EP1132148B1

EP1132148B1 - Verfahren zur Oberflächenaktivierung bahnförmiger Werkstoffe

Info

Publication number: EP1132148B1
Application number: EP01103654A
Authority: EP
Inventors: Christian Dr. Kuckertz; Sven Dr. Jacobsen; Rainer Dr. Brandt; Klaus Prof. Dr. Landes; Ralf Dr. Hartmann
Original assignee: Wipak Walsrode GmbH and Co KG
Current assignee: Wipak Walsrode GmbH and Co KG
Priority date: 2000-03-08
Filing date: 2001-02-23
Publication date: 2006-07-12
Anticipated expiration: 2021-02-23
Also published as: RU2001106185A; EP1132148A3; PL346291A1; ATE332759T1; DE10011275A1; US6419995B1; NO20011152L; NO20011152D0; EP1132148A2; CA2339674A1; MXPA01002047A; BR0100923A; US20020025387A1; JP2001316855A; DE50110424D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aktivierung bahnförmiger Werkstoffe, insbesondere von Kunststoff- und Metallfolien mittels eines atmosphärischen Plasmas.
Viele Veredlungsschritte, wie beispielsweise Bedrucken, Beschichten, Lackieren, Verkleben, etc., sind bei Kunststoff- und Metallfolien nur möglich, wenn eine ausreichende Benetzbarkeit mit lösungsmittel- oder wasserbasierten Druckfarben, Lacken, Primern, Klebstoffen, etc. gegeben ist. Im allgemeinen wird deshalb in- oder offline mit der Folienverarbeitung eine Corona-Behandlung vorgenommen.
Wie z.B. in den Druckschriften DE-A-42 12 549, DE-A-36 31 584, DE-A-44 38 533, EP-A-497 996 und DE-A-32 19 538 beschrieben, werden dabei die bahnförmigen Materialien einer gleichmäßig verteilten elektrischen Entladung ausgesetzt. Vorraussetzung sind zwei Arbeitselektroden, von der eine mit einem dielektrischen Material (Silikon, Keramik) ummantelt ist. Zwischen beiden Elektroden wird eine hohe Wechselspannung mit einer Frequenz typischerweise zwischen 10 und 100 kHz gelegt, so dass eine gleichmäßige Funkenentladung stattfindet. Das zu behandelnde Material wird zwischen den Elektroden durchgeführt und der Entladung ausgesetzt. Dabei kommt es zu einer "Bombardierung" der Polymeroberfläche mit Elektronen, wobei deren Energie ausreicht, um Bindungen zwischen Kohlenstoff-Wasserstoff und Kohlenstoff-Kohlenstoff aufzubrechen. Die gebildeten Radikale reagieren mit dem Coronagas und bilden dabei neue funktionelle Gruppen aus.
Trotz des breiten Anwendungsspektrums und der ständigen Weiterentwicklung hat die Corona-Behandlung deutliche Nachteile. So kommt es insbesondere bei höheren Bahngeschwindigkeiten zu einer parasitären Rückseitencoronaentladung, wenn die bahnförmigen Materialien nicht auf der walzenförmigen Elektrode aufliegen. Weiterhin kommt es durch die Corona-Behandlung zu einer deutlichen elektrostatischen Aufladung der bahnförmigen Materialien, die das Aufwickeln der Materialien erschwert, die nachfolgende Bearbeitungsschritte, wie Lackieren, Bedrucken oder Verkleben behindert und insbesondere bei der Herstellung von Verpackungsfolien dafür verantwortlich ist, dass pulverförmige Materialien wie Kaffee oder Gewürze an der Folie anhaften und im schlimmsten Fall zu undichten Siegelnähten beitragen. Schließlich ist die Corona-Behandlung immer eine Filamententladung, die keinen homogen geschlossenen Oberflächeneffekt erzeugt. Außerdem stellt man mit der Zeit fest, dass ein Verlust der Oberflächeneigenschaften aufgrund der Migration von Folienadditiven auftritt und dass eine molekularen Neuanordnung, die auf einer Minimierung der Oberflächenenergie beruht, stattfindet.
Die Corona Behandlung beschränkt sich dabei auf dünne Substrate, wie Kunststofffolien und Papiere. Bei dickeren Materialien ist der Gesamtwiderstand zwischen den Elektroden zu groß, um die Entladung zu Zünden. Es kann dann aber auch zu einzelnen Durchschlägen kommen. Nicht anzuwenden ist die Corona-Entladung bei elektrisch leitfähigen Kunststoffen. Außerdem zeigen dielektrische Elektroden bei metallischen oder metallhaltigen Bahnen oft nur eine begrenzte Wirkung. Die Dielektrika können aufgrund der dauerhaften Beanspruchung leicht durchbrennen. Dies trifft insbesondere bei silikonbeschichteten Elektroden auf. Keramische Elektroden sind gegenüber mechanischen Beanspruchungen sehr empfindlich.
