DE69734996T2

DE69734996T2 - Verfahren zur beschichtung mit acrylaten

Info

Publication number: DE69734996T2
Application number: DE69734996T
Authority: DE
Inventors: G. David SHAW; S. Daniel CLINE; P. Eric DAWSON; Marc Langlois
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 1996-10-31
Filing date: 1997-10-31
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2017-11-01
Also published as: ATE314414T1; DE69734996D1; CN1238792A; CA2269271A1; EP0935633B1; EP0935633A1; AU5100298A; JP2001508089A; WO1998018852A1; AU732631B2; NZ335300A; EP0935633A4; KR20000052989A; CN1644608A; KR19980033213A

Description

Diese Erfindung betrifft Techniken zur Herstellung eines Substrates, welches mit einer vernetzten Acrylatschicht beschichtet ist, die eine Barriere für Permeation von Gasen wie Sauerstoff und Wasserdampf darstellt. Zusätzliche Schutzschichten zum Beispiel aus Metall schränken Permeation weiter ein. Oberflächenpräparierung ist ein wichtiges Merkmal dieser Erfindung.
U.S. Patent Nr. 4,842,893 offenbart Beschichten von nicht angegebenen Substraten mit einem Film von gehärtetem polyfunktionellem Acrylat und einer Abscheidung von Aluminium. Es wird angegeben, dass die dünne Filmbeschichtung für Nahrungsmittelverpackungen oder als eine Schutzbeschichtung für Metall oder andere Substrate nützlich sein kann. Die in U.S. Patent Nr. 4,842,893 beschriebene Technologie wird in zusätzlichen Patenten wie 4,499,520, 4,584,628, 4,618,911, 4,682,565, 5,018,048, 5,032,138 und 5,125,461 zur Herstellung von Monolithkondensatoren verwendet.
Viele Produkte, einschließlich vieler Nahrungsmittelprodukte, werden in dünnen flächenförmigen Kunststofftaschen oder dergleichen verpackt. Es ist wünschenswert, dass die dünnen Flächengebilde gegen Permeation von Sauerstoff, Wasserdampf und riechenden Gasen beständig sind. Dies kann zum Beispiel zum Schützen eines Nahrungsmittels vor Umweltgasen und auch zum Rückhalten des Nahrungsmittelaromas, wenn es gelagert wird, wichtig sein.
Solche Barriereflächengebilde werden allgemein aus teuren Kunststoffen hergestellt, da weniger teuere Filme für Sauerstoff oder Wasser zu permeabel sind, um eine lange Lagerdauer bereit zu stellen. Barrierefilme mit verringerten Kosten sind stark wünschenswert.
U.S. Patent Nr. 5,021,298 beschreibt Beschichten eines flächenförmigen Polyolefinsubstrates mit einer glatten Schicht aus jedwedem Kunststoff, außer Polyvinylidenchlorid, und dann Vakuummetallisieren des Kunststoffes, so dass das Metall einen Barrierefilm bildet. Es ist nicht notwendig, dass der Kunststoff selber ein Barrierematerial ist. Es wäre jedoch wünschenswert, die Beständigkeit eines solchen Flächengebildes gegen Permeation von Umweltgasen zu steigern und auch einen Schutz für das Metall gegen Korrosion oder dergleichen bereit zu stellen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Substrats mit einem Barrierefilm bereitgestellt, welches die folgenden Schritte umfasst: Behandeln einer Oberfläche eines Substrats mit einem reaktiven Plasma unter Verwendung eines reaktiven Gases in einem Vakuum, und innerhalb von 3 Sekunden danach, während sich das Substrat nach wie vor in dem Vakuum befindet; Verdampfen einer Acrylatmonomerzusammensetzung und Kondensieren des Acrylatmonomers auf dem Substrat als ein Monomerfilm; Polymerisieren des Acrylats in dem Monomerfilm, um eine vernetzte Acrylatschicht zu bilden; Aufbringen einer Aluminiumschicht als Sauerstoffbarrierematerial über der vernetzten Acrylatschicht; und Einschalten der Plasmabehandlung der Oberfläche der vernetzten Acrylatschicht und Ausschalten unmittelbar bevor die Schicht des Barrierematerials aufgebracht wird, um die optische Dichte und elektrische Leitfähigkeit der Barriereschicht zu variieren.
Ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Substrats mit einer Barriereschicht und eine erfindungsgemäße Ausführungsform werden nun mit Bezug auf die angefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 eine schematische Veranschaulichung einer Beschichtungsapparatur zum Herstellen eines solchen flächenförmigen Kondensatormaterials ist;
2 ein Graph ist, welcher die Kondensationseffizienz als eine Funktion der Temperatur veranschaulicht; und
3 im Querschnitt ein beschichtetes Polypropylen mit niedriger Sauerstoffpermeabilität veranschaulicht.
Barriereflächengebilde werden in einer Vielzahl von Ausführungsformen hergestellt, schließen aber wirksamerweise ein Substrat wie ein thermoplastisches Polymer, ein vernetztes Acrylatpolymer und einen zusätzlichen Barrierefilm wie eine kontinuierliche Beschichtung von Aluminium, welche durch Vakuummetallisierung aufgebracht wird, ein. Es ist auch wünschenswert, dass die metallisierte Schicht mit einer anderen Schicht aus vernetztem Acrylat bedeckt wird. Alle Beschichtungen werden in einem Vakuum in einem kontinuierlichen Verfahren ohne Entfernen des Substrats aus dem Vakuum aufgebracht.
Die Acrylatschichten in den verschiedenen Ausführungsformen werden bevorzugt in der Form eines verdampften Acrylatmonomers oder -oligomers abgeschieden. Der Monomerfilm wird mit Ultraviolettstrahlung oder einem Elektronenstrahl bestrahlt, um eine Polymerisierung des Acrylats zu verursachen, um eine Monolithschicht zu bilden. Polymerisierung durch Bestrahlung ist eine herkömmliche Praxis und der erforderliche Elektronenfluss oder die erforderliche Wellenlänge und der Gesamtfluss der Ultraviolettstrahlung sind im Allgemeinen bekannt.
Die Verdampfung des Monomers erfolgt bevorzugt von Flash-Verdampfungsapparaturen wie in den U.S. Patenten Nr. 4,722,515, 4,696,719, 4,842,893, 4,954,371 und 5,097,800 beschrieben. Diese Patente beschreiben auch Polymerisation von Acrylat durch Strahlung. In solche Flash-Verdampfungsapparaturen wird flüssiges Acrylatmonomer in eine erwärmte Kammer als Tropfen mit 1 bis 50 Mikrometern eingespritzt. Die erhöhte Temperatur der Kammer verdampft die Tropfen, wobei ein Monomerdampf hergestellt wird. Der Monomerdampf füllt eine im Allgemeinen zylindrische Kammer mit einem Längsspalt, welcher eine Düse bildet, durch welche der Monomerdampf fließt. Eine typische Kammer hinter der Düse ist ein Zylinder mit etwa 10 Zentimetern Durchmesser und einer Länge, welche der Breite des Substrats, auf welches das Monomer kondensiert wird, entspricht. In beispielhaften Verfahren können die Wände der Kammer bei einer Temperatur in der Größenordnung von 200 bis 320°C gehalten werden.
Eine geeignete Apparatur zum Beschichten des Substrats mit Acrylat und Metallschichten wird schematisch in 1 veranschaulicht. Die gesamte Beschichtungsausrüstung ist in einer herkömmlichen Vakuumkammer 36 positioniert. Eine Rolle von Polypropylen-, Polyester- oder Nylonflächengebilde ist an einer Abrollstange 37 befestigt. Das Flächengebilde 38, welches das Substrat bildet, wird um eine erste rotierbare Trommel 39 und um eine zweite rotierbare Trommel 40 gewickelt und auf eine Aufrollstange 41 aufgebracht. Tragrollen 42 werden wie geeignet verwendet, um das flächenförmige Material von der Abrollstange zu den Trommeln und zu der Aufrollstange zu führen.
Eine Flash-Verdampfungsvorrichtung 43 wird in der Nähe der Trommel an einer ersten Beschichtungsstation befestigt. Die Flash-Verdampfungsvorrichtung scheidet eine Schicht oder einen Film von Acrylatmonomer auf dem Substratflächengebilde, wenn es sich um die Trommel bewegt, ab. Nachdem es mit Acrylatmonomer beschichtet wurde, bewegt sich das Substratflächengebilde an einer Bestrahlungsstation vorbei, wo das Acrylat durch eine Quelle 44 wie eine Elektronenkanone oder eine Quelle von Ultraviolettstrahlung bestrahlt wird. Die Bestrahlung oder das Elektronenbombardement des Films ruft eine Polymerisation des Acrylatmonomers hervor.
Das Flächengebilde bewegt sich dann an einer Metallisierungsstation 46 vorbei, wo eine Beschichtung aus Metall für eine Elektrode durch Vakuummetallisierung aufgebracht wird. Das Flächengebilde bewegt sich dann an einer anderen Flash-Verdampfungsvorrichtung 47 vorbei, wo eine andere Schicht aus Acrylatmonomer abgeschieden wird, um eine Schutzschicht über dem Metall zu bilden. Diese Schicht aus Monomer wird durch Bestrahlung mit einer Ultraviolettstrahlungs- oder Elektronenstrahlquelle 48 benachbart zur Trommel gehärtet. Abhängig davon, ob eine Schicht aus Acrylat über oder unter der Metallschicht vorhanden ist, kann jede oder können beide der Verdampfungsvorrichtungen 43 oder 47 verwendet werden. Wenn die Metallschicht zwischen Schichten aus Acrylat in einer Sandwichanordnung vorliegt, werden natürlich beide Verdampfungsvorrichtungen und ihre entsprechenden Strahlungsquellen verwendet.
