DE4328133A1 - Micro-structuring surfaces of oriented polymeric substrates - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Mikrostrukturierung von Oberflächen mit Laserstrahlung. Das bevorzugte Anwendungsgebiet ist die Mikrostrukturierung von Oberflächen von Textilprodukten.The invention relates to a method for microstructuring surfaces with Laser radiation. The preferred area of application is microstructuring of surfaces of textile products.
Die Oberflächenbeschaffenheit von Filamenten, wie beispielsweise von Polymer filamenten aus Polyamid oder Polyester oder von natürlichen Filamenten wie z. B. aus Seide, bestimmt wichtige Eigenschaften der aus diesen Filamenten be stehenden Folgeprodukten, wie Fasern, Garne, Flächengebilde, Haufwerke etc. Synthetische mit dem Schmelzspinnverfahren (melt-spun) gewonnene Polymer fasern, wie z. B. Polyamid- oder Polyesterfasern besitzen typischerweise eine glatte Oberfläche. Eine glatte Oberfläche von derartigen Filamenten ist für viele Gebrauchseigenschaften der aus ihnen hergestellten Folgeprodukte nachteilig. Die glatten Oberflächen führen z. B. zu unerwünschten spiegelnden Reflexionen der Folgeprodukte. Aus diesen Fasern hergestellte Produkte haben daher aus der Sicht der Konsumenten ein unschöneres Aussehen als Produkte aus natürlichen Fasern wie Baum- oder Schafswolle. Diese weisen nämlich eine un regelmäßige, rauhe Oberfläche auf, so daß es nicht zu den genannten spiegeln den Reflexionen kommt. Darüberhinaus bevorzugen die Konsumenten die takti len Eigenschaften von natürlichen Fasern, was darin begründet liegen kann, daß aufgrund der unregelmäßigen Oberfläche dieser natürlichen Fasern der Hautkontakt geringer ist als bei glatten Oberflächen. Deshalb wird eine mikro strukturierte Oberfläche angestrebt, wie sie bei einigen natürlichen Filamenten per se vorliegt.The surface properties of filaments, such as polymer filaments made of polyamide or polyester or of natural filaments such. B. made of silk, determines important properties of these filaments standing secondary products such as fibers, yarns, fabrics, piles etc. Synthetic polymer obtained using the melt-spun method fibers such as B. polyamide or polyester fibers typically have one smooth surface. For many, a smooth surface of such filaments is Use properties of the derived products made from them disadvantageous. The smooth surfaces lead e.g. B. unwanted specular reflections of the subsequent products. Products made from these fibers therefore have from the point of view of the consumer a less attractive appearance than products natural fibers such as cotton or sheep's wool. Namely, these have an un regular, rough surface so that it does not reflect the above comes to the reflections. In addition, consumers prefer tacti len properties of natural fibers, which may be due to the fact that due to the irregular surface of these natural fibers Skin contact is less than with smooth surfaces. That's why a micro textured surface sought, as with some natural filaments per se.
Verschiedene Verfahren zur Erzeugung von mikrostrukturierten Oberflächen mit Laserstrahlung sind im Stand der Technik offenbart. Dabei sind auch verschie dene Verfahren zur Mikrostrukturierung von Oberflächen von Textilprodukten geoffenbart.Different methods of creating microstructured surfaces with Laser radiation is disclosed in the prior art. Are also different process for the microstructuring of surfaces of textile products revealed.
Bei den folgenden Ausführungen soll unter einem Filament die kleinste mit einer Spinndüse erzeugte Einheit verstanden werden. Demnach besteht eine Faser aus mehreren bis vielen Filamenten und ein Garn aus mehreren bis vielen Fa sern.In the following explanations, the smallest with a filament should be Spinneret generated unit can be understood. So there is a fiber from several to many filaments and a yarn from several to many companies ser.
In der DE-OS 35 40 411 ist ein Verfahren angegeben, bei dem Textilfasern mit einem Laser bestrahlt werden, dessen Wellenlänge vorzugsweise im UV-Bereich liegt und die Oberfläche durch punktuelles, linienförmiges oder flächiges An- bzw. Aufschmelzen und/oder Abtragen von Fasermaterial mikrostrukturiert wird.DE-OS 35 40 411 specifies a method in which textile fibers are used be irradiated with a laser, the wavelength of which is preferably in the UV range lies and the surface by punctiform, linear or flat attachment or Melting and / or removal of fiber material is microstructured.
In der Druckschrift "Melliand Textilberichte", 4/1990, Seite 251 bis 256 und in der US-PS 5.017.423 sind ein Verfahren zur Mikrostrukturierung von Polymer-Fasern offenbart, bei dem die Polymer-Fasern, die eine hohe Absorption im UV-Bereich aufweisen, mit einem gepulsten Excimer-Laser mit einer im UV-Bereich liegenden Wellenlänge bestrahlt werden. Dabei bildet sich eine mikrostrukturierte Oberfläche aus, die eine relativ periodische Berg-Tal-Struktur aufweist. Die in diesem Stand der Technik geforderte Voraussetzung zur Mikrostrukturierung von Polymerfasern, nämlich ein sehr hoher Extinktionskoeffizient, wird für Polymerfasern im UV-Bereich erreicht, so daß hierfür nur Laser vom Typ Excimer-Laser Anwendung finden können. Diese haben jedoch den Nachteil, daß sie sehr kostenintensiv sind, z. B. aufgrund von Elektrodenabbrand und Fensterverschmutzung, und daher für den industriellen Einsatz bei der Bearbei tung von Polymerfasern nicht geeignet sind. Ferner ist bei diesem Stand der Technik die Erzeugung gezielter Oberflächenstrukturen allein durch Variation der Laserbedingungen nicht erreichbar ("meilland textilberichte", 4/1990, S. 255, Spalte 2, 3. Absatz).In the publication "Melliand Textilberichte", 4/1990, pages 251 to 256 and in the U.S. Patent 5,017,423 is a process for microstructuring polymer fibers disclosed in which the polymer fibers, which have a high absorption in the UV range have, with a pulsed excimer laser with a in the UV range lying wavelength are irradiated. This creates a microstructured Surface that has a relatively periodic mountain valley structure. In the state of the art required for microstructuring of polymer fibers, namely a very high extinction coefficient, is used for Polymer fibers in the UV range reached, so that only lasers of the type Excimer lasers can be used. However, these have the disadvantage that they are very expensive, e.g. B. due to electrode erosion and Window pollution, and therefore for industrial use in machining tion of polymer fibers are not suitable. Furthermore, at this level Technology to create targeted surface structures solely by varying the Laser conditions not achievable ("meilland textilberichte", 4/1990, p. 255, Column 2, 3rd paragraph).
