder -bändern in einer Vakuumbehandlungskammer gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 10 und 1 sowie eine Kunststoff-Folie oder -band nach dem Oberbegriff von Anspruch 21.
Kunststoff-Folien werden sowohl im industriellen wie auch im privaten Bereich in den unterschiedlichsten Anwendungsgebieten eingesetzt.
So werden beispielsweise für Verpackungszwecke transparente – oder Aluminium-Barriereschichten auf Folien aufgedampft oder unbeschichtete Folie für eine Weiterverarbeitung konditioniert. In US 4,393,091 ist ein solches Verfahren zur Beschichtung von Folien in einer Vakuumbehandlungsanlage angegeben. Dabei wird die Folie mittels einer Folienab- und aufwickelvorrichtung über eine Walze geführt und durch thermische Verdampfung mit einer Beschichtung versehen. Die Walze wird gekühlt und dient so der Temperaturkontrolle der Folie. Zwischen der Folie und der Walze wird ein enger Kontakt dadurch sichergestellt, dass die Folie mittels eines Elektronenstrahls mit einer Energie von 20 bis 60 keV aufgeladen wird. Um eine Beschädigung der Folie beim Aufwickeln zu verhindern, wird die elektrostatische Aufladung dadurch neutralisiert, dass die der Beschichtung abgewandte Folienrückseite einer Glimmentladung ausgesetzt wird.
Für die Beschichtung der Folien ist zunächst eine gute Benetzbarkeit und Haftfestigkeit der Folien von entscheidender Bedeutung, welche durch eine Vorbehandlung der unbeschichteten Folien verbessert wird.
Eine solche Vorbehandlung ist in der EP 0 248 274 A2 aufgezeigt. Als vorbereitender Schritt vor dem Abscheiden einer Metallschicht auf der Folie oder dem Abscheiden einer harten Kohlenstoffschicht auf einer metallbeschichteten Folie wird eine Ar-Plasmabehandlung mittels einer HF-Plasmaquelle durchgeführt. Dadurch wird die Folie oder die Metallschicht aufgerauht und so die Adhäsion zwischen der Folie und der Metall schicht bzw. der Metallschicht und der harten Kohlenstoffschicht erhöht.
Aluminium-beschichtete Folien werden zu einem großen Teil als Lebensmittelverpackung verwendet und unterliegen somit auch hohen Anforderungen an die Barriereeigenschaften gegen den Durchgang von z. B. Wasserdampf, Sauerstoff und Aromastoffen, um die mit diesen Folien verpackten Waren vor dem Austrocknen oder dem Verderb zu bewahren oder auch die Lagerdauer der Waren zu verlängern.
Dadurch bedingt ist man ständig bemüht, die Barriereeigenschaften von Verpackungsfolien zu optimieren, ohne die Schichtdicke der Aluminium-Schicht und damit auch die Herstellkosten zu erhöhen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die zum einen die Barriereeigenschaften der Folien wirksam verbessern, ohne zum anderen die Herstellkosten wesentlich zu erhöhen. Außerdem soll eine verbesserte Aluminium-beschichtete Kunststoff-Folie oder -band bereitgestellt werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 10, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und damit hergestellten Kunststoff-Folien oder -bändern nach Anspruch 21.
Im Detail wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Nachbehandeln von Aluminium-beschichteten Kunststoff-Folien oder -bändern in einer Vakuumbehandlungskammer angegeben mit mindestens einer Walze zur Führung der Folie oder Bänder und mit mindestens einer Glimmkatode, wobei in einer Reaktionszone zwischen der Walze und der Katode ein Niederdruckplasma erzeugt wird und als Prozeßgas Sauerstoff eingelassen wird und die Folien oder Bänder durch die Reaktionszone hindurch bewegbar sind.
Dabei wird die Folie einer Glimmentladung im Druckbereich von 10¹ bis 10^-2 mbar ausgesetzt.
Die Behandlung selbst kann mit Vorteil in Bandbeschichtungsanlagen sehr ökonomisch mit Foliengeschwindigkeiten von mehreren Metern pro Sekunde durchgeführt werden.
In einem Ausführungsbeispiel wurde eine unbehandelte Aluminium-beschichtete Folie vermessen und eine Sauerstoff-Barriere von größer/gleich 2 (cm³/m² Tag bar) ermittelt. Nachdem die gleiche Folie einer erfindungsgemäßen Nachbehandlung unterzogen wurde, konnte vorteilhafterweise eine wesentlich verbesserte Barriereeigenschaft festgestellt werden, welche bei einem Wert von nun 1,15 (cm³/m² Tag bar) lag. Dies entspricht einer Barriere, die durch eine 1,5-fache Schichtdicke des ursprünglichen Aluminiums erreichbar wäre.
Weitere Ausführungsmöglichkeiten und Merkmale sind in den Unteransprüchen näher beschrieben und gekennzeichnet.