Das Flächengebilde bewegt sich dann auf die zweite Trommel 40 zu und vorbei an einer anderen Flash-Verdampfungsvorrichtung 49, wo eine andere Schicht aus Acrylatmonomer abgeschieden wird. Diese Schicht aus Monomer wird durch Bestrahlung mit einer Ultraviolettstrahlungs- oder Elektronenstrahlquelle 51 benachbart zur zweiten Trommel gehärtet. Die zwei Trommeln sind so angeordnet, dass die ersten Verdampfungsvorrichtungen benachbart zur ersten Trommel Acrylat auf eine Fläche des Flächengebildes aufbringen und die Verdampfungsvorrichtung 49 benachbart zur zweiten Trommel eine Schicht aus Acrylat auf die entgegengesetzte Fläche des Flächengebildes aufbringt. Das Flächengebilde, welches auf beiden Flächen mit Acrylatschichten und mindestens auf einer Fläche mit einer Metallschicht beschichtet ist, wird auf eine Aufrollstange 41 gewickelt. Die Rolle des Flächengebildes wird zur Verwendung aus dem Vakuumsystem entfernt.
Wenn ein Flächengebilde als ein Barriereflächengebilde verwendet wird, kann eine Abscheidung nur auf einer Fläche des Flächengebildes durchgeführt werden und die zweite Trommel kann weggelassen werden.
Beispielhafte Acrylatharze, welche zur Herstellung der dielektrischen Schicht verwendet werden, sind Monomere oder Oligomere mit einem gemittelten Molekulargewicht im Bereich von 150 bis 600. Bevorzugt weisen die Monomere ein mittleres Molekulargewicht im Bereich von 250 bis 500 auf. Fluorierte Acrylate oder Methacrylate mit höherem Molekulargewicht können mit diesen Materialien mit niedrigerem Molekulargewicht äquivalent sein und auch zur Bildung einer abgeschiedenen Acrylatschicht verwendet werden. Zum Beispiel verdampft und kondensiert ein fluoriertes Acrylat mit einem Molekulargewicht von etwa 2000 ähnlich wie ein nicht fluoriertes Acrylat mit einem Molekulargewicht in der Größenordnung von 300. Der akzeptable Bereich der Molekulargewichte für fluorierte Acrylate beträgt etwa 400 bis 3000. Fluorierte Acrylate schließen Monoacrylate, Diacrylate und Methacrylate ein. Fluorierte Acrylate sind schnell härtend. Während Methacrylate im Allgemeinen zu langsam härten, um wünschenswert zu sein, härten die fluorierten Acrylate rasch. Chlorierte Acrylate können auch nützlich sein.
Das Molekulargewicht ist die Summe der Atomgewichte von allen Atomen in einem Molekül. Das Atomgewicht ist das relative Gewicht eines Atoms auf der Basis, dass das ¹²C-Isotop ein Atomgewicht von 12 aufweist. Atomgewichteinheiten können zum Beispiel Gramm pro Gramm-Mol oder Pfund pro Pfund-Mol sein. Ungeachtet der Einheiten ist der Zahlenwert identisch. Einheiten des Molekulargewichts werden deshalb kaum erwähnt. Wie hier verwendet, ist das Molekulargewicht in Einheiten von Gramm/Gramm-Mol.
Der Molekulargewichtsbereich des Acrylats kann auch durch Vorwärmen des Vorpolymers, bevor es in die Verdampfungskammer atomisiert wird, erweitert werden. Dies erniedrigt die Viskosität und beschleunigt das Verdampfen. Die erniedrigte Viskosität erzeugt kleinere Tropfen von einer Atomisiervorrichtung und verbesserte Verdampfung. Dies kann auch das Verdampfen von Polymeren, welche bei Umgebungstemperaturen fest sind, ermöglichen. Sowohl einzelne Monomere als auch Mischungen von Monomeren können vorerwärmt werden. Zum Beispiel kann eine Mischung einen Hauptanteil eines Monomers mit einem Molekulargewicht von etwa 300 und einen Nebenanteil eines anderen Monomers mit einem Molekulargewicht im Bereich von etwa 800 bis 1000 aufweisen. Eine solche Monomermischung kann erfolgreich durch Vorwärmen, bevor in die Verdampfungskammer atomisiert wird, verdampft werden.
Es ist wünschenswert, dass die Dicke der Acrylatschicht zum Glätten von Oberflächenrauheit des darunterliegenden Substrats ausreichend ist. Zum Beispiel kann Polypropylen eine Oberflächenrauheit in der Größenordnung von 1/2 bis einem Mikrometer aufweisen. Eine Schicht aus Acrylat, welche etwa zwei Mikrometer dick ist, ist zum Glätten der Oberfläche in einer ausreichenden Weise geeignet, um Steillagen zu vermeiden, welche nicht in einfacher Weise Vakuummetallisierung annehmen würden.
Wenn die Monomere polymerisieren, kann eine Schrumpfung des Films auftreten. Übermäßiges Schrumpfen kann eine schlechte Haftung der Schicht auf dem Substrat verursachen. Die Haftung der Schicht an dem Substrat ist auch von der Dicke der Schicht abhängig. Es könnte sein, dass eine dünne Schicht eine größere Schrumpfung ohne Verlust von Haftung toleriert als eine dicke Schicht. Eine Schrumpfung von bis zu etwa 15 bis 20 % kann bei den dünnen Schichten, welche bei den Acrylatschichten verwendet werden, toleriert werden, da sie sehr dünn sind. Jedoch ist es bevorzugt, dass für eine zuverlässige Beschichtungshaftung die Schrumpfung niedriger als 10 % ist.
Um niedrige Schrumpfung zu erhalten, sollte eine relativ niedrige Vernetzungsdichte vorhanden sein. Materialien mit hoher Vernetzungsdichte wie Hexandiol-Dacryolith (HDDA) und Trimethylolpropan-Dacryolith (TMPTA) weisen eine schlechtere Haftung auf als Zusammensetzungen mit niedrigerer Vernetzungsdichte. Ein Weg zur Definition von Vernetzungsdichte und Schrumpfung ist, die Größe des Moleküls und die Anzahl der Acrylatgruppen pro Molekül zu berücksichtigen.
Bevorzugt weist das Acrylatmonomer ein mittleres Molekulargewicht zum Acrylatgruppenverhältnis im Bereich von 150 bis 600 auf. Mit anderen Worten, wenn das Acrylat ein Monoacrylat ist, liegt das Molekulargewicht im Bereich von 150 bis 600. (Tatsächlich ist es aus anderen Gründen bevorzugt, dass das Molekulargewicht eines Monoacrylats größer als 250 ist.) Auf der anderen Seite, wenn ein Diacrylat verwendet wird, kann das Molekulargewicht im Bereich von 300 bis etwa 1200 liegen, und wenn Triacrylate oder andere Oligomere verwendet werden, kann das Molekulargewicht höher sein.

Mischungen von Acrylaten von unterschiedlicher Funktionalität und Molekulargewichten können auch verwendet werden. In diesem Fall sollte das mittlere Molekulargewicht zum Acrylatgruppenverhältnis im Bereich von 150 bis 600 liegen. Dieser Wertebereich stellt eine ausreichend niedrige Schrumpfung der Acrylatschicht über Härten bereit, so dass eine gute Haftung erhalten wird. Wenn das Molekulargewicht zum Acrylatgruppenverhältnis zu hoch ist, kann übermäßige Schrumpfung und schlechte Haftung auftreten. Einige Beispiele des Verhältnisses sind wie folgt:

Trimethylolpropandiacrylat	98
Hexandioldiacrylat	113
Betacarboxyethylacrylat	144
Tripropylenglycoldiacrylat	150
Polyethylenglycoldiacrylat	151
Tripropylenglycolmethylethermonoacrylat	260

Eine 50/50-Mischung von Tripropylenglycoldiacrylat und Tripropylenglycolmethylethermonoacrylat weist ein mittleres Verhältnis von 205 auf. Materialien mit höherem Molekulargewicht können mit Betacarboxyethylacrylat (BCEA) gemischt werden, um ein Material mit geeignetem mittlerem Molekulargewicht bereit zu stellen.
Die verwendeten Acrylate können Polyolacrylate, saure Acrylate, Aminoacrylate und Etheracrylate sein. Geeignete Acrylate weisen nicht nur ein Molekulargewicht im geeigneten Bereich auf, sie weisen auch eine „Chemie" auf, welche Haftung nicht beeinträchtigt. Im Allgemeinen weisen stärker polare Acrylate eine bessere Haftung an Metallschichten auf als weniger polare Monomere. Lange Kohlenwasserstoffketten können die Haftung an Metall beeinträchtigen, können aber zum Abscheiden auf nicht-polaren Oberflächen ein Vorteil sein. Zum Beispiel weist Laurylacrylat eine lange Kette auf, von welcher man annimmt, dass sie von dem Substrat weg gerichtet ist und die Haftung an abgeschiedenen Metallschichten beeinträchtigt.
Ein typisches Monomer, welches für Flash-Verdampfen verwendet wird, schließt eine merkliche Menge an Diacrylat und/oder Triacrylat ein, um das Vernetzen zu fördern. Mischungen von Acrylaten können zum Erhalten von gewünschten Verdampfungs- und Kondensationscharakteristika und Haftung verwendet werden und zum kontrollierten Schrumpfen des abgeschiedenen Films während der Polymerisation.
Geeignete Monomere sind jene, welche in einer Vakuumkammer bei einer Temperatur unterhalb der thermischen Zersetzungstemperatur des Monomers und unterhalb einer Temperatur, bei welcher eine Polymerisation in weniger als ein paar Sekunden stattfindet, bei der Verdampfungstemperatur flash-verdampft werden können. Die Verweilzeit des Monomers in der Flash-Verdampfungsapparatur beträgt typischerweise weniger als eine Sekunde. Thermische Zersetzung oder Polymerisation sollten vermieden werden, um ein Verschmutzen der Verdampfungsapparatur zu minimieren. Die gewählten Monomere sollten auch einfach vernetzt werden können, wenn sie Ultraviolett- oder Elektronenstrahlstrahlung ausgesetzt werden.