Es ist weiterhin bekannt, daß solche Polymersubstrate Absorptionsbanden im infraroten Spektralbereich haben, die mit Wellenlängen zusammenfallen, wie sie von bekannten wellenlängen-abstimmbaren Lasern, wie z. B. CO2- und CO-La sern emittiert werden. Der versuchsweise Einsatz von solchen Lasern bei der Mikrostrukturierung von Fasern nach den zuvor beschriebenen Methoden mit dem Excimer-Laser sind jedoch erfolgslos geblieben. Auch bei einer steigenden Energiedichte wurden keine Mikrostruktureffekte beobachtet; vielmehr führte dies zu einem Durchschmelzen der Faser ab einem bestimmten Niveau der Energiedichte. Der Begriff Energiedichte beschreibt die Energie in J/cm2, mit der die Fasern bestrahlt werden und die von diesen Fasern absorbiert wird, wenn ein Laserpuls auf sie gerichtet wird.It is also known that such polymer substrates have absorption bands in the infrared spectral range, which coincide with wavelengths, as they are known from wavelength-tunable lasers, such as. B. CO 2 - and CO lasers are emitted. The experimental use of such lasers in the microstructuring of fibers using the methods described above with the excimer laser has, however, remained unsuccessful. Even with an increasing energy density, no microstructural effects were observed; rather, this caused the fiber to melt from a certain level of energy density. The term energy density describes the energy in J / cm 2 with which the fibers are irradiated and which is absorbed by these fibers when a laser pulse is directed at them.
Die vorliegende Erfindung stellt ein zuverlässiges und kostengünstiges Verfah ren zur Mikrostrukturierung von insbesondere Polymeroberflächen dar durch den Gebrauch von industriell bewährten CO2- und CO-Infrarot-Lasern, speziel len Excimer-Lasern mit einer großen Kohärenzlänge sowie Dye-Lasern. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erfordert nur etwa 1/10 der Energiedichte (J/cm2) von den nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren mit Standard-Excimer-Lasern.The present invention represents a reliable and inexpensive process for microstructuring polymer surfaces in particular through the use of industrially proven CO 2 and CO infrared lasers, special excimer lasers with a large coherence length and dye lasers. The method according to the present invention requires only about 1/10 of the energy density (J / cm 2 ) of the prior art methods using standard excimer lasers.
Jüngere Erkenntnisse zeigen, daß die Bedeutung eines sehr hohen Extinktions koeffizienten (ε = 2-20 µm-1) für das herkömmliche Verfahren mit UV-Excimer- Lasern geringer ist. So konnten mittlerweile auch Polymere mit schwächeren Ex tinktionswerten (ε = 0,2 µm-1) umstrukturiert werden. Recent findings show that the importance of a very high extinction coefficient (ε = 2-20 µm -1 ) is less for the conventional method with UV excimer lasers. Polymers with weaker extinction values (ε = 0.2 µm -1 ) have now been restructured.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Mi krostrukturierung von Oberflächen, insbesondere von Oberflächen von Textil produkten wie Filamente und deren Folgeprodukte anzugeben, bei dem die Oberflächenstrukturen in einfacher und kostengünstiger Weise, insbesondere durch den Einsatz von industriell bewährten CO- oder CO2-Lasern, erzeugt wer den.In contrast, the object of the invention is to provide a method for microstructuring surfaces, in particular surfaces of textile products such as filaments and their secondary products, in which the surface structures are simple and inexpensive, in particular through the use of industrially proven CO or CO 2 -Laser, who created the.
Weiterhin liegt der Erfindung das Problem zugrunde, beliebige Raumstrukturen zu erzeugen, deren Parameter entsprechend den zur Verfügung stehenden in terferenzbildenen Maßnahmen einstellbar sind. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, auf einfache und kostengünstige Weise periodische Berg-Tal-Strukturen auf den Oberflächen mit vorgebbaren Berg-Tal-Abständen zu erzeugen.Furthermore, the invention is based on the problem of any spatial structure generate whose parameters correspond to those available in interference-forming measures are adjustable. It is also a task of present invention, in a simple and inexpensive manner periodic Mountain-valley structures on the surfaces with definable mountain-valley distances to create.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht in den im Kennzeichen des Anspruchs 1 an gegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind mit den Merkmalen der Unteransprüche 2 bis 20 gekennzeichnet.The solution to this problem consists in the characterizing part of claim 1 given characteristics. Advantageous further developments include the features of subclaims 2 to 20.
Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß zur Erzeugung der mikrostrukturierten Oberfläche kein hoher Extinktionskoeffizient erforderlich ist, sondern nur eine räumliche Modulation der Leistungsdichte, so daß zum einen die Gefahr von Beschädigungen des zu bearbeitenden Materials, wie beispiels weise das Durchschmelzen von Fasern, verringert wird, und daß zum anderen keine speziellen Anforderungen an die zur Erzeugung der Laserstrahlung ver wendeten Lasertypen gestellt werden müssen. Daher können z. B. die aus der industriellen Materialbearbeitung bekannten und bewährten Lasertypen, gege benenfalls mit geeigneten Modifikationen, wie beispielsweise die Umrüstung des Laserresonators mit einem Güteschalter, eingesetzt werden und die Mi krostrukturierung in kostengünstiger Weise in industriellem Maßstab durchge führt werden. Beispielsweise beträgt die bei Anwendung des erfindungsgemä ßen Verfahrens aufzuwendende Energie zur Erzeugung der Mikrostrukturierung bei Bearbeitung im Pulsbetrieb nur einen Bruchteil der Energie, wie sie bei einer Bearbeitung mit einem ArF*-Excimer-Laser bei λ = 193 nm erforderlich ist, nämlich nur ein Schuß mit 100 mJ/cm2 anstelle von 20 Schüssen mit jeweils 60 mJ/cm2.The advantages of the invention are, in particular, that no high extinction coefficient is required to produce the microstructured surface, but only spatial modulation of the power density, so that on the one hand the risk of damage to the material to be processed, such as the melting of fibers, is reduced is, and that on the other hand no special requirements must be made of the laser types used to generate the laser radiation. Therefore, e.g. B. the known from industrial material processing and proven laser types, where appropriate with suitable modifications, such as retrofitting the laser resonator with a Q-switch, and the micro-structuring can be carried out in a cost-effective manner on an industrial scale. For example, the energy to be used when producing the method according to the invention for generating the microstructuring during processing in pulse mode is only a fraction of the energy required for processing with an ArF * excimer laser at λ = 193 nm, namely only one shot with 100 mJ / cm 2 instead of 20 shots with 60 mJ / cm 2 each.
Die vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach den Ansprüchen 10 ff. hat zudem den Vorzug, daß mit bekannten Techniken in ein facher Weise ein Interferenzfeld erzeugt wird, das eine periodische Leistungs dichte-Modulation aufweist, wobei die Periodizität, die den Berg-Tal-Abstand be stimmt, mit einfachen Mitteln einstellbar ist.The advantageous embodiment of the method according to the Claims 10 ff. Also has the advantage that with known techniques in one multiple times an interference field is generated that has a periodic power has density modulation, the periodicity being the mountain-valley distance true, is adjustable with simple means.