Aus der DE 40 10 663 C2 ist bekannt, Aluminium-beschichte Reflektorgehäuse in einem Plasmaschritt oberflächlich zu oxidieren, jedoch handelt es sich bei dem Plasmaschritt um einen quasistatischen Prozeß mit hoher Einwirkdauer, bei dem keine Glimmkatode zur Plasmaerzeugung verwendet wird. Dieser Prozess ist unter dem Gesichtspunkt einer Erhöhung der Barrierewirkung nicht auf Folien und Bänder übertragbar, da durch die Plasmabehandlung zwar die Abrasionsfestigkeit der Aluminiumschicht erhöht wird, zum Erhalt der Korrosionsfestigkeit der Aluminiumschicht aber zusätzliche Schutzschichten vorgesehen werden müssen.
Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungsmöglichkeiten zu; zwei davon sind in den anhängenden Zeichnungen näher dargestellt, und zwar zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Behandlung einer Aluminium-beschichteten Folie,
2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, mit der eine Folie beschichtet und anschließend mittels eines Plasmas behandelt wird.
In 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gezeigt, mit der eine Al-beschichtete Folie behandelt wird. In einer Vakuumkammer 1, die über einen Absaugstutzen 2 auf etwa 10^-2 mbar evakuiert wird, befindet sich eine Umlenkwalze 3, die eine von einer nicht dargestellten Abwickelkammer ankommenden Folie 4 in eine Reaktionszone 5 nach unten umlenkt, von der aus diese wieder nach oben gelenkt und als abgehende Folie 6 einer nicht dargestellten Aufwickelwalze zugeführt wird. Gegenüber der Zone 5 ist eine Glimmkatode 7 angeordnet, die mit dem negativen Pol einer Gleichspannungsquelle 8 verbunden ist. Eine elektrische Zuführungsleitung 9 von der Spannungsquelle 8 zur Elektrode 7 ist durch eine Isolierung 10 in die Kammer geführt. Unterhalb der Katode 7 befindet sich ein elektrisch isolierter Abschirmkasten 13, der verhindert, daß sich ein Plasma zwischen der Katode 7 und der Kammer 1 ausbildet.
Wird die Elektrode 7 an negatives Potential gelegt, so bildet sich zwischen dem Bereich 5 und der Elektrode 7 ein Plasma 11 aus. Dieses Plasma ist erfindungsgemäß ein Sauerstoff-Plasma, wobei der Sauerstoff über einen Einführstutzen 12 in die Kammer 1 eingeführt wird. Statt einer einfachen Glimmkatode 7 könnte auch eine Magnetronkatode zum Einsatz kommen.
In 2 ist eine Vorrichtung gezeigt, mit der eine Folie zunächst beschichtet und anschließend mittels Plasma nachbehandelt wird. Ein Gehäuse 20 ist hierbei in zwei Kammern 21, 22 unterteilt, die durch eine Wand 23 voneinander getrennt sind. In der oberen Kammer 21 befindet sich eine Abwickelwalze 30, von der eine unbeschichtete und bandförmige Folie 29 über Umlenkwalzen 28, 28', ... einer Beschichtungswalze 27 zugeführt ist.
Unterhalb der Beschichtungswalze 27 ist ein Tiegel 31 angeordnet, in dem sich ein Beschichtungsmaterial befindet, z. B. Al. Dieses wird verdampft und schlägt sich auf der Folie 29 als dünne Schicht nieder.
Die Folie 29 läuft dann zu einer Glimmkatode 7, die sich in der Kammer 21 befindet. Zwischen dieser Katode 7 und der unbeschichteten Folie liegt ein Plasma 11, durch das die Folie 29 behandelt wird. In der oberen Kammer 21 herrscht in diesem Fall ein Druck von etwa 10^-2 mbar, während in der unteren Kammer 22 ein Druck kleiner 10^-2 mbar herrscht. Über weitere Umlenkwalzen 26, 26', ... wird die behandelte Folie 25 auf eine Aufwickelwalze 24 gewickelt.
Die Katode 7 kann auch an einer anderen Stelle angeordnet sein, die mit der Bezugszahl 7' bezeichnet ist. Diese zwischen den Walzen 24 und 26, 26', ... angeordnete Elektrode 7' kann mit einem eigenen Gehäuse 13' umgeben sein, in welches Gas eingegeben wird. Der Druck von 10^-2 mbar braucht dann nur innerhalb des Gehäuses 13' aufrechterhalten zu werden.

1: Vakuum-Behandlungskammer
2: Absaugstutzen
3: Umlenkwalze
4: Folie
5', 5': Reaktionszone
6: Folie
7, 7': Glimmkatode
8, 8': Gleichspannungsquelle
9: Zuführungsleitung
10: Isolierung
11, 11': Plasma
12, 12': Einführstutzen
13, 13': Abschirmkasten
20: Gehäuse, Vakuumbehandlungskammer
21: Kammer
22: Kammer
23: Wand
24: Aufwickelwalze
25: Folie
26, 26', ...: Umlenkwalze
27: Beschichtungswalze
28, 28', ...: Umlenkwalze
29: Folie
30: Abwickelwalze
31: Tiegel.