Neben der Corona-Entladung können Oberflächenbehandlungen auch durch Flammen oder Licht durchgeführt werden. Die Flammbehandlung wird üblicherweise bei Temperaturen um 1700°C und Abständen zwischen 5 und 150 mm durchgeführt. Da sich die Folien dabei kurzfristig auf hohe Temperaturen von etwa 140°C aufheizen, muss eine effektive Kühlung vorgenommen werden. Zur weiteren Verbesserung der ohnehin guten Behandlungsergebnisse kann der Brenner gegenüber der Kühlwalze auf ein elektrisches Potential gebracht werden, dass die Ionen der Flamme auf die zu behandelnde Bahn beschleunigt (polarisierte Flamme). Als nachteilig für die Oberflächenbehandlung von Folien sind insbesondere die genau einzuhaltenden Verfahrensparameter anzusehen. Eine zu geringe Behandlungsintensität führt zu geringfügigen, nicht ausreichenden, Effekten. Zu starke Intensitäten führen zu einem Aufschmelzen der Oberflächen, die funktionellen Gruppen tauchen nach innen ab und sind somit unzugänglich. Ebenfalls als nachteilig sind die hohen Temperaturen und die notwendigen Sicherheitsvorkehrungen zu bewerten. Die geltenden Sicherheitsvorschriften lassen beispielsweise keinen gepulsten Betrieb einer Flammvorbehandlungsanlage zu. Es ist bekannt, dass die Auswahl des Brennergases nur bestimmte reaktive Spezies (Ionen und Radikale) zulässt und dass die Kosten der Flammbehandlung deutlich höher sind als bei der Corona-Behandlung.
Der Hauptnachteil der Corona-Behandlung, die lokalisierten Mikroentladungen (Filamente), kann durch die Anwendung eines Niederdruckplasmas umgangen werden. Diese meist "kalten" Plasmen werden mittels Gleich-, Wechsel- oder Hochfrequenzstrom bzw. durch Mikrowellen erzeugt. Bei nur geringer thermischer Belastung des zu behandelnden - meist empfindlichen Materials - werden energiereiche und chemisch aktive Teilchen bereitgestellt. Diese bewirken eine gezielte chemische Reaktion mit der Materialoberfläche, da die Prozesse in der Gasphase bei niedrigem Druck in besonders effektiver Weise verlaufen und sich die Entladung als eine homogene Raumentladungswolke darstellt. Mit Mikrowellenanregungen im Giga-Hz-Bereich lassen sich ganze Reaktorgefäße mit Plasmaentladung ausfüllen. Im Vergleich zu nasschemischen Prozessen sind extrem geringe Mengen an Prozessmitteln notwendig.
Etablierte physikalische und chemische Plasmabeschichtungsverfahren wie das Kathodenzerstäuben (Sputtern) oder die plasma-aktivierte chemische Abscheidung aus der Gasphase (PACVD) finden in der Regel im Vakuum bei Drucken zwischen 1 und 10^-5 mbar statt. Deshalb sind die Beschichtungsprozesse mit hohen Investitionskosten für die erforderliche Vakuumkammer und das zugehörige Pumpsystem verbunden. Zudem werden die Prozesse aufgrund der geometrischen Begrenzungen durch die Vakuumkammer und die notwendigen, zum Teil sehr langen Pumpzeiten in der Regel als Batch-Prozesse ausgeführt, so dass lange Prozesszeiten und damit verbunden hohe Stückkosten entstehen.
Um punktförmige, teilflächige Beschichtungen, wie sie bei der Corona-Beschichtung, auftreten zu vermeiden, können atmosphärische Plasmen auch durch Lichtbogenentladungen in einem Plasmabrenner erzeugt werden. Bei herkömmlichen Brennertypen sind aufgrund der Elektrodengeometrie mit stiftförmiger Kathode und konzentrischer Hohlanode nur nahezu kreisförmige Ansatzflächen des austretenden Plasmastrahls auf der zu bearbeitenden Oberfläche erreichbar. Bei großflächigen Anwendungen benötigt das Verfahren einen enormen Zeitbedarf und liefert wegen des relativ kleinen Ansatzpunktes sehr inhomogene Oberflächenstrukturen.