Die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 16 bringt zusätzlich den Vorteil, daß mit bekannten wellenlängen-abstimmbaren Lasern der Grad der Absorption und damit auch die erzielbare Strukturierung auf das jeweilige Material der Oberfläche einstellbar ist. Beispielsweise besitzen Polyme re neben der universellen hohen Absorption im tiefen UV noch charakteristische, von Molekülgruppen verursachte Absorptionsbanden im IR, von denen bei Poly ester eine mit der 9P 48-Linie des CO2-Lasers koinzidiert und einen Extinktions koeffizienten von ε = 0,098 µm-1 aufweist.The design of the method according to the invention according to claim 16 has the additional advantage that the degree of absorption and thus also the structure that can be achieved can be adjusted to the respective material of the surface with known wavelength-tunable lasers. For example, in addition to the universal high absorption in deep UV, polymers also have characteristic absorption bands in the IR caused by molecular groups, of which one polyester coincides with the 9P 48 line of the CO 2 laser and an extinction coefficient of ε = 0.098 µm - 1 has.
Die Erfindung ist in den Fig. 1 bis 10 anhand von Ausführungsbeispielen dar gestellt und wird im folgenden näher beschrieben.The invention is shown in FIGS. 1 to 10 using exemplary embodiments and is described in more detail below.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Durchführung des erfindungsge maßen Verfahrens. Fig. 1 is a schematic representation of the implementation of the inventive method.
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs der Bestrahlungszone zur Herleitung der Beziehung für den Berg-Tal-Abstand. Fig. 2 is an enlarged view of the area of the radiation zone to derive the relationship for the mountain-valley distance.
Fig. 3 eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah rens für die Bearbeitung von flächigem Material. Fig. 3 shows an arrangement for performing the procedure according to the invention for the processing of sheet material.
Fig. 4 eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah rens für die Bearbeitung von Filamenten, Fasern und Garnen. Fig. 4 shows an arrangement for performing the method according to the invention for the processing of filaments, fibers and yarns.
Fig. 5 ein Polyester-Filament, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren strukturiert worden ist: Polyester-Filament, mit auf 9P (48)-Linie abge stimmten CO2-Laser und interferenter Bestrahlung. Pulsdauer 600 ns, 1 × 120 mJcm-2 Quelle: FhG Inst. f. Lasertechnik, Aachen. Fig. 5 shows a polyester filament that has been structured according to the inventive method: polyester filament, with co-ordinated on the 9P (48) line CO 2 laser and interferential radiation. Pulse duration 600 ns, 1 × 120 mJcm -2 Source: FhG Inst. F. Laser technology, Aachen.
Fig. 6 Polyamid-6.6-Filamente, die nach dem Stand der Technik strukturiert worden sind: Polyamid (PA)-6.6 Filamente, mit ArF*-Excimer-Laser bestrahlt (10 × 114 mJcm-2) Quelle: T. Bahners, E. Schollmeyer J. Appl. Phys. 66 (4)15. Aug. 1989 p. 1884-1886. Fig. 6 polyamide-6,6 filaments which have been structured according to the prior art: polyamide (PA) -6.6 filaments, with ArF excimer laser irradiates * (10 x 114 mJ cm -2) Source: T. Bahners, E Schollmeyer J. Appl. Phys. 66 (4) 15. Aug 1989 p. 1884-1886.
Fig. 7 Polyester-Filamente, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mikrostrukturiert worden sind, wobei zur Bestrahlung ein KrF-Exci mer-Laser eingesetzt wurde. Fig. 7 polyester filaments that have been microstructured with the inventive method, wherein a KrF excimer laser was used for irradiation.
Fig. 8 vergrößerte Darstellung von Fig. 7. Fig. 8 enlarged view of Fig. 7.
Fig. 9 mikrostrukturierte Polyesterfolie. Fig. 9 microstructured polyester film.
Fig. 10 vergrößerte Darstellung von Fig. 9. Fig. 10 enlarged view of Fig. 9.
In Fig. 1 ist die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt. Zwei interferenzfähige Laserstahlen 5a und 5b mit der Wellenlänge λ überlagern sich unter einem Winkel R in einem Bereich 9, in dem die zu struk turierende Oberfläche parallel zu einer der Ebenen ei (i = 1, 2, 3) anzuordnen ist. Um das erfindungsgemäße Verfahren möglichst effektiv anzuwenden, ist die zu strukturierende Oberfläche in einer Ebene zwischen den Ebenen e1 und e3 an zuordnen, also dort, wo sich die maximale Ausdehnung des Interferenzfeldes befindet.In Fig. 1 the implementation of the method according to the invention is shown schematically. Two interference-capable laser beams 5 a and 5 b with the wavelength λ are superimposed at an angle R in a region 9 in which the surface to be structured is to be arranged parallel to one of the planes e i (i = 1, 2, 3). In order to use the method according to the invention as effectively as possible, the surface to be structured must be assigned in a plane between the planes e 1 and e 3 , that is, where the maximum extent of the interference field is located.
Anhand von Fig. 2, die in vergrößerter Darstellung den Bereich 9 zeigt, soll die Ermittlung des Berg-Tal-Abstandes d/2 in Abhängigkeit der Parameter λ und R erläutert werden. Die Wellenvektoren k1 und k2 der Laserstrahlen 5a und 5b ha ben den Betrag k = 2 π/λ und schließen den Winkel R ein. Die zu struktu rierende Oberfläche befindet sich in der Ebene A-B, deren Normale n parallel zu der Winkelhalbierenden der beiden Wellenvektoren und der Koordinatenrich tung z steht. Die Beobachtungsrichtung h in dieser Ebene läuft ihrerseits parallel zur Ebene, in der beide Wellenvektoren liegen.The determination of the mountain-valley distance d / 2 as a function of the parameters λ and R will be explained with reference to FIG. 2, which shows the area 9 in an enlarged representation. The wave vectors k 1 and k 2 of the laser beams 5 a and 5 b have the amount k = 2 π / λ and include the angle R. The surface to be structured is in the plane AB, the normal n of which is parallel to the bisector of the two wave vectors and the coordinate direction z. The direction of observation h in this plane in turn runs parallel to the plane in which both wave vectors lie.
In komplexer Notation und Zerlegung von k1,2 in h- und z-Komponenten, gilt für die Feldstärken der Wellen (die Zeitabhängigkeit exp (-iωt) als gemeinsamer Faktor ist eliminiert):In complex notation and decomposition of k 1,2 into h and z components, the following applies to the field strengths of the waves (the time dependence exp (-iωt) as a common factor is eliminated):
E1 = exp (ik1r) = exp (ik0 z cos (R/2) + ik0 h sin (R/2))
E2 = exp (ik2r) = exp (ik0 z cos (R/2) - ik0 h sin (R/2)).E 1 = exp (ik 1 r) = exp (ik 0 z cos (R / 2) + ik 0 h sin (R / 2))
E 2 = exp (ik 2 r) = exp (ik 0 z cos (R / 2) - ik 0 h sin (R / 2)).