Die Monomerzusammensetzung kann ein Gemisch von Monoacrylaten und Diacrylaten umfassen. Triacrylate neigen dazu, reaktiv zu sein, und können bei den Verdampfungstemperaturen polymerisieren. Allgemein ausgedrückt, die Schrumpfung wird mit Materialien mit höherem Molekulargewicht verringert.
Im Allgemeinen ist es wünschenswert, dass mindestens ein Hauptanteil des verdampften Acrylatmonomers ein polyfunktionelles Acrylat zum Vernetzen ist. Bevorzugt umfasst das Acrylat mindestens 70 Prozent polyfunktionelle Acrylate wie Diacrylat oder Triacrylat. Bevorzugt liegt das mittlere Molekulargewicht des/der Acrylatmonomers oder -monomere im Bereich von 250 bis 500. Wenn das Molekulargewicht niedriger als etwa 250 ist, verdampft das Monomer in einfacher Weise, aber es kann sein, dass es ohne Kühlen des Substrats nicht quantitativ auf dem Substrat kondensiert. Wenn das Molekulargewicht höher als etwa 500 ist, wird es zunehmend schwierig, die Monomere zu verdampfen und höhere Verdampfungstemperaturen sind erforderlich. Wie vorstehend erwähnt, sind einige fluorierte Methacrylate mit höheren Molekulargewichten äquivalent zu nicht fluorierten Acrylaten mit niedrigeren Molekulargewichten.
Bevorzugt weist das Acrylatmonomer einen Dampfdruck bei 25°C im Bereich von 1 bis 20 Mikrometer Quecksilber auf. Wenn der Dampfdruck niedriger als etwa 1 Mikrometer ist, können außergewöhnlich hohe Temperaturen zum Verdampfen von ausreichend Material zum Bilden einer Beschichtung auf dem flächenförmigen Substrat bei vernünftigen Beschichtungsgeschwindigkeiten erforderlich sein. Hohe Temperaturen können zu thermischer Zersetzung führen oder zu vorzeitigem Härten der Monomere. Wenn der Dampfdruck höher als etwa zwanzig Mikrometer Quecksilber ist, kann es sein, dass die Kondensation des Monomers zur Bildung eines Films auf dem Substrat für praktische Beschichtungsvorgänge eine zu niedrige Effizienz aufweist. Es kann sein, dass eine angemessene Effizienz nicht erreicht wird, bis die Oberfläche des Substrats unter den Gefrierpunkt des Monomers gekühlt wird, wobei es in diesem Fall sein kann, dass das Material nicht richtig polymerisiert.
Es gibt mindestens fünf Monoacrylate, zehn Diacrylate, zehn bis fünfzehn Triacrylate und zwei oder drei Tetraacrylate, die in der Zusammensetzung eingeschlossen sein können. Am stärksten bevorzugt umfasst das Acrylat Hexandioldiacrylat (HDDA) mit einem Molekulargewicht von 226 und/oder Tripropylenglycoldiacrylat (TRPGDA) mit einem Molekulargewicht von etwa 300. Andere Acrylate können verwendet werden, manchmal in Kombination, wie die Monoacrylate Laurylacrylat (MG 240) oder Epoxyacrylat RDX80095, hergestellt von Radcure in Atlanta, Georgia; die Diacrylate Diethylenglycoldiacrylat (MG 214), Neopentylglycoldiacrylat (MG 212), propoxyliertes Neopentylglycoldiacrylat (MW 328) und Polyethylenglycoldiacrylat, Tetraethylenglycoldiacrylat (MG 302) und Bisphenol-A-epoxydiacrylat; und die Triacrylate Trimethylolpropantriacrylat (MG 296), ethoxyliertes Trimethylolpropantriacrylat (MG 428), propyliertes Trimethylolpropantriacrylat (MG 470) und Pentaerythritoltriacrylat (MG 298). Die Monomethacrylate und Dimethacrylate Triethylenglycoldimethacrylat (MG 286) und 1,6-Hexandioldimethacrylat (MG 254) können auch nützlich sein, aber es kann sein, dass sie zu langsam härten, um für Hochgeschwindigkeitsbeschichtungsvorgänge nützlich zu sein.
Es ist bekannt, dass die Haftung zwischen einem Flächengebilde und einer Acrylatbeschichtung durch Verwenden eines Acrylats, welches Komponenten mit hohem Molekulargewicht enthält, gesteigert werden kann. In der Praxis werden Oligomere mit sehr hohem Molekulargewicht normalerweise mit Monomeren mit niedrigem Molekulargewicht gemischt. Die Oligomere weisen normalerweise Molekulargewichte von höher als 1000 und oft von bis zu 10.000 oder noch höher auf. Die Monomere werden als Verdünnungsmittel zum Erniedrigen der Beschichtungsviskosität verwendet und stellen eine erhöhte Anzahl an Acrylatgruppen zur Steigerung der Härtungsgeschwindigkeit, der Härte und der Lösungsmittelbeständigkeit in der resultierenden Beschichtung bereit.
Es wurde im Allgemeinen wegen ihrem sehr niedrigen Dampfdruck und hohen Viskosität als nicht durchführbar angesehen, Acrylate mit hohem Molekulargewicht zu verdampfen.
Beschichtungen aus verdampftem Acrylat waren auf Monomere mit niedrigem Molekulargewicht, im Allgemeinen mit einem Molekulargewicht von unter etwa 400, und mit niedriger Viskosität eingeschränkt. Im Allgemeinen liegen die Viskositäten unter 50 Centistokes. Zum Beispiel weist Henkel 4770, welches ein Aminacrylat ist, ein ausreichend hohes Molekulargewicht auf, so dass es bei 25°C eine Viskosität von etwa 1000 Centistokes aufweist. Dieses Material härtet in der Verdampfungsvorrichtung vor dem Verdampfen. Betacarboxyethylacrylat (BCEA), welches eine Viskosität von über 200 Centistokes aufweist, härtet auch in der Verdampfungsvorrichtung.
Es wurde jedoch gefunden, dass durch Mischen eines Materials mit sehr niedriger und eines mit sehr hoher Viskosität Flash-Verdampfen, Kondensation und Härten erhalten werden kann. Zum Beispiel weist ein Gemisch von 70 Prozent Henkel 4770 und 30 Prozent Diethylenglycoldiacrylat eine Viskosität von etwa 12 Centistokes auf und kann erfolgreich verdampft, kondensiert und gehärtet werden. Ein Gemisch von 70 Prozent Tripropylenglycoldiacrylat (TRPGDA) und 30 Prozent Betacarboxyethylacrylat (BCEA) weist eine Viskosität von etwa 15 Centistokes auf und kann in einfacher Weise verdampft, kondensiert und gehärtet werden. Die Komponente mit niedriger Viskosität erniedrigt die Viskosität der Mischung, was die Atomisierung in der Verdampfungsvorrichtung verbessert und die Flash-Verdampfung des Acrylats mit hoher Viskosität unterstützt.
Es besteht im Wesentlichen ein Zusammenhang zwischen den Molekulargewichten (und folglich den Viskositäten) der Acrylate mit hohem und der mit niedrigem Molekulargewicht. Im Allgemeinen kann es für zufriedenstellende Verdampfung und Kondensation sein, dass, je niedriger das Molekulargewicht und die Viskosität der Komponente mit niedrigem Molekulargewicht ist, desto höher das Molekulargewicht und die Viskosität der Komponente mit höherem Molekulargewicht ist. Der Grund für die gute Atomisierung in der Flash-Verdampfungsvorrichtung ist einfach. Dies ist im Wesentlichen ein physikalischer Effekt, welcher auf der Viskosität der Mischung basiert. Der Grund für das erfolgreiche Verdampfen ist nicht so klar. Man nimmt an, dass das Acrylat mit niedrigem Molekulargewicht im Wesentlichen das Material mit hohem Molekulargewicht verdünnt und dass das energetische Verdampfen des Materials mit niedrigem Molekulargewicht wirksam das Material mit höherem Molekulargewicht mitreißt.
Wenn Mischungen von Acrylaten mit hohem und niedrigem Molekulargewicht verwendet werden, ist es bevorzugt, dass das Gewichtsmittel des Molekulargewichts der Mischung im Bereich von 250 bis 600 und bevorzugt bei bis zu etwa 500 liegt. Dies stellt sicher, dass eine gute Verdampfung der Mischung bei vernünftigen Temperaturen in der Verdampfungsvorrichtung stattfindet.
Einige Beispiele von Acrylaten mit niedrigem Molekulargewicht sind Hexandioldiacrylat, Diethylenglycoldiacrylat, Propandiacrylat, Butandioldiacrylat, Tripropylenglycoldiacrylat, Neopentylglycoldiacrylat, Phenoxyethylacrylat, Isobornylacrylat und Laurylacrylat. Einige Beispiele von Acrylaten mit hohem Molekulargewicht sind Bisphenol-A-diacrylat, BCEA, Radcure 7100 (ein Aminacrylat, welches von Radcure, Atlanta, Georgia erhältlich ist), Radcure 169, Radcure 170, acrylierte und methacrylierte Phosphorsäure, Henkel 4770 (ein Aminacrylat, welches von Henkel Corporation, Ambler, Pennsylvania erhältlich ist) und Glycerinpropoxytriacrylat.
Besonders bevorzugte Materialien mit hohem Molekulargewicht schließen BCEA ein, welches einen Säurecharakter hat und eine Schrumpfung von nur etwa 4 Prozent über Härten aufweist. Ein anderes geeignetes Material ist ein Acrylat oder Methacrylat von Phosphorsäure. Man kann auch Dimere, Trimere und Tetramere von sauren Acrylaten oder Methacrylaten verwenden. Zum Beispiel ist Henkel 4770 polar und hilft bei der Erhöhung der Härtungsgeschwindigkeit und der Haftung. In Allgemeinen werden Komponenten mit höherem Molekulargewicht zum Hinzufügen von Flexibilität und/oder verringerter Schrumpfung oder zum Bereitstellen von einigen besonderen chemischen Charakteristika wie Säure- oder Laugenbeständigkeit verwendet.