In DE-A-195 32 412 wird eine Vorrichtung zum Vorbehandeln von Oberflächen mit Hilfe eines Plasmastrahls beschrieben. Durch eine besondere Gestaltung der Plasmadüse wird ein hochreaktiver Plasmastrahl erreicht, der etwa die Gestalt und die Abmessungen einer Kerzenflamme hat und somit auch die Behandlung von Profilteilen mit verhältnismäßig tiefem Relief gestattet. Aufgrund der hohen Reaktivität des Plasmastrahls genügt eine sehr kurzzeitige Vorbehandlung, so dass das Werkstück mit entsprechend hoher Geschwindigkeit an dem Plasmastrahl vorbeigeführt werden kann. Für eine Behandlung größerer Oberflächen ist in der genannten Veröffentlichung eine Batterie aus mehreren versetzt angeordneten Plasmadüsen vorgeschlagen worden. In diesem Fall ist jedoch ein sehr hoher apparativer Aufwand erforderlich. Da sich die Düsen zum Teil überschneiden, kann es bei der Behandlung bahnförmiger Materialien außerdem zu streifenförmigen Behandlungsmustern kommen.
In DE-A-298 05 999 U1 wird eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung von Oberflächen beschrieben, die durch einen Rotationskopf gekennzeichnet ist, der mindestens eine exzentrisch angeordnete Plasmadüse zur Erzeugung eines parallel zur Rotationsachse gerichteten Plasmastrahls trägt. Wenn das Werkstück relativ zu dem mit hoher Drehzahl rotierenden Rotationskopfes bewegt wird, überstreicht der Plasmastrahl eine streifenförmige Oberflächenzone des Werkstücks, deren Breite dem Durchmesser des bei der Rotation von der Plasmadüse beschriebenen Kreises entspricht. Auf diese Weise kann zwar mit einem vergleichsweise geringem apparativem Aufwand eine relativ große Oberfläche rationell vorbehandelt werden. Dennoch entsprechen die Oberflächenabmessungen nicht denen, wie sie üblicherweise bei der Verarbeitung von Folienmaterialien im industriellen Maßstab vorliegen.
In DE-A-195 46 930 und DE-A-43 25 939 sind sogenannte Coronadüsen für die indirekte Behandlung von Werkstückoberflächen beschrieben. In derartigen Coronadüsen tritt zwischen den Elektroden ein oszillierend oder umlaufend geführter Luftstrom aus, so dass man eine flächige Entladungszone erhält, in der die zu behandelnde Oberfläche des Werkstücks mit den Coronaentladungsbüscheln überstrichen werden kann. Als nachteilig stellte sich bei diesem Verfahren heraus, dass zur Vergleichmäßigung der elektrischen Entladung ein mechanisch bewegtes Bauteil vorgesehen werden muss, welches einen hohen konstruktiven Aufwand erfordert. In den genannten Schriften wird zudem nicht beschrieben in welchen maximalen Breiten derartige Coronadüsen hergestellt und angewendet werden können.
Für die vorliegende Erfindung bestand die Aufgabe, ein Verfahren zu entwickeln, das Kunststoff- und Metallfolien homogen so aktiviert und deren Oberflächenspannung so erhöht, dass sich anschließende Veredlungsschritte, wie beispielsweise Bedrucken, Beschichten, Lackieren, Verkleben, etc. ohne Benetzungsprobleme und mit guten Hafteigenschaften durchführen lassen.
Dabei wurde das Ziel verfolgt ein Verfahren anzubieten, die durch Niederdruckplasmen (Batchbetrieb, Kosten), Corona (filamentförmige Entladung, Rückseitenbehandlung, elektrostatische Aufladung, etc.) und Plasmadüsen (streifenförmige Oberflächenbehandlung) gegebenen Nachteile zu umgehen.
Erfindungsgemäß gelingt dies durch ein Verfahren, das ein durch ein indirektes Plasmatron erzeugtes atmosphärisches Plasma auf den über Walzenpaare bewegten bahnförmigen metallischen Werkstoff mit einer Dicke kleiner als 100µm oder den bahnförmigen polymeren Werkstoff einwirken lässt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann z.B. mit einem indirekten Plasmatron durchgeführt werden, wie es in der EP-A-851 720 beschrieben wird.
Der Brenner zeichnet sich durch zwei koaxial in größerem Abstand angeordnete Elektroden aus. Zwischen diesen brennt ein Gleichstrombogen, der durch eine kaskadierte Anordnung frei einstellbarer Länge wandstabilisiert wird. Durch ein Anblasen transversal zur Bogenachse, kann ein seitlich abströmender, bandförmiger Plasmastrahl austreten. Dieser Brenner, auch Plasmabreitstrahlbrenner genannt, ist auch dadurch gekennzeichnet, dass ein Magnetfeld auf den Lichtbogen eine Kraft ausübt, die der durch die Strömung des Plasmagases auf den Lichtbogen ausgeübten Kraft entgegenwirkt. Dem Brenner können zudem verschiedene Arten an Plasmagasen zugeführt werden.