Claims

Vorrichtung zum Nachbehandeln von Aluminium-beschichteten Kunststofffolien (4, 25, 29) oder -bändern, insbesondere aus Polypropylen, Polyethylen, Polyethylenterephtalat oder ähnlichen Kunststoffen, in einer Vakuumbehandlungskammer (1, 20) mit mindestens einer ein Sauerstoff-Niederdruckplasma (11, 11') erzeugenden Glimmkathode (7, 7'), einer zwischen der Glimmkathode (7, 7') und den Kunststofffolien (4, 25, 29) oder -bändern angeordneten Reaktionszone (5, 5') und Mitteln zum bewegbaren Führen der Kunststofffolien (4, 25, 29) oder -bänder, dadurch gekennzeichnet, dass die Glimmkathode (7, 7') auf die Aluminium-beschichtete Oberfläche der Kunststofffolien (4, 25, 29) oder -bänder weist und die Aluminium-beschichtete Oberfläche der Kunststofffolien (4, 25, 29) oder -bänder von den Mitteln zum bewegbaren Führen durch die Reaktionszone (5, 5') geführt wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Führung der Kunststofffolien (4, 25, 29) oder -bänder mindestens eine Walze (3, 27) vorgesehen ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Einstellen eines Druckes von 10¹ bis 10^-2 mbar in der Reaktionszone (5, 5') vorgesehen sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Glimmkathode (7, 7') aus Titan, Aluminium oder Edelstahl besteht.
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Glimmkathoden (7, 7') auf elektrisch unterschiedlichem Potential vorgesehen sind.
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschirmkasten (13, 13') vorgesehen ist, der die Reaktionszone (5, 5') gegen andere Zonen der Vakuumkammer (1, 21) abgrenzt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Setzen des Abschirmkastens (13, 13') auf floatendes Potential vorgesehen sind.
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der mindestens einen Walze (27) zur Beschichtung der Kunststofffolien (4, 25, 29) oder -bänder mit Aluminium angepasst und zusätzlich eine Beschichtungsvorrichtung (31), insbesondere ein Verdampfungstiegel vorgesehen ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vakuumbehandlungskammer (1, 20) eine Wand (23) vorgesehen ist, die die Vakuumbehandlungskammer (1, 20) in zwei Kammern (22, 21) unterteilt, die zur Beschichtung der Kunststofffolien (4, 25, 29) oder -bänder mit Aluminium bzw. der Nachbehandlung der Kunststofffolien (4, 25, 29) oder -bänder mit dem Niederdruckplasma (11, 11') angepasst sind.
Verfahren zum Nachbehandeln von Aluminium-beschichteten Kunststofffolien (4, 25, 29) oder -bändern in einer Vakuumbehandlungskammer (1, 20) mit einer Reaktionszone (5, 5'), wobei die Kunststofffolien (4, 25, 29) oder -bänder durch Mittel zum bewegbaren Führen durch die Reaktionszone (5, 5') geführt werden, gekennzeichnet durch die Erzeugung eines Niederdruckplasmas (11, 11') durch mindestens eine Glimmkathode (7, 7'), wobei Sauerstoff als Prozessgas verwendet wird, und die Einwirkung des Sauerstoff-Niederdruckplasmas (11, 11') auf die Aluminium-beschichtete Oberfläche der Kunststofffolien (4, 25, 29) oder -bänder.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Kunststofffolien (4, 25, 29) oder -bänder aus Polyprophylen, Polyethylen, Polyethylenterephtalat oder ähnlichen Kunststoffen verwendet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass mit den Mitteln zum Einstellen eines Druckes in der Reaktionszone (5, 5') ein Druck von 10¹ bis 10^-2 mbar eingestellt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Glimmkathode (7, 7') zur Erzeugung des Niederdruckplasmas (11, 11') verwendet wird, die aus Titan, Aluminium oder Edelstahl besteht.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Glimmkathoden (7, 7') verwendet werden, die jeweils auf unterschiedlichem elektrischem Potential liegen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionszone (5, 5') während der Nachbehandlung gegen andere Zonen der Vakuumkammer (1, 20) durch einen Abschirmkasten (13, 13') abgegrenzt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionszone (5, 5') während der Nachbehandlung gegen andere Zonen der Vakuumkammer (1, 20) durch den auf ein elektrisch floatendes Potential gesetzten Abschirmkasten (13, 13') abgegrenzt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10-16, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zusätzlich zur Nachbehandlung den Prozessschritt der Beschichtung der Kunststofffolien (4, 25, 29) oder -bänder mit Aluminium umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessschritte Beschichtung mit Aluminium und Nachbehandlung der Kunststofffolien (4, 25, 29) oder -bänder in getrennten Kammern (22, 21) durchgeführt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mit Aluminium während der Führung der Kunststofffolien (4, 25, 29) oder -bänder über eine zur Beschichtung angepasste Walze (27) und insbesondere durch Verdampfung erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10-19, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststofffolien (4, 25, 29) oder -bänder während der Führung über mindestens eine Walze (3, 27) geführt werden.
Aluminium-beschichtete Kunststofffolie (4, 25, 29) oder -band, dadurch gekennzeichnet dass die Herstellung mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 20 erfolgt.