Es wurde gefunden, dass die Temperatur des Substrats, auf welches der Monomerfilm abgeschieden wird, einen großen Einfluss auf die Effizienz der Kondensation haben kann. Die Wirkung der Temperatur hängt von dem besonderen Monomer ab. Eine beispielhafte Darstellung der Effizienz als eine Funktion der Temperatur ist in dem Graph von 2 veranschaulicht. Bei niedrigen Oberflächentemperaturen wie nahe 0°C besteht im Wesentlichen 100 % Effizienz und das gesamte Monomer kondensiert. Bei einer etwas höheren Temperatur, wie zum Beispiel 20°C, kondensiert, wenn überhaupt, wenig des Monomers wirklich auf dem Substrat. Es kann gesehen werden, dass in manchen Temperaturbereichen die Effizienz der Kondensation gegenüber relativ kleinen Veränderungen bei der Temperatur ziemlich empfindlich ist. Folglich sollte für eine effiziente Kondensation die Oberfläche des Substrats auf unter 0°C gekühlt werden. Wenn das Kühlen des Flächengebildes auf einer gekühlten Stütztrommel stattfindet, sind auf der Trommeloberfläche viel niedrigere Temperaturen erforderlich. Man kann sie bestimmen, wenn die Oberfläche ausreichend gekühlt ist, obwohl eine direkte Temperaturmessung des Flächengebildes schwierig ist. Wenn die Oberfläche mehr als etwa 0°C aufweist, liegt eine schlechte Kondensationseffizienz vor.
Für Monomere oder Oligomere mit höherem Molekulargewicht und niedriger Flüchtigkeit kann die kritische Kühltemperatur der Oberfläche höher als 0°C sein. Für solche Materialien sollte die Oberflächentemperatur niedriger als 10°C sein.
Da sich die Effizienz der Kondensation ziemlich stark verändert und da die Flash-Verdampfung und Bestrahlung dazu neigen, die Temperatur des Substrats zu erhöhen, ist es wünschenswert, die Rolle des Substrats zu kühlen, bis sie auf der Abrollstange in der Beschichtungsapparatur platziert wird. Folglich kann die Rolle des flächenförmigen Materials in einer Kühlvorrichtung mit niedriger Temperatur gelagert werden. Es ist auch wünschenswert, die rotierenden Trommeln, wie zum Beispiel mit gekühlten Wasser- und Ethylenglycollösungen, zu kühlen, so dass das Substrat bei einer niedrigen Temperatur bleibt. Für niedrigste Temperaturen können Silikonflüssigkeiten nötig sein.
Wenn das Flächengebilde, welches beschichtet wird, glatt und dünn (im Allgemeinen weniger als 12 Mikrometer) ist, kann mit Monomeren mit einem Molekulargewicht von mindestens 250 eine gute Kondensationseffizienz mit der Trägertrommel, welche auf Temperaturen im Bereich von –15°C bis –35°C gekühlt wird, erhalten werden. Dies wurde bei jedem Polypropylen- oder Polyesterflächengebilde beobachtet, welches bei Geschwindigkeiten im Bereich von etwa 80 bis 330 Meter pro Minute beschichtet wurde. Wenn ein dickeres Flächengebilde verwendet wird, kann die Kondensationseffizienz stark abnehmen. Zum Beispiel zeigte ein Polypropylenflächengebilde mit einer Dicke von etwa 20 Mikrometern eine Kondensationseffizienz von unter 70 %, als bei vergleichbaren Geschwindigkeiten mit einer Trommeltemperatur von niedriger als etwa –9°C beschichtet wurde. Diese Tests wurden ohne Vorkühlen des Substrats auf der Abrollstange durchgeführt. Folglich scheint es, als ob nicht genug Zeit zum Abkühlen ist, um das Substratflächengebilde vollständig zu penetrieren, wenn es sich über eine gekühlte Beschichtungstrommel mit hoher Geschwindigkeit bewegt. Deshalb ist die ausgesetzte Fläche des Flächengebildes nicht kühl, wenn es dem Acrylatdampf ausgesetzt wird.
2 schließt eine Reihe von Datenpunkten ein, welche gemessene Kondensationseffizienzwerte von Hexandioldiacrylatmonomer als eine Funktion der Substrattemperatur zeigen. HDDA ist ein relativ flüchtiges Monomer mit einem Molekulargewicht von etwa 212. Ein weniger flüchtiges Monomer wie Tripropylenglycoldiacrylat mit einem Molekulargewicht von etwa 300 weist eine höhere Kondensationseffizienz auf. Jedoch sogar dieses Material erfordert ein gewisses Ausmaß an Kühlen.
Das Molekulargewicht des Monomers sollte nicht zu stark erhöht werden, da der Dampfdruck mit steigendem Molekulargewicht schnell abnimmt. Um Monomere mit sehr hohem Molekulargewicht wie über etwa 600 zu verdampfen, muss die Verdampfungsvorrichtungstemperatur auf bis zu 350°C erhöht werden. Solche extremen Verdampfungsvorrichtungstemperaturen können die Monomermoleküle abbauen. Bevorzugt wird das Acrylatmonomermolekulargewicht unter etwa 600 gehalten.
Ein extremes Ausmaß an Kühlen des Substrats muss auch vermieden werden. Zum Beispiel gefriert HDDA auf dem Substrat, wenn die Beschichtungstrommeltemperatur unter etwa 0°C liegt. Das gefrorene Monomer kann nicht polymerisiert werden. Folglich muss die Kühltemperatur die Oberfläche des Substrats über dem Gefrierpunkt des Monomers halten, aber unter der Temperatur, bei welcher die Kondensationseffizienz wesentlich abfällt. Für eine kommerziell akzeptable Abscheidung sollte die Kondensationseffizienz 90 % übersteigen. Ein Verlust an Material aufgrund von niedriger Kondensationseffizienz ist von niedrigerem Interesse als das Sammeln von Streukondensat in Vakuumkammern, Pumpen und anderer Ausrüstung. Bevorzugt nähert sich die Kondensationseffizienz 99 %.
Als eine Alternative zu oder zusätzlich zu dem Vorkühlen der Rolle des Substrats kann das Flächengebilde an der vorderen Oberfläche vor der Verdampfungsvorrichtung gekühlt werden. Zum Beispiel kann die Tragrolle 42 zwischen der Abrollstange und der ersten Trommel zum Abkühlen der vorderen Oberfläche des Substratflächengebildes, bevor es die erste Trommel erreicht, gekühlt werden. Um die vordere Fläche des Substratflächengebildes bei einer ausreichend niedrigen Temperatur für effiziente Kondensation zu erhalten, sollte die Rolle, welche mit der vorderen Fläche in Kontakt kommt, auf unter 0°C und bevorzugt auf unter –15°C gekühlt werden.
Es kann auch wünschenswert sein, nach dem Abscheiden von Metall das Flächengebilde von der prinzipiellen Abscheidungstrommel abzuheben und die vordere Oberfläche des Flächengebildes über eine gekühlte Rolle zum Abkühlen der metallisierten Oberfläche zu bewegen. Vakuumabscheidung von Aluminium auf der Oberfläche erwärmt das Flächengebilde und es wurde gefunden, dass zusätzliches Kühlen nach dem Abscheiden die Abscheidungseffizienz steigert und zu verbesserten Beschichtungen führt. Es kann sein, dass dies zum Beschichten von Barriereflächengebilden keine geeignete Technik ist, da ein Kontakt der ungeschützten Metallbeschichtung mit einer Rolle einen ausreichenden mikroskopischen Schaden an der Oberfläche verursachen kann, so dass die Barriereeigenschaften verschlechtert sind. Bevorzugt wird die metallisierte Oberfläche mit einem Acrylat beschichtet, welches vernetzt wird, bevor die beschichtete Oberfläche des Flächengebildes mit jedweden festen Oberflächen in Kontakt kommt.
Man kann auch die vordere Oberfläche eines Substrats durch zum Beispiel eine gekühlte Tragrolle kühlen und dann Metall auf der gekühlten vorderen Oberfläche abscheiden. Dieses anfängliche Kühlen kann ausreichend sein, dass eine darüberliegende Acrylatschicht erfolgreich auf dem vorgekühlten Substrat abgeschieden werden kann.
Es konnte auch bemerkt werden, dass bei Verwendungen, wo die Oberfläche des Substrats, welche mit Acrylatmonomer beschichtet wird, relativ rau ist, ein Vorkühlen durch die rotierende Trommel nicht ausreichend sein kann und ein Vorkühlen der Rolle des Substratflächengebildes erforderlich sein kann. Zum Beispiel wurden auf einem 9 Mikrometer dicken durchscheinenden Polypropylenflächengebilde mit relativ niedriger Abscheidungseffizienz Abscheidungen durchgeführt. Das Flächengebilde wies eine Oberflächenrauheit von etwa ½ bis 1 Mikrometer auf. Die Trommel nach dem Flächengebilde, auf welches das Acrylat abgeschieden wurde, wurde auf eine Temperatur von etwa 0 bis 4°C gekühlt. Die Kondensationseffizienz betrug weniger als etwa 70 Prozent, da das raue Flächengebilde mit der gekühlten Trommel nicht gut in thermischem Kontakt kam. Dies kann mit einem glatten Flächengebilde mit vergleichbarer Dicke und Beschichtungsgeschwindigkeit verglichen werden, wo die Abscheidungseffizienz etwa 99 Prozent beträgt. Das Vorkühlen der Rolle des Flächengebildes, bevor sie in der Vakuumapparatur platziert wird, bringt auch eine Kondensation mit hoher Effizienz zurück.