Dieses Verfahren ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass ein indirektes Plasmatron mit einer länglichen Plasmakammer, die in kaskadiertem Aufbau eine Mehrzahl von elektrisch gegeneinander isolierten Neutroden umfasst, wobei die zur Erzeugung des Plasma-Lichtgas erforderlichen Elektroden koaxial zur Längsachse der Plasmakammer angeordnet sind und die Plasmastrahl-Austrittsöffnung parallel zur Längsachse der Plasmakammer verläuft, verwendet wird.
Dabei wird insbesondere zumindest eine Neutrode mit einem Permanentmagneten-Paar zur Beeinflussung der Form und der Position des Plasma-Lichtbogens versehen. Durch die Anzahl, Plazierung und Feldstärke der eingesetzten Magnete kann auf Betriebsparameter wie beispielsweise Gasmenge und Gasgeschwindigkeit Rücksicht genommen werden.
Weiterhin können zumindest einzelne Neutroden mit einer Möglichkeit, z.B. einem Kanal zur Zuführung eines Gases in die Plasmakammer versehen werden. Dadurch kann dieses Plasmagas dem Lichtbogen besonders gezielt und homogen zugeführt werden. Durch ein Anblasen transversal zur Bogenachse kann ein seitlich abströmender, bandförmiger Plasmafreistrahl austreten.
Durch die Anwendung eines Magnetfeldes wird eine Auslenkung und der daraus resultierende Abriss des Lichtbogens verhindert.
Das erfindungsgemäß beschriebene Verfahren zur Oberflächenaktivierung lässt sich sowohl im Anschluss an eine Folienfertigung als auch vor der Weiterverarbeitung, d.h. vor dem Bedrucken, Laminieren, Beschichten, etc. von Folien durchführen. Die Dicke der polymeren Folienmaterialien ist im wesentlichen nicht maßgeblich und bewegt sich im Dickenbereich von 0,5 µm und 2 cm, vorzugsweise im Bereich zwischen 10 und 200 µm.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenaktivierung der bahnförmigen Werkstoff sowohl vollflächig als auch teilflächig ausgeführt werden kann.
Das erfindungsgemäß beschriebene Verfahren zur Oberflächenaktivierung kann auf polymeren Werkstoffen, jedoch auch zur Behandlung von metallischen Substraten, insbesondere aber auf Kunststoff- und Metallfolien angewendet werden. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren auch auf polymere bahnförmige Werkstoffe angewandt werden, die gegebenenfalls mit Metall, Metalloxiden oder SiO_x bedampft sind.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden unter Kunststofffolien insbesondere diejenigen verstanden, die aus einem thermoplastischen Material, insbesondere aus Polyolefinen wie Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP), aus Polyester wie Polyethylentherephthalat (PET), Polybutylenterephthalat (PBT) oder flüssigkristllinen Polyestern (LCP), aus Polyamiden wie Nylon 6,6; 4,6; 6; 6,10; 11; 12; aus Polyvinylchlorid (PVC), aus Polyvinyldichlorid (PVDC), aus Polycarbonat (PC), aus Polyvinylalkohol (PVOH), aus Polyethylvinylalkohol (EVOH), aus Polyacrylnitril (PAN), aus Polyacryl-Butadien-Styrol (ABS), aus Polystyrol-Acrylnitril (SAN), aus Polyacrylester-Styrol-Acrylnitril (ASA), aus Polystyrol (PS), aus Polyacrylaten, wie Poylmethylmetacrylat (PMMA), aus Zellglas, oder aus Hochleistungsthermoplasten wie Fluorpolymeren, wie Polytetrafluorethylen (PTFE) und Polyvinyldifluorid (PVDF), aus Polysulfonen (PSU), aus Polyethersulfonen (PES), aus Polyphenylsulfiden (PPS), aus Polyimiden (PAI, PEI), aus Polyaryletherketonen (PAE) bestehen, insbesondere aber auch diejenigen die aus Mischungen oder aus Co- oder Terpolymeren Materialien und diejenigen die durch Coextrusion von Homo-, Co- oder Terpolymeren hergestellt werden.