Durch Addition erhält man:By adding you get:
Eges = E1 + E2 = 2 exp (ik0 z cos (R/2)) cos k0 sin (R/2) h)
und für die Intensität I:E tot = E 1 + E 2 = 2 exp (ik 0 z cos (R / 2)) cos k 0 sin (R / 2) h)
and for intensity I:
I = E2 ges = 4 cos2 (k0 sin (R/2) h) exp (2ik0 z cos (R/2)).I = E 2 tot = 4 cos 2 (k 0 sin (R / 2) h) exp (2ik 0 z cos (R / 2)).
In Laufrichtung h (z bleibt konstant) ist die Intensität I periodisch (cos2-Periode = π) mit der Periodenlänge d = λ0/(2sin (R/2)) moduliert (k0 wieder resubstitu iert).In the direction of travel h (z remains constant), the intensity I is periodically (cos 2 period = π) modulated with the period length d = λ 0 / (2sin (R / 2)) (k 0 is again substituted).
In der Ebene A-B - und jeder parallelen Ebene - beträgt also der Abstand d zweier Interferenzmaxima d = λ0/(2 (sin R/2)), so daß die erzeugte Struktur einen Berg-Tal-Abstand von d/2 aufweist.In the AB plane - and each parallel plane - the distance d between two interference maxima is d = λ 0 / (2 (sin R / 2)), so that the structure produced has a mountain-valley distance of d / 2.
Da dieser Abstand d in jeder zur Ebene A-B parallelen Ebene gleich ist, ist die Anordnung der zu strukturierenden Oberfläche nicht an eine feste Ebene ge bunden, so daß hinsichtlich der Positionierung der zu bearbeitenden Teile keine besonderen Anforderungen an die Genauigkeit dieser Positionierung zu richten sind.Since this distance d is the same in every plane parallel to plane A-B, the is Arrangement of the surface to be structured is not ge on a fixed plane bound, so that none with regard to the positioning of the parts to be machined special requirements for the accuracy of this positioning are.
Mit der Ausbildung eines derartigen Interferenzfeldes ergibt sich eine periodi sche räumliche Leistungsdichte-Modulation. Wird eine, vorzugsweise verstreckte bzw. vororientierte Faser einem solchen Strahlungsfeld ausgesetzt, bildet sich auf deren Oberfläche eine Mikrostrukturierung aus. Der Begriff "Mikrostrukturierung" bedeutet hierbei, daß sich transversale Furchen ausbilden (Berg/Tal-Struktur). Die gezielte Einstellung einer räumlichen Leistungsdichte- Modulation ist den zufälligen Fluktuationen, wie sie beim Stand der Technik mit Excimer-Lasern vorkommen, vorzuziehen.The formation of such an interference field results in a periodi spatial power density modulation. Will one, preferably stretched or pre-oriented fiber exposed to such a radiation field, a microstructuring is formed on their surface. The term "Microstructuring" here means that transverse furrows form (Mountain / valley structure). The targeted setting of a spatial power density Modulation is the random fluctuations that occur with the prior art Excimer lasers may be preferable.
Für eine erfindungsgemäße Mikrostrukturierung eignen sich vorwiegend orientierte synthetische Polymerfasern und -garne oder deren Folgeprodukte. Bevorzugte Fasern sind mit dem Spinndüsenverfahren hergestellte Nylon- oder Polyesterfasern, die im Textilbereich eine vielfältige Anwendung finden, z. B. Be kleidung, Einrichtungsgegenstände und Teppiche. Orientierte Filme sind ebenso geeignet. Eine Mikrostrukturierung dieser Filme verbessert deren Adhäsion. Mainly suitable for a microstructuring according to the invention oriented synthetic polymer fibers and yarns or their derivatives. Preferred fibers are nylon or spunbond Polyester fibers, which are used in a variety of ways in the textile sector, e.g. B. Be clothing, furnishings and carpets. Oriented films are as well suitable. Microstructuring these films improves their adhesion.
Der Begriff "orientiert" bezieht sich auf Substrate, die eine Tendenz zum Schrumpfen haben, wenn sie auf den Schmelzpunkt erhitzt werden. Alle getesteten handelsüblichen Textilprodukte und -filme hatten eine ausreichende Orientierung, so daß sich eine Mikrostrukturierung auf der Oberfläche ausbilden konnte. Polyesterfilamente, die mit einer Geschwindigkeit von 1000 m/Min. gesponnen werden und ein Verstreckungsmaß von 1,5 aufwiesen, zeigten bei Bestrahlung eine mikrostrukturierte Oberfläche. Garne, die mit einer Geschwin digkeit von mehr als 5000 m/Min. gesponnen werden, weisen eine für die Mikrostrukturierung ausreichende Orientierung auf, ohne daß sie zusätzlich ver streckt werden müssen. Insofern ist je nach Orientierungsgrad der Filamente unter Umständen eine zusätzliche Verstreckung erforderlich. Darüberhinaus besteht die Möglichkeit, die Fasern während der Verstreckung oder unter Zug zu bestrahlen.The term "oriented" refers to substrates that have a tendency to Have shrinkage when heated to the melting point. All commercial textile products and films tested had sufficient Orientation so that a microstructuring is formed on the surface could. Polyester filaments that run at a speed of 1000 m / min. were spun and had a draw ratio of 1.5, showed Irradiation a microstructured surface. Yarns with a speed speed of more than 5000 m / min. be spun, one for the Microstructuring sufficient orientation without additional ver need to be stretched. In this respect, depending on the degree of orientation of the filaments additional drawing may be required. Furthermore there is a possibility of stretching the fibers during drawing or under tension to irradiate.