Vorkühlen eines Flächengebildes eines Materials, auf welches das Acrylat abgeschieden wird, kann für Verwendungen zusätzlich zur Herstellung von flächenförmigem Material für Spulenkondensatoren wesentlich sein. Zum Beispiel gibt es Gelegenheiten, bei welchen es wünschenswert ist, Papier mit einem Acrylat zu beschichten, und die raue Oberfläche des Papiers sich nicht zum Kühlen auf der rückseitigen Oberfläche an einer rotierenden Trommel eignet. In ähnlicher Weise kann Vorkühlen wichtig sein, wenn das Flächengebilde, welches beschichtet wird, relativ dick ist, so dass nicht ausreichend Zeit ist, die gesamte Dicke des Flächengebildes zu kühlen.
Als eine Technik wie zur Bildung einer Acrylatschicht auf einem Polypropylensubstrat beschrieben versucht wurde, konnte das Acrylatmonomer überraschenderweise sogar durch intensive Bestrahlung mit einer Elektronenkanone nicht gehärtet werden. Es wurde gefunden, dass das Acrylatmonomer kondensierte, wobei ein Film auf dem Polypropylensubstrat gebildet wurde, aber es konnte nicht polymerisiert werden. Der Strom der Elektronenkanone wurde um einen Faktor von fünf erhöht und die Elektronenstrahlspannung wurde von etwa 10 kV auf etwa 20 kV verdoppelt. Die Beschichtungsgeschwindigkeit wurde von etwa 150 Meter pro Minute auf weniger als 40 Meter pro Minute verringert und dies resultierte nach wie vor nicht in einer Härtung. Es war bekannt, dass ausreichender Elektronenfluss und genügend Energie vorhanden waren, um die Acrylatschicht vollständig zu penetrieren, aber die Beschichtung härtete nicht.
Man nimmt an, dass die Oberfläche des unbehandelten Polypropylenflächengebildes eine negative Ladung während dem Härtungsvorgang annimmt, welche den ankommenden Elektronenstrahl abstoßen kann. Polypropylen ist ein überragender Isolator. Die ausgezeichnete Isolierung, welche durch das Polypropylen bereitgestellt wird, ermöglicht die Bildung einer Oberflächenladung.
Es wurde gefunden, dass Härten eines Acrylatmonomers auf einem Polypropylensubstrat durchführbar ist, nachdem die Oberflächenleitfähigkeit des Flächengebildes erhöht wurde. Dies kann mit Oberflächenspannung korreliert werden. Unbehandeltes Polypropylenflächengebilde weist eine Oberflächenspannung von etwa 25 bis 32 Dyn/cm² auf. Coronabehandeltes Polypropylen weist eine Oberflächenspannung in der Größenordnung von etwa 29 bis 33 Dyn/cm² auf. Es wurde gezeigt, dass eine Acrylatbeschichtung auf einem Flächengebilde von Polypropylen mit einer Oberflächenspannung von etwa 34 bis 35 Dyn/cm² nicht mit dem Elektronenstrahl gehärtet werden konnte. Es wurde jedoch auch gezeigt, dass ein Polypropylenflächengebilde mit einer Oberflächenspannung von etwa 36 bis 40 Dyn/cm² in einfacher Weise beschichtet und gehärtet werden konnte. Oberflächen, welche behandelt wurden, damit sie eine Spannung von bis zu 56 Dyn/cm² aufwiesen, wurden getestet und Acrylatmonomerfilme konnten einfach durch Elektronenbombardement gehärtet werden.
Die Behandlung der Oberfläche ist für Polyester und andere nicht leitfähige Oberflächen vorteilhaft, aber die Wirkung ist nicht so stark wie bei Polypropylen.
Die Oberflächenleitfähigkeit des Polypropylenflächengebildes kann vor jedwedem der vorstehend beschriebenen Beschichtungsschritte durch eine Vorbehandlung modifiziert werden oder eine Oberflächenbehandlung kann inline im selben Verfahren wie der Beschichtungsvorgang verwendet werden. Die gewöhnlichste Technik zur Behandlung des Substratflächengebildes auf einer Offline-Basis ist, es einer Coronaentladung in Luft oder Stickstoff auszusetzen. Dies aktiviert die Substratoberfläche und auch Sauerstoff und Stickstoff, welche sich mit der aktivierten Oberfläche umsetzen. Diese chemischen Reste werden anscheinend auf der Oberfläche eingebracht und verändern die Oberflächenleitfähigkeit und die Oberflächenspannung.
Während der Untersuchung von alternativen Techniken zum Behandeln der Oberfläche eines Flächengebildes wurde entdeckt, dass eine Oberflächenbehandlung in einer Vakuumkammer für alle Oberflächen von beträchtlicher Wichtigkeit ist, nicht nur für die Oberfläche des rohen Flächengebildes. Vorbehandlungen in Luft können einen Vorteil erzeugen, welcher sich mit der Zeit abbaut. Darüber hinaus erhöht wie vorstehend erwähnt eine Coronabehandlung von Polypropylen nicht die Oberflächenenergie bis zu einem Punkt, wo Elektronenstrahlhärten des Acrylats überhaupt erreicht werden kann.
Folglich wurde gefunden, dass es wünschenswert ist, die Oberfläche, welche behandelt wird, mit einem reaktiven Plasma unmittelbar vor dem Beschichten zu behandeln. Eine herkömmliche Plasmakanone 52 wird in der Vakuumkammer oberhalb von jeder der Flash-Verdampfungsvorrichtungen 43 und 49 zum Aktivieren der Oberfläche des Flächengebildes auf einer kontinuierlichen Basis vor der Monomerabscheidung positioniert. Am wichtigsten ist die Plasmabehandlung der Oberfläche des unbeschichteten Flächengebildes vor dem ersten Aufbringen einer Acrylatbeschichtung. Eine andere Plasmakanone 52 wird unmittelbar vor der Vakuummetallisierungsstation 46 bereitgestellt. Herkömmliche Plasmaerzeugungsvorrichtungen werden verwendet.
In einer beispielhaften Ausführungsform arbeitet die Plasmaerzeugungsvorrichtung bei einer Spannung von etwa 500 bis 1000 Volt mit einer Frequenz von etwa 50 kHz. Leistungslevel liegen in der Größenordnung von 500 bis 3000 Watt. Für ein beispielhaftes Flächengebilde mit 50 cm Breite scheint eine Fortbewegung mit einer Geschwindigkeit von 30 bis 90 Metern pro Minute, etwa 500 Watt, geeignet.
Es wurde auch gefunden, dass es wichtig ist, die Plasmaerzeugungsvorrichtung mit einem reaktiven Gas zu betreiben. Es zeigte sich, dass Argon und Helium praktisch keine Wirkung auf die Haftung haben. Sauerstoff, Stickstoff, Stickstoffmonoxid (NO), Stickstoffdioxid (NO₂) und Gemische wie reine Luft sind geeignete reaktive Gase zur Verwendung in dem Plasma.
Es wurde gefunden, dass ohne reaktive Plasmabehandlung der Oberfläche eine schlechte Haftung der abgeschiedenen Materialien auftreten kann. Die Dicke des abgeschiedenen Films und die Chemie des Acrylats sind Faktoren, welche für die Oberflächenpräparierung untergeordnet sind. Darüber hinaus kann es sein, dass ohne reaktive Plasmabehandlung der Oberfläche eines unbeschichteten Flächengebildes das auf der Oberfläche abgeschiedene Acrylat mit einem Elektronenstrahl überhaupt nicht härtbar ist.
Man nimmt an, dass die reaktiven Spezies (Ionen und Elektronen) in dem Plasma Kohlenstoff-Kohlenstoff- und Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen in dem Substratpolymer spalten. Die reaktiven Ionen können mit den gespaltenen Bindungen kombinieren oder die Bindungen können offen bleiben und stellen reaktive Stellen für eine Umsetzung mit den Acrylatmonomeren oder -oligomeren bereit. Darüber hinaus enthält die Oberfläche des Substrats wahrscheinlich kondensierte Verunreinigungen wie Wasser und organische Moleküle von seiner ursprünglichen Verarbeitung und dem Ausgesetztsein von Luft vor dem Einbringen in das Vakuum. Es ist bekannt, dass einige organische Moleküle, insbesondere Silane und einige industrielle Lösungsmittel, an Oberflächen so stark adsorbiert werden und die Oberflächenchemie beeinflussen, dass die Gegenwart der Chemikalien in manchen Verarbeitungsvorrichtungen absolut verboten ist. Diese chemischen Veränderungen, welche auf den Oberflächen des Substrats stattfinden, werden durch Tests bestätigt, wo eine Acrylatbeschichtung über eine Oberfläche aufgebracht wird, die eine Trennmittelschicht wie ein Wachs- oder Silikonmaterial enthält. Eine solche Oberfläche wurde mit einem reaktiven Plasma behandelt und ein Acrylat wurde auf der behandelten Oberfläche abgeschieden und durch Elektronenstrahlbestrahlung vernetzt. Es wurde gefunden, dass die Trennmittelbeschichtung nicht länger wirksam war und dass die Beschichtung von dem Substrat nicht entfernt werden konnte.
Es ist wichtig, dass die aktivierte Oberfläche, welche durch reaktive Plasmabehandlung erzeugt wird, direkt mit dem Acrylatmonomer oder -oligomer beschichtet wird. Die erzeugte hoch reaktive Oberfläche kann mit Wasser oder anderen Spezies in dem System, welche Haftung inhibieren würden, kombinieren. Beschichten innerhalb von weniger als drei Sekunden ist wichtig und die typische Zeit zwischen reaktiver Plasmabehandlung und Beschichten liegt in der Größenordnung von 1/2 Sekunde bis zu nur 1/10 Sekunde.