Unter Kunststofffolien werden aber auch diejenigen verstanden, die aus einem thermoplastischen Material bestehen und mit einem Metall der 3. Hauptgruppe bzw. der 1. oder 2. Nebengruppe oder mit SiO_x oder einem Metalloxid der 2. oder 3. Hauptgruppe bzw. der 1. oder 2. Nebengruppe bedampft sind.
Unter Metallfolien werden verstanden Folien, die aus Aluminium, Kupfer, Gold, Silber, Eisen (Stahl) oder aus Legierungen der genannten Metalle bestehen.
Unter der Oberflächenaktivierung durch ein atmosphärisches Plasma wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung verstanden, dass durch die Wechselwirkung mit dem Plasmagas eine Erhöhung der Oberflächenspannung der Werkstoffoberfläche stattfindet.
Die Aktivierung der Oberfläche führt zu einer Erhöhung der Oberflächenspannung. Dadurch wird eine vollständige Benetzung mit polaren Flüssigkeiten wie beispielsweise Alkoholen oder Wasser ermöglicht. Die Aktivierung tritt auf, wenn Atome oder Molekülfragmente - angeregt durch das Plasma - mit Oberflächenmolekülen reagieren und infolgedessen in die Oberfläche eingebaut werden. Da dies meist sauerstoff- oder stickstoffhaltige Fragmente sind, spricht auch von einer Oberflächenoxidation.
Das Plasmagas das im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt wird, ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass dieses aus Mischungen aus reaktiven und inerten Gasen besteht. Durch die hohe Energie im Lichtbogen kommt es zur Anregung, Ionisation, Fragmentierung oder Radikalbildung des reaktiven Gases. Aufgrund der Strömungsrichtung des Plasmagases werden die aktiven Spezies aus dem Brennerraum herausgetragen und können gezielt zur Wechselwirkung mit der Oberfläche von Kunststoff- und Metallfolien gebracht werden.
Das oxidierend wirksame Prozessgas kann in Konzentrationen von 0 bis 100 %, vorzugsweise zwischen 5 und 95 % zugegen sein.
Als oxidierende Plasmagase werden vorzugsweise sauerstoffhaltige Gase und/oder Aerosole wie Sauerstoff (O₂), Kohlendioxid (CO₂), Kohlenmonoxid (CO), Ozon (O₃), Wasserstoffperoxid-Gas (H₂O₂), Wasserdampf (H₂O), verdampftes Methanol (CH₃OH), stickstoffhaltige Gase wie nitrose Gase (NO_x), Distickstoffoxid (N₂O), Stickstoff (N₂), Ammoniak (NH₃), Hydrazin (H₂N₄), schwefelhaltige Gase wie Schwefeldioxid (SO₂), Schwefeltrioxid (SO₃), fluorhaltige Gase wie Terafluorkohlenstoff (CF₄), Schwefelhexafluorid (SF₆), Xenondifluorid (XEF₂), Stickstoff trifluorid (NF₃), Bortrifluorid (BF₃), Siliciumtetrafluorid (SiF₄), Wasserstoff (H₂) oder Mischungen aus diesen Gasen eingesetzt. Inertgase sind vorzugsweise Edelgase, besonders bevorzugt ist Argon (Ar).
Vorzugsweise wird in einer Vorstufe das aktive und das inerte Gas gemischt und anschließend in die Zone der Bogenentladung eingebracht.
Derartige im erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Plasmen sind dadurch gekennzeichnet, dass ihre Temperaturen im Bereich des Bogens bei mehreren 10.000 Kelvin liegen. Da das austretende Plasmagas noch Temperaturen im Bereich von 1000 bis 2000 Kelvin aufweist, ist eine ausreichende Kühlung der temperaturempfindlichen polymeren Materialien notwendig. Dies kann im allgemeinen durch eine effektiv arbeitende Kühlwalze erfolgen.
Die Kontaktzeit von Plasmagas und Folienmaterial hat eine große Bedeutung. Vorzugsweise sollte diese auf ein Minimum reduziert werden, damit eine thermische Schädigung der Materialien ausbleibt. Eine minimale Kontaktzeit wird stets durch eine erhöhte Bahngeschwindigkeit erreicht. Die Bahngeschwindigkeiten der Folien ist üblicherweise höher als 1 m pro Minute, sie liegt vorzugsweise zwischen 20 und 600 m pro Minute.
Da die Lebenszeit der aktiven Spezies (Radikale und Ionen) unter Atmosphärendruck eingeschränkt ist, ist es vorteilhaft die Kunststoff- und Metallfolien in sehr geringem Abstand an der Brenneröffnung (Düse) vorbeizuführen. Vorzugsweise geschieht dies im Abstand von 0 bis 40 mm, besonders bevorzugt im Abstand von 1 bis 15 mm.