Wenn ein orientiertes Polymersubstrat, wie z. B. eine verstreckte Faser, mit einer Laserstrahlung beaufschlagt wird, die eine räumliche Leistungsdichte- Modulation aufweist und die von der Oberfläche der Faser genügend absorbiert wird, schmilzt die Oberfläche des Substrats und es bilden sich abwechselnd heißere und kältere Zonen in der Schmelze aus. Durch die Verstreckung einer Faser, z. B. um den Faktor 4, wird das durchschnittliche Polymermolekül viermal länger, so daß für den Erhalt des Volumens das Molekül in transversaler Richtung zweimal dünner wird. Es wird angenommen, daß dies zu einer erheblichen Reduzierung der Entropie führt, wodurch ein eingefrorener Spannungszustand in der verstreckten Faser oder dem verstreckten Film hervorgerufen wird. Wenn die Oberfläche einer derartigen Faser schmilzt, entsteht in der Schmelze ein großer negativer Druck. Bei einer gleichförmigen Temperaturverteilung gleiten die Moleküle dann aneinander vorbei und nehmen eine mehr oder weniger sphärische Gestalt an. Dies kann als Verlust der Doppelbrechung in der obersten Mikrometer-Schicht der Faser gesehen werden. Wenn jedoch Temperaturgradienten vorliegen, liegen auch entsprechend Viskositätsgradienten vor. Es wird angenommen, daß aufgrund der Verwicklung der Polymermoleküle die Moleküle aus den kälteren Bereichen der Schmelze die Moleküle aus den heißeren, weniger viskosen Bereichen zu sich in die kälteren Bereiche ziehen, so daß es zur Ausbildung der Berg/Tal- Struktur kommt. Die "Berge" entsprechen also den kälteren Bereichen, während die "Täler" den heißeren Bereichen der Faseroberfläche entsprechen.If an oriented polymer substrate, such as. B. a drawn fiber, with a Laser radiation is applied, which has a spatial power density Has modulation and is sufficiently absorbed by the surface of the fiber , the surface of the substrate melts and it alternately forms hotter and colder zones in the melt. By stretching one Fiber, e.g. B. by a factor of 4, the average polymer molecule becomes four times longer, so that for the preservation of the volume the molecule in transverse Direction becomes thinner twice. It is believed that this becomes a Significant reduction in entropy leads to a frozen Tension condition in the drawn fiber or film is caused. When the surface of such a fiber melts, there is a large negative pressure in the melt. With a uniform Temperature distribution then the molecules slide past each other and take a more or less spherical shape. This can be a loss of Birefringence seen in the top micron layer of the fiber become. However, if there are temperature gradients, there are also according to viscosity gradients. It is believed that due to the entanglement of the polymer molecules the molecules from the colder areas the molecules melt from the hotter, less viscous areas pull themselves into the colder areas so that it forms the mountain / valley Structure is coming. The "mountains" correspond to the colder areas while the "valleys" correspond to the hotter areas of the fiber surface.
In einer Faser verläuft die Spannung in der Schmelze stets entlang der Faser achse, so daß die Strukturen stets orthogonal zur Faserachse verlaufen, auch wenn das räumlich leistungsdichte-modulierte Strahlungsfeld nicht orthogonal zur Faserachse verläuft. In einem biaxial orientierten Film gibt es keine Vorzugs richtung und es kommt zur Ausbildung von Noppenstrukturen (siehe Fig. 9, 10).In a fiber, the tension in the melt always runs along the fiber axis, so that the structures are always orthogonal to the fiber axis, even if the spatially power density-modulated radiation field is not orthogonal to the fiber axis. In a biaxially oriented film there is no preferred direction and nub structures are formed (see FIGS . 9, 10).
Wenn ohne gezielte räumliche Modulation der Leistungsdichte gearbeitet wird und lediglich kleine stochastische Fluktuationen im Laserstrahl vorliegen, wie dies bei der Bearbeitung mit Excimer-Lasern nach dem Stand der Technik ver mutet wird, ist eine relativ große Anzahl von Pulsen erforderlich, damit sich eine gewisse Mikrostrukturierung auf der Substratoberfläche ausbildet. Wenn das Substrat jedoch erfindungsgemäß mit einer räumlich modulierten Leistungsdich te beaufschlagt wird und zusätzlich die Periodizität der Modulation im Bereich der stochastischen nach dem Stand der Technik erzeugten Strukturen liegt, dann reicht ein einziger Strahlungspuls aus, um die Mikrostrukturierung zu erzeugen.When working without targeted spatial modulation of the power density and there are only small stochastic fluctuations in the laser beam, such as this when processing with excimer lasers according to the prior art is assumed, a relatively large number of pulses is required for one forms certain microstructuring on the substrate surface. If that However, according to the invention, the substrate has a spatially modulated power density te and the periodicity of the modulation in the range the stochastic structures produced according to the prior art, then a single radiation pulse is sufficient to close the microstructuring produce.
Die Bestrahlung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hat praktisch keinen Materialverlust der Faser zur Folge. Auch werden die physikalischen Eigenschaf ten der Fasern wie z. B. Bruch- und Dehnungsfestigkeit nicht wesentlich verändert. Die einzige bemerkenswerte physikalische Veränderung ist die wellige Struktur, die die Faseroberfläche in einer Schicht von etwa 1 µm annimmt (siehe Fig. 5 bis 10). Die ganze oder fast die ganze Orientierung in dieser obe ren Mikrometerschicht ist verloren. Diese Schicht ist unmittelbar im Anschluß an die Bestrahlung zunächst amorph, aber das Polymer rekristallisiert anschließend wieder, entweder spontan oder nach einer geringen Erwärmung und ist, abgesehen vom Unterschied in der Orientierung, vom Rest der Faser praktisch ununterscheidbar. Da Bekleidungsfasern typischerweise einen Durchmesser von 15 µm haben, macht das bestrahlte Material nur etwa einen Bruchteil der ganzen Faser aus.Irradiation with the method according to the invention results in practically no loss of material in the fiber. Also the physical properties of the fibers such. B. breaking strength and tensile strength not significantly changed. The only remarkable physical change is the wavy structure, which takes the fiber surface in a layer of about 1 micron (see Fig. 5 to 10). All or almost all of the orientation in this upper micrometer layer is lost. This layer is initially amorphous immediately after the irradiation, but the polymer then recrystallizes again, either spontaneously or after a slight heating and, apart from the difference in orientation, is practically indistinguishable from the rest of the fiber. Because apparel fibers are typically 15 µm in diameter, the irradiated material makes up only a fraction of the entire fiber.