Es ist auch wichtig, dass sowohl die reaktive Plasmabehandlung als auch das Beschichten in Vakuum stattfinden, was einen Kontakt mit Wasser oder anderen Molekülspezies, welche Haftung inhibieren würden, verhindert. Ein Vakuum in der Größenordnung von 10^–2 bis 10^–4 Torr ist normal und Drucke von niedriger als 10^–2 sind wichtig.
Man nimmt an, dass es während dem Abscheidungsverfahren Zeiten geben kann, in welchen das verdampfte Acrylatmonomer in der Vakuumkammer verteilt ist. Dieses Monomer kann auf einem kühleren Flächengebilde bevor das Flächengebilde die Verdampfungsstation erreicht oder zwischen der Härtungsstation und der Metallisierungsstation kondensieren. In der aktivierten Umgebung in der Vakuumkammer kann sich ein Teil des Monomers teilweise umsetzen und dabei eine dazwischenliegende Schicht zwischen dem Substrat und der abgeschiedenen Beschichtung bilden, welche die Haftung verringert. Das Acrylat zum Beispiel härtet am effizientesten, wenn die gesamte Schicht aus Acrylat auf einmal härtet. Folglich ist es wichtig, die teilweise gehärtete Schicht aus kondensiertem Acrylat vor einer weiteren Abscheidung zu entfernen. Plasmabehandlung kann eine solche Entfernung bewirken und kann vor oder nach dem Metallisieren nützlich sein.
Es ist bewiesen, dass sich Acrylatmonomer auf dem Flächengebilde abscheidet. Das Monomer weist einen charakteristischen Geruch auf, welcher bei dem vernetzten Acrylat nicht vorhanden ist. Der Geruch kann auf einer Vielzahl von Oberflächen nach dem Entfernen aus der Vakuumkammer nachgewiesen werden. Zum Beispiel kann man ein Flächengebilde aus Papier mit einer Acrylatschicht beschichten, welche gehärtet wird, gefolgt von Metallisieren. Ein Acrylatgeruch kann sowohl an der vorderen als auch an der rückseitigen Fläche des Flächengebildes nachgewiesen werden.
Aufeinanderfolgende Plasmabehandlungen zum Entfernen von abgeschiedenem Acrylatmonomer können durch Abtrennen der Verdampfungsvorrichtung vorn Rest der Vakuumkammer minimiert werden. Zum Beispiel können dicht abschließende Lenkplatten, welche mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden, zum Kondensieren von Streumonomer aus der Verdampfungsvorrichtung dienen und einen dichten oder gewundenen Weg zur Minimierung der Transmission des Monomers, welches nicht kondensiert, bereitstellen. Getrennte Vakuumsysteme können an manchen der Bereiche zum Entfernen von Acrylatdampf verwendet werden, so dass er nicht an unerwünschten Orten kondensiert.
Eine anfängliche Plasmabehandlung vor dem ersten Beschichten des Acrylats bleibt jedoch von entscheidender Wichtigkeit. Es scheint, dass kommerziell erhältliche Kunststoffflächengebilde eine Oberflächenverunreinigung aufweisen, welche die Haftung beeinflusst, und das Entfernen der Verunreinigung vor dem Abscheiden von Metall oder Acrylat ist wünschenswert. Eine solche Oberflächenverunreinigung kann von Verarbeitungshilfsmitteln, welche bei der Herstellung des Flächengebildes verwendet werden, nicht polymerisierten Bestandteilen des Flächengebildes oder Materialien, welche sich auf dem Flächengebilde nach seiner ursprünglichen Herstellung abscheiden, herrühren.
Interessanterweise scheint bei Flächengebilden, welche auf einer Fläche vor dem Beschicken in die Vakuumkammer vormetallisiert werden, ein Film auf der Oberseite des Metalls vorhanden zu sein, welcher die Haftung eines Acrylats beeinflusst. Man nimmt an, dass beeinflussende Materialien auf der rückseitigen Fläche des Flächengebildes, welche nicht metallisiert ist, zum Teil auf die metallisierte Fläche übertragen werden, während das Material in einer Rolle vorliegt. Eine wesentlich gesteigerte Haftung wird durch Plasmabehandlung der Metallschicht vor dem Abscheiden eines Acrylatmonomers erhalten.
Eine überraschende Entdeckung ist, dass das Behandeln einer Substrat- oder Acrylatoberfläche mit einem reaktiven Plasma unmittelbar vor dem Metallisieren die Metallbeschichtung wesentlich verbessert. Die Haftung von Aluminium auf einem vernetzten Acrylat kann schlecht sein. Reaktive Plasmabehandlung führt zu guter Haftung. Wenn Aluminium abgeschieden wird, steigt zum Beispiel zusätzlich die optische Dichte der Aluminiumbeschichtung um etwa 20 % nach der reaktiven Plasmabehandlung, verglichen mit der identischen Beschichtung ohne Plasmabehandlung. Dies kann gesehen werden, indem einfach die Plasmaerzeugungsvorrichtung ein- und ausgeschaltet wird, und eine praktisch sofortige Veränderung bei der optischen Dichte kann gesehen werden. Darüber hinaus steigt die elektrische Leitfähigkeit des Aluminiumfilms um etwa 15 bis 20 %, wenn die Oberfläche mit einem reaktiven Plasma unmittelbar vor der Vakuummetallisierung behandelt wird. Diese Wirkungen treten ohne eine Erhöhung der Menge an Aluminium, welche pro Flächeneinheit abgeschieden wird, auf.
Wenn die Dichte und die Leitfähigkeit durch reaktive Plasmabehandlung der Oberfläche vor dem Metallisieren wesentlich erhöht werden, ist dies ein sehr vorteilhaftes Ergebnis. Die Beschichtungsapparatur kann mit der Plasmabehandlung bis zu 20 % schneller betrieben werden als ohne, ohne jedwede Abnahme bei der Filmqualität.
Die Plasmabehandlung ist klar verschieden von Coronabehandlung in Luft. Die Wirkungen der Plasmabehandlung können an Polypropylen, welches bereits coronabehandelt wurde, beobachtet werden. Es wird als wichtig angesehen, dass die Plasmabehandlung nur um ein sehr kurzes Intervall der Metallisierung vorausgeht und im selben Vakuum stattfindet. Wenn eine Oberfläche plasmabehandelt, aus dem Vakuum entfernt und dann später metallisiert wird, sind einige der Vorteile der Plasmabehandlung verloren.
Ein Substrat kann auch mit einem durch Bestrahlung härtbaren Acrylat durch mechanische Verfahren anstelle der vorstehend beschriebenen Verdampfungstechniken beschichtet werden. In einem solchen Fall wird ein relativ viskoses flüssiges Oligomer als das Beschichtungsmaterial verwendet. Das Beschichten kann durch normales Extrusionsbeschichten, Walzenbeschichten, Tiefdruckbeschichten, mit Rakeln oder dergleichen erfolgen. Das Molekulargewicht der Materialien, welche für ein solches Beschichten verwendet werden, liegt im Bereich von etwa 1000 bis 50.000, wie es für die gewünschte Beschichtungstechnik, Dicke der Beschichtung und Beschichtungsgeschwindigkeit geeignet ist. Es wurde gefunden, dass es nicht notwendig ist, speziell Oligomere mit höherem Molekulargewicht zu entgasen, wenn sie zum Beschichten verwendet werden, verglichen mit Monomeren mit niedrigem Molekulargewicht. Die Oligomere weisen eine viel höhere Viskosität und ein anscheinend niedrigeres Vermögen zum Lösen von Gasen und Molekülen mit hohen Dampfdrucken, welche die Vakuumverarbeitung beeinflussen könnten, auf. Darüber hinaus kann die höhere Viskosität der Oligomere, verglichen mit Monomeren, die Freisetzung von jedweden gelösten Materialien unbedeutend machen.
Es ist wichtig, die Oberfläche der Kunststoffflächengebilde mit einem reaktiven Plasma im Vakuum direkt vor dem Walzenbeschichten oder dergleichen zu behandeln, genauso wie es wichtig ist, wenn Acrylat durch Verdampfung und Kondensation abgeschieden wird. Dies ist wichtig, wenn versucht wird, eine Beschichtung mit einem Elektronenstrahl zu härten. Es ist auch wichtig, die Haftung am darunterliegenden Substrat sicher zu stellen. Folglich wäre ein Verfahren zum Beschichten eines Flächengebildes mit einem durch Bestrahlung härtbaren Acrylat durch Walzenbeschichten oder dergleichen wie folgt:
Eine Rolle des flächenförmigen Materials wird in einer Vakuumkammer platziert, welche auf niedrigen Druck abgepumpt wird. Ein Vakuum von etwas niedriger als 100 Mikron (10^–1 Torr) kann ausreichend sein, wenn ein Acrylat durch Bestrahlung mit Ultraviolettstrahlung gehärtet wird. Ein höheres Vakuum in der Größenordnung von 10^–4 Torr ist für Elektronenstrahlhärten und für Verdampfungsbeschichten von Metallen bevorzugt. Flächenförmiges Material wird abgerollt und die Oberfläche, welche behandelt wird, wird durch eine Plasmabehandlungsstation bewegt, wo sie einem reaktiven Plasma ausgesetzt wird. Das Flächengebilde wird dann direkt durch die Beschichtungsapparatur bewegt, wo ein dünner Film von flüssigem Oligomer auf die behandelte Oberfläche aufgebracht wird. Das Flächengebilde bewegt sich dann an einer Elektronenstrahlhärtungsstation vorbei, wo der Oligomerfilm mit einem Elektronenstrahl zum Vernetzen der Oligomere bestrahlt wird. Das Flächengebilde bewegt sich dann auf eine Vakuummetallisierungsstation zum Aufbringen eines Films aus Aluminium mit oder ohne einer zusätzlichen Plasmabehandlung zu. Schließlich wird zum Schützen des metallisierten Films ein anderer Acrylatfilm aufgebracht und vernetzt. Der zweite Acrylatfilm wird aufgebracht, bevor die metallisierte Beschichtung mit jedweder festen Oberfläche, wie einer anderen Rolle, welche Fehler in den Film einbringen könnte, in Kontakt kommt. Die zweite Beschichtung kann durch Walzenbeschichten aufgebracht werden, da es scheint, dass ein Kontakt des metallisierten Films mit einer feuchten Walze keine Fehler einbringt, welche die Barriereeigenschaften des Films verschlechtern.