Beispiele

Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern:
Durch den Einsatz des im erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Plasmabreitstrahlbrenners gelang es Oberflächen von Kunststoff- und Metallfolien im atmosphärischen Plasma zu aktivieren. Dies gelang mit einem - verglichen mit anderen Verfahren - nur geringem apparativem Aufwand, bei gleichzeitig niedrigen Prozesskosten. Da im Beispiel jede Neutrode des Plasmabrenners eine Austrittsöffnung für das Plasmagas vorsieht kann dieses dem Lichtbogen gezielt und homogen zugeführt werden. Der seitlich abströmende, bandförmiger Plasmafreistrahl führt deshalb zu einer besonders homogenen Bearbeitung der Oberfläche.
Überraschenderweise konnten mittels des oben beschriebenen Brenners bei Atmosphärendruck auf verschiedenen Substraten Oberflächenspannungen erreicht werden, die sonst nur im Niederdruckplasma möglich sind.
Überraschenderweise zeigte sich auch, dass trotz der Anwendung eines durch eine Lichtbogenentladung erzeugten "heißen" Plasmas bei ausreichender Kühlung und angemessener Kontaktzeit keine thermische Schädigung der bearbeiteten Kunststoff- und Metallfolien auftrat.
Dazu wurden die relevanten Eigenschaften der nachfolgenden Folienmuster wie folgt gemessen. Die thermische Schädigung der Folienabschnitte wurde visuell bzw. durch Mikroskopische Untersuchungen beurteilt. Die Bestimmung der Oberflächenspannung erfolgte mit handelsüblichen Testtinten der Fa. Arcotec Oberflächentechnik GmbH nach DIN 53364 bzw. ASTM D 2587. Die Angabe der Oberflächenspannung erfolgte in mN/m. Die Durchführung der Messungen erfolgte unmittelbar nach der Behandlung. Die Messfehler betragen ± 2 mN/m.
Folgende Folienmaterialien wurden in unterschiedlichen Beispielen unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahren aktiviert und auf ihre Oberflächeneigenschaften hin untersucht:

Beispiel 1

PE 1: Einschichtige, 50 µ Dicke, einseitig corona-vorbehandelte, transparente Blasfolie aus einem Ethylen-Buten-Copolymeren (LLDPE, < 10 % Buten) mit einer Dichte von 0,935 g/cm³ und einem Melt-Flow-Index (MFI) von 0,5 g/10 min (DIN ISO 1133 Bed. D).

Beispiel 2

PE 2: Einschichtige, 50 µ Dicke, einseitig corona-vorbehandelte, transparente Blasfolie aus einem Ethylen-Vinylacetat-Copolymeren (3,5 % Vinylacetat) mit ca. 600 ppm Gleitmittel (Erucasäureamid (ESA)) und ca. 1000 ppm Antiblockmittel (SiO₂), mit einer Dichte von 0,93 g/cm³ und einem Melt-Flow-Index (MFI) von 2 g/10 min (DIN ISO 1133 Bed. D).

Beispiel 3

BOPP 1: Einschichtige, 20 µ Dicke, einseitig corona-vorbehandelte, transparente, biaxial orientierte Folie aus Polypropylen mit ca. 80 ppm Antiblockmittel (SiO₂), mit einer Dichte von 0,91 g/cm³ und einem Melt-Flow-Index (MFI) von 3 g/10 min bei 230°C.

Beispiel 4

BOPP 2: Coextrudierte, dreischichtige, 20 µ Dicke, einseitig corona-vorbehandelte, transparente, biaxial orientierte Folie aus Polypropylen mit ca. 2500 ppm Antiblockmittel (SiO₂) in den Außenschichten), mit einer Dichte von 0,91 g/cm³ und einem Melt-Flow-Index (MFI) von 3 g/10 min bei 230°C.

Beispiel 5

PET: Handelsübliche, einschichtige, 12 µ Dicke, einseitig corona-vorbehandelte, biaxial orientierte Folie aus Polyethylenterephthalat.

Beispiel 6

PA: Handelsübliche, einschichtige, 15 µ Dicke, einseitig corona-vorbehandelte, biaxial orientierte Folie aus Nylon 6.
Der Plasmabehandlung wurden nur die unbehandelten Folienseiten unterzogen. Zum Einsatz kamen die Plasmagase Sauerstoff und Stickstoff, jeweils in Verbindung mit Argon als inertem Trägergas. Innerhalb der Versuchsreihen wurde die Gaskonzentration und der Abstand zum Plasmabrenner variiert. Die Folien wurden visuell auf ihre thermische Schädigung hin untersucht. Die Oberflächenspannungen wurden mittels Testtinten bestimmt. Eine zusammenfassende Übersicht über die Ergebnisse gibt Tabelle 1.
Am Beispiel des PE 1 (Nr. 4 bis 7, Tabelle 1) konnte gezeigt werden, dass bis zu einem Abstand (Folie - Brenneröffnung) von 10 mm vergleichbare Vorbehandlungseffekte erzielt werden. Erst oberhalb von 15 mm Abstand fällt das Vorbehandlungsniveau deutlich ab.
Die in Tabelle 1 aufgeführten Materialien wurden darüber hinaus auch mittels Corona-Entladung gemäß Stand der Technik aktiviert und unmittelbar nach der Behandlung auf ihre Oberflächenspannung hin mit Testtinten untersucht. Dabei wurden Energiedosen im Bereich von 0,1 bis 10 J/m² - wie sie in industriell eingesetzten Coronaanlagen üblich sind - verwendet.
Die Ergebnisse der Coronaentladung und der Plasmabehandlung sind in Tabelle 2 (Vergleichsversuche) gegenübergestellt.