Geeignete Laser für das erfindungsgemäße Verfahren umfassen Infrarot-Laser wie CO- und CO2-Laser, die ein gutes Kühlsystem aufweisen und die dahinge hend verändert wurden, daß sie Beugungsgitter und Q-Schalter aufweisen. Die Verwendung von Beugungsgittern hat den Vorteil, daß diese Laser bei verschiedenen Wellenlängen betrieben werden können. Ein Q-Schalter (ein Güteschalter, der sich auf die mögliche Verstärkung des Lasermediums bezieht) ist erforderlich, um möglichst kurze Laserpulse erzeugen zu können. Die Möglichkeit der Verwendung dieser großen, zuverlässigen Infrarot-Gas-Laser hat eine wirtschaftliche Anwendung der vorliegenden Erfindung in der kostenin tensiven Textilindustrie zur Folge. Ein wesentlicher Unterschied zwischen CO- und CO2-Infrarot-Lasern einerseits und konventionellen Excimer-Lasern andererseits ist die Qualität des Laserstrahls. Excimer-Laser zeigen große stochastische räumliche und zeitliche Variationen in ihren Strahlen, was mit In homogenitäten im Plasma zusammenhängt, insbesondere bei ArF-Excimer-La sern. Demgegenüber weisen CO2- und CO-Laser eine fast Gauß′sche Intensitätsverteilung im Laserstrahl auf. Zusätzlich gibt es einige spezielle Excimer-Laser, die eine genügend große Kohärenzlänge aufweisen, um ein genügend großes Interferenzfeld zur Behandlung von Fasern oder Produkten derselben erzeugen zu können. Die Kohärenzlänge des Laserstrahls sollte mindestens 5 mm, vorzugsweise 20 mm in der Länge betragen. Konventionelle Excimer-Laser sind zur Erzeugung einer ausreichenden Interferenz nicht geeignet, da ihre Kohärenzlänge nur in der Größenordnung von µm liegt. Es kann ferner auch mit Laserstrahlung im sichtbaren Spektralbereich eine Mikrostrukturierung durchgeführt werden. Z. B. haben Dye-Laser und Titan- Saphir-Laser eine ausgezeichnete Kohärenzlänge und es können mit ihnen gute Interferenzmuster erzeugt werden. Suitable lasers for the method according to the invention include infrared lasers such as CO and CO 2 lasers which have a good cooling system and which have been modified to have diffraction gratings and Q switches. The use of diffraction gratings has the advantage that these lasers can be operated at different wavelengths. A Q switch (a Q-switch that relates to the possible amplification of the laser medium) is required in order to be able to generate the shortest possible laser pulses. The possibility of using these large, reliable infrared gas lasers results in an economical application of the present invention in the expensive textile industry. A significant difference between CO and CO 2 infrared lasers on the one hand and conventional excimer lasers on the other is the quality of the laser beam. Excimer lasers show large stochastic spatial and temporal variations in their rays, which is related to inhomogeneities in the plasma, especially in ArF excimer lasers. In contrast, CO 2 and CO lasers have an almost Gaussian intensity distribution in the laser beam. In addition, there are some special excimer lasers that have a sufficiently large coherence length to be able to generate a sufficiently large interference field for the treatment of fibers or products thereof. The coherence length of the laser beam should be at least 5 mm, preferably 20 mm in length. Conventional excimer lasers are not suitable for generating sufficient interference because their coherence length is only in the order of µm. Microstructuring can also be carried out with laser radiation in the visible spectral range. For example, dye lasers and titanium sapphire lasers have an excellent coherence length and they can be used to generate good interference patterns.
In allen Fällen ist es jedoch erforderlich, daß der Absorptionskoeffizient der Fa ser bei der jeweiligen Wellenlänge, mit der diese Faser beaufschlagt wird, etwa 1000 cm-1 übersteigt, so daß die meiste Strahlung in der Oberfläche der Faser absorbiert wird. Der geeignete Lasertyp ist dementsprechend auszuwählen. Da bei sollen mindestens 50% der Strahlung in den oberen 3 µm der Substratober fläche absorbiert werden, vorzugsweise in der obersten Mikrometerschicht. Dies entspricht einem Absorptionsfaktor von mindestens 1000 cm-1, vorzugsweise größer als 3000 cm-1. Eine geringere Absorption von etwa 500 cm-1 ergibt auch eine, wenn auch geringere, Mikrostrukturierung. Im Vergleich hierzu werden bei konventionellen Methoden mit Standard-Excimer-Lasern Absorptionen im Be reich von 8600 bis zu 230 000 cm-1 erreicht.In all cases, however, it is necessary for the absorption coefficient of the fiber to exceed about 1000 cm -1 at the respective wavelength with which this fiber is exposed, so that most of the radiation is absorbed in the surface of the fiber. The suitable laser type must be selected accordingly. Since at least 50% of the radiation should be absorbed in the upper 3 μm of the substrate surface, preferably in the uppermost micrometer layer. This corresponds to an absorption factor of at least 1000 cm -1 , preferably greater than 3000 cm -1 . A lower absorption of about 500 cm -1 also results in a, albeit lower, microstructuring. In comparison, with conventional methods with standard excimer lasers, absorptions in the range from 8600 to 230 000 cm -1 are achieved.
Beispielsweise weist ein Absorptionsband von Polyester bei 9.814 µm eine Ab sorption von etwa 1000 cm-1 auf und fällt zusammen mit der 9P 48-Linie des CO2-Lasers. Weitere Absorptionsbanden von Polyester liegen bei 9.091 µm mit einem Absorptionsfaktor von etwa 2000 cm-1 und fallen zusammen mit der 9 R 46-Linie des CO2-Lasers; die Absorptionsbande von Polyester bei 5.817 µm mit einem Absorptionsfaktor von etwa 3000 cm-1 wird von etwa acht Emissionslinien des CO2-Lasers abgedeckt; die Nylon 6,6 Absorptionsbande bei 6.106 µm wird von fünf Linien des CO2-Lasers abgedeckt und weist einen Absorptionsfaktor von etwa 3000 cm-1 auf.For example, an absorption band of polyester at 9,814 µm has an absorption of about 1000 cm -1 and coincides with the 9P 48 line of the CO 2 laser. Further absorption bands of polyester are 9.091 µm with an absorption factor of about 2000 cm -1 and coincide with the 9 R 46 line of the CO 2 laser; the absorption band of polyester at 5,817 µm with an absorption factor of about 3000 cm -1 is covered by about eight emission lines of the CO 2 laser; the nylon 6.6 absorption band at 6.106 µm is covered by five lines of the CO 2 laser and has an absorption factor of approximately 3000 cm -1 .
Das Substrat sollte mit einer Energiedichte pro Puls von etwa 20 mJ/cm2 bis 1 J/cm2, vorzugsweise von 20 mJ/cm2 bis 200 mJ/cm2 bestrahlt werden, wobei die Pulslänge geringer als 10 µsec. sein sollte. In der Praxis sind 1 bis 8 Pulse, in der Regel schon 2 bis 4 Pulse, ausreichend um die gewünschte mikrostrukturier te Oberfläche zu erhalten. Im Gegensatz dazu ist bei der Mikrostrukturierung mit Standard-Excimer-Lasern eine Pulsanzahl von 40 oder mehr erforderlich. Höhere Energiedichten führen in der Regel zu einem unerwünschten Durch schmelzen der Faser. Pulsdauern von mehr als 10 µsec. Länge sind hingegen uneffektiv, da die Wärme in das Innere der Faser abgeleitet wird und zwar genauso schnell wie sie der Faseroberfläche auferlegt wird. Dies führt dazu, daß die Faser allgemein aufgeheizt wird und nicht mehr nur die Oberfläche in der spezifisch gewünschten modulierten Weise. Die Pulsdauer beträgt vorzugsweise einige µsec.; es ist jedoch auch möglich, mit Pulsen geringerer Pulsdauer zu ar beiten, z. B. Nanosekunden, Picosekunden oder sogar Femtosekunden. Es ist in allen Fällen darauf zu achten, daß die Oberfläche mit einer geeigneten Energiedichte beaufschlagt wird, und daß die Zeit innerhalb der die Oberfläche diese Energie absorbiert, kürzer ist, als die Zeit für den Wärmetransport in das Innere der Faser. Diese Zeiten für den Wärmetransport liegen in der Größenord nung von mehreren µsec.The substrate should be irradiated with an energy density per pulse of approximately 20 mJ / cm 2 to 1 J / cm 2 , preferably from 20 mJ / cm 2 to 200 mJ / cm 2 , the pulse length being less than 10 μsec. should be. In practice, 1 to 8 pulses, usually 2 to 4 pulses, are sufficient to obtain the desired microstructured surface. In contrast, a pulse number of 40 or more is required when microstructuring with standard excimer lasers. Higher energy densities usually lead to an unwanted melting of the fiber. Pulse durations of more than 10 µsec. Lengths, on the other hand, are ineffective because the heat is dissipated into the interior of the fiber, just as quickly as it is applied to the fiber surface. As a result, the fiber is generally heated and no longer just the surface in the specifically desired modulated manner. The pulse duration is preferably a few µsec .; however, it is also possible to work with pulses of shorter pulse duration, e.g. B. nanoseconds, picoseconds or even femtoseconds. In all cases, care must be taken to ensure that a suitable energy density is applied to the surface and that the time within which the surface absorbs this energy is shorter than the time for the heat transport into the interior of the fiber. These times for heat transport are on the order of several µsec.