Beschichten von Kunststoffflächengebilden mit vernetztem Acrylat und/oder Metall steigert die Barriereeigenschaften des Flächengebildes zur Verwendung beim Verpacken wesentlich. Wenn Flächengebilde beim Verpacken von Nahrungsmittelprodukten, Zigaretten oder vielen anderen Dingen verwendet werden, ist das Vorhandensein eines Acrylatgeruchs nicht akzeptabel.
Jedweder solche Geruch kann durch Härten von jedwedem Restacrylatmonomer auf dem Flächengebilde, bevor es aus dem Vakuum entfernt wird, beseitigt werden.
Eine Elektronenkanone 53 wird in der Vakuumkammer zwischen der letzten Tragrolle 42 und der Aufrollstange 41 befestigt. Elektronenbombardement aus der Kanone polymerisiert jedwedes Restacrylatmonomer auf den Oberflächen des Flächengebildes, bevor es aufgerollt wird. Ultraviolettstrahlung kann anstelle verwendet werden. Die Elektronenkanone ist angeordnet, um das Flächengebilde im konvergierenden Bereich zwischen dem Flächengebilde auf der Aufrollstange und dem Flächengebilde, welches von der Tragrolle kommt, zu bestrahlen. Durch Bestrahlen in diesem konvergierenden Raum können beide Flächen des Flächengebildes mit einer einzigen Elektronenkanone bestrahlt werden. Wenn das Vakuumsystem sauber gehalten wird und verhindert wird, dass Streuacrylate auf dem Flächengebilde kondensieren, kann es sein, dass ein letzter Härtungsschritt nicht wichtig ist.
Wie erwähnt wurde, umfasst die Düse für die Flash-Verdampfungsvorrichtung typischerweise einen Schlitz, welcher sich der Länge nach über die Verdampfungsvorrichtungskammer erstreckt. In einer beispielhaften Verdampfungsvorrichtung kann der Düsenspalt eine Breite im Bereich von 0,75 bis 1 mm aufweisen. Die Oberfläche eines Substrats, auf welche das Monomer kondensiert wird, kann an der Düse in einem Abstand von der Düse von etwa 2 bis 4 mm vorbeigeführt werden. Eine typische Vorschubgeschwindigkeit des Substrats vorbei an der Düse liegt in der Größenordnung von 100 bis 500 Metern pro Minute.
Es wurde gefunden, dass Polypropylen-, Polyester- oder Nylonflächengebilde mit dünnen Oberflächenbeschichtungen von aufgedampftem und vernetztem Acrylat eine sehr niedrige Sauerstoffpermeabilität aufweisen. Dies ist eine wichtige Anforderung für Verpackungsmaterialien mit niedrigen Kosten für Nahrungsmittelprodukte, zum Beispiel wo die Sauerstoffpermeabilität der Verpackung zum Erhalten der Frische der verpackten Waren niedrig ist. Ein metallisiertes Kunststoffflächengebilde wird für diesen Zweck verwendet. Typische Flächengebilde zum Verpacken von Nahrungsmitteln schließen ein metallisiertes Nylon- oder Polyesterflächengebilde ein. Metallisiertes Nylon weist eine Sauerstoffpermeabilität von etwa 0,05 ml/100 in²/Stunde (ml/645 cm²/Stunde) auf, wie mit einem Mocon Oxtran System, welches von Modern Controls, Minneapolis, Minnesota erhältlich ist, gemessen wurde. Metallisierter Polyester weist eine typische Sauerstoffpermeabilität von etwa 0,08 auf. Metallisiertes Polypropylen weist auf der anderen Seite eine Sauerstoffpermeabilität von etwa 2,5 auf und ist normalerweise nicht zum Verpacken, wo eine niedrige Sauerstoffpermeabilität wichtig ist, geeignet.
Man nimmt an, dass die hohe Sauerstoffpermeabilität von metallisiertem Polypropylen durch die inhärente Oberflächenrauheit des Polypropylenflächengebildes zustande kommt. Nylon- und Polyesterflächengebilde sind beträchtlich glatter und eine Metallbeschichtung mit einheitlicher Dicke kann in einfacher Weise als eine gute Sauerstoffbarriere aufgebracht werden. Typischerweise kann Polypropylen eine Oberflächenrauheit in der Größenordnung von 1/2 bis einem Mikrometer oder mehr bei manchen Flächengebilden aufweisen. Eine Schicht aus Acrylat, welche etwa zwei Mikrometer dick ist, ist zum Glätten der Oberfläche, zum Herstellen einer Oberfläche, welche eine Barrierebeschichtung akzeptieren wird, die ausreichend kontinuierlich für niedrige Sauerstoffpermeabilität ist, geeignet.
Flächenförmiges Polypropylen ohne jedwede Beschichtung kann eine Sauerstoffpermeabilität von etwa 100 aufweisen. Wenn jedoch eine Schicht aus Aluminium 65 auf eine Oberfläche eines flächenförmigen Polypropylensubstrats 64 aufgebracht wird, erniedrigt sich die Sauerstoffpermeabilität auf etwa 2,5. Wenn eine Acrylatschicht 63, welche nur etwa einen Mikrometer dick ist, auf dem Polypropylen gebildet wird und dann mit einer Schicht aus Metall 65 bedeckt wird, fällt die Sauerstoffpermeabilität überraschenderweise auf etwa 0,05, ein Wert, der niedriger ist als der von metallisiertem Polyester. Man nimmt an, dass der Film aus flüssigem Acrylatmonomer, welcher auf der Oberfläche des Polypropylens abgeschieden wird, eine glatte Hochtemperaturoberfläche aufweist und dass die Oberfläche glatt bleibt, wenn das Acrylat polymerisiert wird. Die metallisierte Schicht kann dann eine gute Sauerstoffbarriere bilden. Beschichten mit Aluminium als ein Barrierefilm ist normalerweise bevorzugt.
Ein transparenter Barrierefilm kann auf einem Polyethylen-, Polypropylen-, Polyester- oder Nylonsubstrat oder auf anderen Flächengebilden, einschließlich Papier, gebildet werden. Zuerst wird eine Schicht aus Acrylatmonomer auf dem Substrat abgeschieden und vernetzt. Die Acrylatschicht wird dann mit einer Schicht von SiO_x oder Aluminiumoxid beschichtet, wobei beide eine gute Beständigkeit von Sauerstoffpermeabilität aufweisen. Die hohe Temperaturbeständigkeit der Acrylatschicht erlaubt die Abscheidung von Siliziumoxid oder Aluminiumoxid auf dem thermoplastischen Substrat bei beträchtlich höherer Temperatur. Typische Techniken zum Abscheiden dieser Materialien können Sputtern von Aluminium oder Silizium in einer Sauerstoffplasmaatmosphäre zum Abscheiden des Oxids oder Plasma verbesserte chemische Dampfabscheidung einschließen. Mit diesen Verfahren kann es möglich sein, dass eine getrennte Plasmaoberflächenbehandlung, welche der Abscheidung des transparenten Oxids vorausgeht, nicht erforderlich ist.
Eine noch größere Überraschung tritt auf, wenn eine andere polymerisierte Acrylatschicht 66 über der Metall- oder Oxidbarriereschicht gebildet wird. Die Permeabilität durch ein Polypropylenbarrierematerial mit einer Acrylatschicht, einer Metallschicht und einer Acrylatschicht fällt auf etwa 0,002, was merklich besser ist als die Sauerstoffpermeabilität von metallisiertem Nylon. Die zweite Acrylatschicht schützt die metallisierte Schicht und stellt den Erhalt der Sauerstoffbarriereeigenschaften des Metalls sicher. Sauerstoffbarrieren werden weiter durch multiple Schichten verbessert, wie zum Beispiel ein thermoplastisches Substrat mit Schichten von Acrylat, Metall, Acrylat, Metall und Acrylat. Wenn multiple Beschichtungsschichten verwendet werden, ist es darüber hinaus wahrscheinlich, dass jedwede Poren oder andere lokale Fehler in einer Schicht von ähnlichen Poren oder Fehlern in darunterliegenden Schichten entfernt auftreten. Folglich ist die Sauerstoffpermeabilität durch Poren wirksam beseitigt.
Es wurde gefunden, dass es wichtig ist, in angemessener Weise den metallisierten Film vor mechanischem Schaden zu schützen, um eine niedrige Sauerstoffpermeabilität aufrecht zu erhalten. Eine Deckschicht aus vernetztem Acrylat, welche über den Metallfilm aufgebracht wird, stellt Schutz bereit. Wenn man die metallisierte Oberfläche eines Substrats mit einer Rolle in dem Vakuumsystem in Kontakt bringt, zeigen Untersuchungen, dass in einer großen Anzahl von mikroskopischen Bereichen der Metallfilm aufgespalten ist. Diese Poren sind große Leckagequellen durch den Film. Auf der anderen Seite erlaubt das Aufbringen einer Deckschicht aus vernetztem Acrylat, um das Metall zu schützen, dass das Flächengebilde ohne spezielle Vorsichtsmaßnahmen, um einen Kontakt mit festen Oberflächen zu vermeiden, gehandhabt werden kann.