Insbesondere beim Polypropylen wurde eine deutlich höhere Oberflächenspannung bei Anwendung des atmosphärischen Plasmas erzeugt. Aber auch beim PE wurden im Vergleich zur Coronavorbehandlung höhere Werte ermittelt.

Tabelle 1: Oberflächenspannungswerte nach der Plasmabehandlung diverser Folienmaterialien

Nr.	Material	Gasart	Konz [%]	Abstand [mm]	therm. Schädigung	Geschw. [m/min]	σ[mN/m] vorher. nachher
1	PE 1	-	-	-	-	-	32	-
2	PE 1	O₂	57	3	nein	265	32	60
3	PE 1	O₂	89	3	nein	265	32	64
4	PE 1	O₂	71	5	nein	265	32	62-64
5	PE 1	O₂	71	10	nein	265	32	62-64
6	PE 1	O₂	71	15	nein	265	32	60
7	PE 1	O₂	71	20	nein	265	32	50-52
8	PE 1	N₂	50	3	nein	265	32	62-64
9	PE 2	O₂	57	3	nein	265	32	54
10	BOPP 1	-	-	-	-	-	32	-
11	BOPP 1	O₂	84	3	nein	265	32	50
12	BOPP 1	O₂	89	3	nein	265	32	-
13	BOPP 1	N₂	50	3	nein	265	-
14	BOPP 2	O₂	57	3	nein	265	28	48-50
15	PET	O₂	84	3	nein	265	32	64
16	PAB	O₂	57	3	nein	265	41	60

σ = Oberflächenspannung

Tab. 2: Oberflächenspannung nach Coronaentladung gemäß Stand der Technik und erfindungsgemäße Plasmabehandlung

Nr.	Material	σ[mN/m] nach Corona	σ[mN/m] nach Plasma
1	PE 1	54	62-64
2	PE2	42	54
3	BOPP 1	38	56-58
4	BOPP 2	38-42	52
5	PET	48-50	62-64
6	PA	56	60-62

Claims

Verfahren zur homogenen Oberflächenaktivierung bahnförmiger metallischer Werkstoffe mit einer Dicke kleiner als 100µm oder bahnförmiger polymerer Werkstoffe, dadurch gekennzeichnet, dass man ein durch ein indirektes Plasmatron erzeugtes atmosphärisches Plasma gegebenenfalls in Gegenwart eines Gases oder Aerosols oder Gas- und/oder Aerosolgemisches auf den über Walzenpaare bewegten Werkstoff einwirken lässt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein indirektes Plasmatron mit einer länglichen Plasmakammer, die in kaskadiertem Aufbau eine Mehrzahl von elektrisch gegeneinander isolierten Neutroden umfasst, wobei die zur Erzeugung des Plasma-Lichtgas erforderlichen Elektroden koaxial zur Längsachse der Plasmakammer angeordnet sind und die Plasmastrahl-Austrittsöffnung parallel zur Längsachse der Plasmakammer verläuft, eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein indirektes Plasmatron, bei dem zumindest eine Neutrode mit einem Permanentmagneten-Paar zur Beeinflussung der Form und der Position des Plasma-Lichtbogens versehen ist, eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein indirektes Plamatron, bei dem zumindest eine Neutrode mit einer Möglichkeit zur Zuführung eines Gases in die Plasmakammer versehen ist, eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenaktivierung voll- oder teilflächig ausgeführt ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die polymeren Werkstoffe gegebenenfalls mit Metall, Metalloxid oder SiO_x bedampfte Kunststofffolien sind.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenaktivierung eine Erhöhung der Oberflächenspannung ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man im Gemisch mit einem Inertgas ein oxidierend wirkendes Gas und/oder Aerosol, zuführt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bahnförmigen polymeren oder metallischen Werkstoffe mit einer Geschwindigkeit im Bereich zwischen 1 und 600 m pro Minute bewegt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man das atmosphärische Plasma in einem Abstand von 0 bis 40 mm auf den polymeren oder metallischen Werkstoff einwirken lässt.