In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Der von einem Laser 1 erzeugte Laserstrahl 4 wird durch einen Strahlteiler 2 in mehrere Teilstrahlen, in diesem Fall zwei Teilstrahlen, 5a und 5b aufgetrennt. Mittels eines Umlenkspiegels 3 wird ein Teilstrahl 5b in einer Ebene umgelenkt und mit dem zweiten Teilstrahl 5a unter einem Winkel R ge kreuzt. Im Bereich der Überlappung der Teilstrahlen 5a und 5b (Bestrahlungs zone 9) befindet sich das zu bestrahlende Material 6, das beispielsweise mittels einer geeigneten Fördereinrichtung 7a und 7b durch das Laserstrahlungsfeld transportiert wird. Eine flächige Bestrahlung kann hierbei z. B. durch eine zeilen weise erfolgende Transportbewegung erreicht werden. Ebenso ist eine oszillierende Strahlablenkung senkrecht zur Transportrichtung möglich, wobei die Oszillation vorteilhafterweise durch gemeinsame Verkippung der strahlbeein flussenden Optiken 2 und 3 in zur Transportrichtung senkrechtem Winkel erfolgt. Der in der genannten Weise mit sich selbst zur Interferenz gebrachte Laserstrahl 4, hinterläßt dabei eine Spur 8 auf dem Material, die die gewünschte Mi krostrukturierung aufweist.In Fig. 3, an embodiment is illustrated for performing the method according to the invention. The laser beam 4 generated by a laser 1 is separated by a beam splitter 2 into several partial beams, in this case two partial beams, 5 a and 5 b. By means of a deflecting mirror 3 , a partial beam 5 b is deflected in one plane and crosses with the second partial beam 5 a at an angle R ge. In the area of overlap of the partial beams 5 a and 5 b (irradiation zone 9 ) is the material 6 to be irradiated, which is transported, for example, by means of a suitable conveyor 7 a and 7 b through the laser radiation field. A flat radiation can z. B. can be achieved by a line-wise transport movement. An oscillating beam deflection perpendicular to the direction of transport is also possible, the oscillation advantageously taking place by jointly tilting the optics 2 and 3 influencing the beam at an angle perpendicular to the direction of transport. The laser beam 4 brought into interference with itself in the above-mentioned manner leaves a trace 8 on the material which has the desired microstructuring.
Die Tiefe der Mikrostrukturierung ergibt sich - neben der Abhängigkeit vom Ex tinktionskoeffizienten - zum einen aus der in das Material 6 eingebrachten Laser leistung und zum anderen aus der Dauer der Wechselwirkung des Materials 6 mit dem leistungsdichte-modulierten Laserstrahlungsfeld. Während der erste Aspekt die Auswahl eines geeigneten Lasers und die Einstellung der Laserpa rameter betrifft, kann die Dauer der Wechselwirkung z. B. durch Variation der Transportgeschwindigkeit in geeigneter Weise eingestellt werden.The depth of the microstructuring results - in addition to the dependence on the extinction coefficient - on the one hand from the laser power introduced into the material 6 and on the other hand from the duration of the interaction of the material 6 with the power density-modulated laser radiation field. While the first aspect concerns the selection of a suitable laser and the setting of the laser parameters, the duration of the interaction can e.g. B. can be adjusted in a suitable manner by varying the transport speed.
Ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens sind neben der in Fig. 3 dargestellten und beschriebenen Anordnung auch beliebige andere An ordnungen möglich, sofern nur gewährleistet ist, daß sich die zu strukturierende Oberfläche im Bereich der Bestrahlungszone befindet. So können beispielsweise (siehe Fig. 4) einzelne Filamente, Fasern oder Garne 10 über einen rotierenden Zylinder 11 bewegt werden, wobei das Filament, die Faser oder das Garn mehrmals um die Zylindermantelfläche gelegt ist, und die sich überlagernden Laserstrahlen 5a, 5b parallel zur Zylinderachse 12 oszillieren. Durch die Rotation des Zylinders wird das Filament, die Faser oder das Garn im Bereich der einen Grundfläche des Zylinders aufgerollt und im Bereich der gegenüberliegenden Grundfläche des Zylinders abgerollt.Without limiting the general inventive concept, in addition to the arrangement shown and described in FIG. 3, any other arrangements are possible, provided that it is only ensured that the surface to be structured is located in the region of the radiation zone. For example (see FIG. 4), individual filaments, fibers or yarns 10 can be moved over a rotating cylinder 11 , the filament, the fiber or the yarn being placed several times around the cylindrical surface, and the overlapping laser beams 5 a, 5 b oscillate parallel to the cylinder axis 12 . Due to the rotation of the cylinder, the filament, the fiber or the yarn is rolled up in the area of one base area of the cylinder and unrolled in the area of the opposite base area of the cylinder.
Die Mikrostrukturierung der Faseroberfläche ist am effektivsten, wenn die Periodizität des äußeren Strahlungsfeldes möglichst nahe der "natürlichen" Peri odizität kommt, wie sie bei der Bestrahlung mit den stochastisch fluktuierenden Excimer-Lasern auftreten. Diese natürliche Periodizität liegt im Bereich von einigen µm für die meisten Bekleidungsfasern einschließlich Polyester und Nylon 6,6. Ein Interferenzmuster mit einer Periodizität von etwa 1 bis 10 µm, vorzugs weise 2 bis 6 µm, und am bevorzugtesten zwischen 3 und 5 µm ist am effektiv sten. Die Periodizität D des Strahlungsfeldes kann durch Variation des Interfe renzwinkels R eingestellt werden. Mit CO2-Lasern können etwa 5 µm, mit CO- Lasern sogar 3 µm erreicht werden.The microstructuring of the fiber surface is most effective when the periodicity of the external radiation field comes as close as possible to the "natural" periodicity as occurs when irradiating with the stochastically fluctuating excimer lasers. This natural periodicity is in the order of a few microns for most apparel fibers including polyester and nylon 6,6. An interference pattern with a periodicity of about 1 to 10 microns, preferably 2 to 6 microns, and most preferably between 3 and 5 microns is most effective. The periodicity D of the radiation field can be set by varying the interference angle R. About 5 µm can be achieved with CO 2 lasers and even 3 µm with CO lasers.