Man kann auch einen Schutz für den metallisierten Film durch Walzenbeschichten oder dergleichen mit einer feuchten Walze bereitstellen, bevor er mit jedweder festen Oberfläche in Kontakt kommt. Die Oliogmere, welche durch Walzenbeschichten aufgebracht werden, werden durch Elektronenstrahlbestrahlung vernetzt. Eine andere Technik ist ein anderes Flächengebilde über den metallisierten Film zu laminieren. Ein dünnes Flächengebilde als Schutzkunststoff weist ein aufgebrachtes Haftmittel auf und wird mit dem Metall in einem typischen Laminierungsverfahren in Kontakt gebracht. Alternativ kann man eine Heißschmelztechnik verwenden, wo ein dünnes Flächengebilde aus Polyethylen zum Beispiel eine geschmolzene Oberfläche aufweist und mit dem Metallfilm in Kontakt gebracht wird, bevor die Oberfläche sich verfestigt, so dass das Flächengebilde an dem Metall haftet.
Ein bevorzugtes Materialflächengebilde mit niedriger Sauerstoffpermeabilität weist eine Schicht aus polymerisiertem Acrylat, eine Schicht von Barrierematerial und eine andere Schicht aus polymerisiertem Acrylat auf einem flächenförmigen Kunststoffsubstrat auf. Die Schichten aus Acrylat verringern die Permeabilität sehr stark und die Schicht, welche über dem Barrierematerial liegt, schützt das Barrierematerial vor einem mechanischen Schaden und Korrosion und stellt auch eine Oberfläche bereit, welche zum Bedrucken geeignet ist.
Man nimmt an, dass eine wesentliche Verbesserung bei der Sauerstoffpermeabilität auf die Bildung eines flüssigen Monomerfilms auf der Oberfläche des Polypropylens, gefolgt von Vernetzen des polyfunktionellen Acrylats zurückgeführt werden kann. Das Aufbringen der Schicht durch Kondensieren aus der Dampfphase stellt eine glatte und einheitliche Beschichtung des Substrats sicher, wobei eine ausgezeichnete Oberfläche für die Aufnahme der Metallisierung gebildet wird. Vernetzen über Härten des Acrylats stellt ein Material mit niedriger inhärenter Sauerstoffpermeabilität her. Man nimmt an, dass ein Hinzufügen einer zweiten Schicht aus Acrylatmonomer, welches in situ polymerisiert wird, jedwede Fehler in den darunterliegenden Schichten korrigiert und eine zusätzliche Dicke an Material mit inhärenter niedriger Sauerstoffpermeabilität bereitstellt.
Man nimmt an, dass die polymerisierte Acrylatschicht wegen einer Anzahl von anderen Gründen vorteilhaft ist. Als ein Duroplastmaterial weist sie eine höhere Temperaturbeständigkeit als das thermoplastische Substrat auf. Bei dem Beschichtungsverfahren werden die Flächengebilde einem Verarbeiten bei erhöhter Temperatur wie Metallisierung, Plasmabehandlung und dergleichen ausgesetzt. Besonders hohen Temperaturen kann begegnet werden, wenn transparente Barrierebeschichtungen abgeschieden werden. Verschiedene flüchtige Materialien, wie Wasserdampf oder Weichmacher, können durch thermoplastische Oberflächen unter diesen Bedingungen emittiert werden. Diese können die Eigenschaften der Beschichtung wie Haftung, Keimbildung und Wachstum nachteilig beeinflussen und dabei die Barriereeigenschaften verringern. Eine gehärtete Acrylatbeschichtung würde keine solchen Emissionen aufweisen und es könnte sein, dass sie die Oberfläche versiegelt und die Emission von solchen Materialien aus einem thermoplastischen Substrat inhibiert.
Die Acrylatschicht ist wegen dem Vakuumverarbeiten im Wesentlichen frei von flüchtigen Materialien. Jedwede flüchtigen Materialien, welche in einem Monomer eingeschlossen sind, verdampfen mit dem Monomer. Da das Monomer bei normalen Abscheidungstemperaturen kaum auf dem Substrat kondensiert, kondensieren flüchtige Materialien nicht und verschwinden in den Vakuumpumpen. Tatsächlich wird das Monomer während dem Verarbeiten vakuumdestilliert. Eine Verwendung von Oligomeren zur Bildung der Acrylatschicht vermeidet typischerweise das Vorhandensein von potentiell flüchtigen Materialien, welche zu den Oligomeren eine niedrige Affinität aufweisen.
Ein Polypropylenflächengebilde, welches mit einer Schicht aus polymerisiertem Acrylat und einer metallisierten Schicht beschichtet ist und bevorzugt mit einer zusätzlichen Schicht aus polymerisiertem Acrylat beschichtet ist, weist nicht nur eine niedrigere Sauerstoffpermeabilität als Materialien des Standes der Technik auf, es weist auch niedrigere Kosten auf. Ein solches Material sollte häufige Verwendung als Verpackungsflächengebilde mit niedriger Sauerstoffpermeabilität finden.
Bei Verwendungen, wo eine transparente Sauerstoffbarriere verwendet wird, oder bei einigen Verwendungen mit einer metallisierten Schicht, zeigt die Schicht aus Acrylat eine schwach gefärbte oder getönte Erscheinung aufgrund von Interferenzmustern. Verpackungsverantwortliche finden eine solche Erscheinung nicht wünschenswert. In solchen Fällen kann eine Acrylatschicht mit einer Dicke von etwa 1,2 bis 1,5 Mikrometern die Interenzfarben vermeiden.
Viele Modifizierungen und Variationen beim Beschichten von thermoplastischen Flächengebilden für niedrige Sauerstoffpermeabilität werden für den Fachmann ersichtlich sein. Zum Beispiel kann die Reihenfolge der Beschichtungsvorgänge und des beschichteten Substrats merklich variiert werden.
Die Beschreibung wurde auf das Beschichten von flächenförmigen Substraten konzentriert. Es kann auch wünschenswert sein, dreidimensionale Gegenstände wie Kosmetik- oder medizinische Behälter zu beschichten. Die selben Prinzipien können auch für diese Gegenstände verwendet werden. Zum Beispiel wurde gefunden, dass es wünschenswert ist, eine Rolle des Flächengebildes zu kühlen, bevor sie in der Vakuumkammer platziert wird, so dass das Monomer quantitativ auf der gekühlten Oberfläche kondensiert. Gestelle von Behältern können auch gekühlt werden, bevor sie in der Vakuumkammer platziert und direkt verarbeitet werden, so dass die Kondensation verbessert wird. Die Haftung an solchen Oberflächen kann auch durch reaktive Plasmabehandlung unmittelbar vor dem Abscheiden der ersten Acrylatschicht gesteigert werden.
Folglich wird es als selbstverständlich angesehen, dass innerhalb des Umfangs der folgenden Patentansprüche diese Erfindung anderweitig als speziell beschrieben in die Praxis umgesetzt werden kann.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Substrats mit einem Barrierefilm, umfassend die Schritte: Behandeln einer Oberfläche eines Substrats mit einem reaktiven Plasma unter Verwendung eines reaktiven Gases in einem Vakuum, und innerhalb von 3 Sekunden danach, während sich das Substrat nach wie vor in dem Vakuum befindet; Verdampfen einer Acrylatmonomerzusammensetzung und Kondensieren des Acrylatmonomers auf dem Substrat als ein Monomerfilm; Polymerisieren des Acrylats in dem Monomerfilm, um eine vernetzte Acrylatschicht zu bilden; Aufbringen einer Aluminiumschicht als Sauerstoffbarrierematerial über der vernetzten Acrylatschicht; und Einschalten der Plasmabehandlung der Oberfläche der vernetzten Acrylatschicht und Ausschalten unmittelbar bevor die Schicht des Barrierematerials aufgebracht wird, um die optische Dichte und elektrische Leitfähigkeit der Barriereschicht zu variieren.
Verfahren gemäß Anspruch 1, umfassend die Schritte: Abkühlen des Substrats auf eine Temperatur unter 10°C außerhalb eines Vakuums; Einbringen des gekühlten Substrats in ein Vakuum; und Kondensieren des Acrylatmonomers auf einer Oberfläche des Substrat, während die Oberflächentemperatur des Substrats noch unter 10°C ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Substrat ein flächenförmiges Material umfasst, umfassend die Schritte: in Verbindung bringen einer ersten Fläche des Substrats mit einer gekühlten Rolle; Durchführen des Plasmabehandlungsschritts auf der ersten Fläche und unmittelbar danach; Vorbeiführen des Substrats an einer Abscheidungsstation zur Abscheidung des Acrylatmonomers auf der ersten Fläche; und Vernetzen des Monomers auf der ersten Fläche.
Verfahren gemäß Anspruch 3, weiterhin umfassend die Schritte in Verbindung bringen der anderen Fläche des flächenförmigen Materialsubstrats mit einer gekühlten Trommel und Rotieren der Trommel vorbei an einer Abscheidungsstation, um das Acrylatmonomer auf der ersten Fläche abzuscheiden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das unbeschichtete Substrat ein flächenförmiges Material ist und das gekennzeichnet ist durch den Schritt in Verbindung bringen einer ersten Fläche des unbeschichteten flächenförmigen Materialsubstrats mit einer gekühlten Trommel und Rotieren der Trommel vorbei an einer Abscheidungsstation, um die Acrylatmonomerzusammensetzung auf einer zweiten Fläche des unbeschichteten flächenförmigen Materialsubstrats entgegengesetzt der ersten Fläche abzuscheiden, wobei die Trommel auf eine Temperatur von weniger als –15°C gekühlt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Acrylatmonomerzusammensetzung mindestens eines aus Hexandioldiacrylat, Diethylenglykoldiacrylat, Propandiacrylat, Butandioldiacrylat, Tripropylenglycoldiacrylat, Neopentylglycoldiacrylat, Phenoxyethylacrylat, Isobornylacrylat und Laurylacrylat umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Acrylatmonomerzusammensetzung mindestens eines aus Bisphenol-A-diacrylat, Betacarboxyethylacrylat, Aminacrylat, acrylierte und methacrylierte Phosphorsäure und Glycerinpropoxytriacrylat umfasst.