Fig. 5 zeigt die mikrostrukturierte Oberfläche einer Polyester-Bekleidungsfaser, unter Verwendung eines TEA CO2-Infrarot-Lasers. Der Laser (Uranit, Modell ML204) wurde mit einem Gitter, das den hinteren Spiegel ersetzt, auf die 9P 48- Linie (Wellenlänge 9.817 µm) abgestimmt. Die Wellenlänge der 9P 48-Linie liegt nahe beim Absorptionspeak von Polyester bei 9.814 µm. Der Laserstrahl wurde mit einem Strahlteiler in zwei Strahlen aufgeteilt, die unter Verwendung von Spiegeln unter einem Winkel von 136° wieder zusammengeführt wurden und interferierten. Das so erzeugte Interferenzmuster wies eine Periodizität von 5.3 µm auf. Ein kurzer Abschnitt eines Polyester-Teppichgarns (68 Filamente, 17 dtex/Filament) wurde über ein Loch in einem Metallkörper gespannt. Der Körper wurde so in das Interferenzfeld gebracht, daß der Garn, der über das Loch spannte, von diesem Interferenzfeld bestrahlt wurde. Der Garn wurde bestrahlt mit einem einzigen Puls von 200 mJ/cm2 (Absorptionsfaktor etwa 1000 cm-1) mit einer Pulslänge von etwa 600 nsec. Fig. 5 shows the microstructured surface of a polyester-fiber clothing, using a TEA CO 2 laser -Infrared. The laser (Uranit, model ML204) was tuned to the 9P 48 line (wavelength 9,817 µm) with a grating that replaces the rear mirror. The wavelength of the 9P 48 line is close to the absorption peak of polyester at 9,814 µm. The laser beam was split into two beams using a beam splitter, which were recombined using mirrors at an angle of 136 ° and interfered. The interference pattern generated in this way had a periodicity of 5.3 µm. A short section of a polyester carpet yarn (68 filaments, 17 dtex / filament) was stretched over a hole in a metal body. The body was placed in the interference field so that the yarn spanning the hole was irradiated by this interference field. The yarn was irradiated with a single pulse of 200 mJ / cm 2 (absorption factor about 1000 cm -1 ) with a pulse length of about 600 nsec.
Die Fig. 7 und 8 zeigen mikrostrukturierte Sontara-Polyester-Fasern, die einem Interferenzfeld ausgesetzt wurden, das mit einem KrF-Excimer-Laser mit einer Kohärenzlänge von einigen mm erzeugt wurde. Die Wellenlänge lag bei 248 nm. Es wurde ein Interferenzfeld mit einer Periodizität von 3,0 µm erzeugt. Die Sontara-Polyester-Fasern wurden mit acht Pulsen bestrahlt, von denen jeder eine Energiedichte von 100 mJ/cm2 aufwies (Absorptionsfaktor etwa 150 000 cm-1) sowie einem Puls mit einer Länge von 20 nsec. Die Durchführung des Experiments erfolgte entsprechend der Bearbeitung der Faser von Fig. 5. Die Untersuchung von Faserproben, die einer unterschiedlichen Anzahl von Pulsen ausgesetzt wurden, zeigte, daß die Strukturen schon nach dem ersten Puls auftraten und nach etwa vier bis acht Pulsen voll ausgebildet waren. Dabei reichten bereits geringe Energiedichten von etwa 30 mJ/cm2 aus, um die gewünschten Strukturen rasch entstehen zu lassen. Im Gegensatz dazu benötigen die Verfahren nach dem Stand der Technik mit Standard-Excimer-La sern etwa 5 bis 10 Mal höhere Energiedichten, entweder durch Anwendung von mehreren Pulsen und/oder höheren Energiedichten pro Puls. Diese Verfahren erzeugen nur eine fein geriffelte Oberfläche nach dem ersten Puls und es sind typischerweise 10 oder mehr Pulse erforderlich bis die gewünschte Struktur er reicht ist. FIGS. 7 and 8 microstructured Sontara polyester fibers which have been exposed to an interference field generated by a KrF excimer laser with a coherence length of a few mm. The wavelength was 248 nm. An interference field with a periodicity of 3.0 µm was generated. The Sontara polyester fibers were irradiated with eight pulses, each of which had an energy density of 100 mJ / cm 2 (absorption factor about 150,000 cm -1 ) and a pulse with a length of 20 nsec. The experiment was carried out in accordance with the processing of the fiber of FIG. 5. The examination of fiber samples which were exposed to a different number of pulses showed that the structures appeared after the first pulse and were fully developed after about four to eight pulses . Even low energy densities of around 30 mJ / cm 2 were sufficient to quickly create the desired structures. In contrast, the prior art methods with standard excimer lasers require approximately 5 to 10 times higher energy densities, either by using multiple pulses and / or higher energy densities per pulse. These methods only produce a finely corrugated surface after the first pulse and typically 10 or more pulses are required until the desired structure is achieved.
Ohne Einschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens können mit dem er findungsgemäßen Verfahren prinzipiell alle Oberflächen bearbeitet werden und mit der gewünschten Mikrostrukturierung versehen werden, sofern sich die Oberfläche mit Laserstrahlung bearbeiten läßt. Daher können neben der Mi krostrukturierung von Textilgewebe bzw. die diese aufbauenden Filamente und deren Folgeprodukte auch andere Oberflächen mit einer Mikrostrukturierung versehen werden, wie beispielsweise plattenförmige Erzeugnisse.Without restricting the general inventive concept, he can In principle, all surfaces are processed according to the invention and be provided with the desired microstructuring, provided that Can be processed with laser radiation. Therefore, in addition to the Mi crostructuring of textile fabrics and the filaments building them up their secondary products also other surfaces with a microstructuring are provided, such as plate-shaped products.
BezugszeichenlisteReference list
1 Laser
2 Strahlteiler
3 Umlenkspiegel
4 Laserstrahl
5 Teilstrahl
6 Material
7 Fördereinrichtung
8 Spur
9 Bestrahlungszone
10 Filamente, Faser oder Garn
11 Zylinder
12 Zylinderachse 1 laser
2 beam splitters
3 deflecting mirrors
4 laser beam
5 partial beam
6 material
7 conveyor
8 lane
9 radiation zone
10 filaments, fiber or yarn
11 cylinders
12 cylinder axis
Claims (20)
d = λ/[2*sin(R/2)].14. The method according to any one of claims 1 to 13, characterized in that for the formation of mountain-valley structures with a predetermined mountain-valley distance d / 2 (d = distance of the interference maxima) two interferable laser beams at an angle R cross, which at the specified wavelength λ of the laser radiation fulfills the following condition:
d = λ / [2 * sin (R / 2)].
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