EP2258487A1 - Vorrichtung und Verfahren zur photoinduzierten Aushärtung von mittels elektromagnetischer Strahlung aushärtbaren Polymeren - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur photoinduzierten Aushärtung von mittels elektromagnetischer Strahlung aushärtbaren Polymeren Download PDF

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EP2258487A1
EP2258487A1 EP10005699A EP10005699A EP2258487A1 EP 2258487 A1 EP2258487 A1 EP 2258487A1 EP 10005699 A EP10005699 A EP 10005699A EP 10005699 A EP10005699 A EP 10005699A EP 2258487 A1 EP2258487 A1 EP 2258487A1
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EP
European Patent Office
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electromagnetic radiation
gas
plasma
substrate
polymer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10005699A
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English (en)
French (fr)
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Thomas Abendroth
Holger Dr. Althues
Stefan Prof. Dr. Kaskel
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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    • B05D5/061—Special surface effect
    • B05D5/063—Reflective effect

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for photoinduced curing of electromagnetic radiation curable polymers, in particular of acrylates.
  • the curing of polymer-based paints and printing inks requires high processing speeds and, at the same time, processing of large areas.
  • electromagnetic radiation in the wavelength range of UV light is used to shorten the curing time.
  • gas discharge lamps are in use, such as, for example, metal halide lamps, mercury lamps or microwave discharge lamps.
  • Radiation sources have a high energy consumption in particular in the processing of large areas in a short time.
  • their limited life is disadvantageous and increases the cost.
  • Excimer radiators emitting monochromatic electromagnetic radiation with a wavelength of 172 nm are also known ( WO 2007/068322 A1 ). Again, this is a high energy consumption and cooling of the spotlight required.
  • this object is achieved with a device having the features of claim 1. It can be worked with a method according to claim 7.
  • a plasma with which suitable electromagnetic radiation can be emitted is formed.
  • two electrodes arranged at a distance from one another are used, which are connected to an electrical DC voltage source, so that an arc is formed between the two electrodes.
  • the gas or gas mixture used if energetically activated, that it goes into the plasma state and depending on the selected gas or gas mixture electromagnetic radiation is emitted in a wavelength spectrum in which at least short-wave radiation having wavelengths less than 200 nm is included.
  • longer-wave electromagnetic radiation from the wavelength range of the UV radiation may be included.
  • the electromagnetic radiation thus emitted is directed to a substrate on which a polymer to be cured is applied. It should be kept ambient atmospheric pressure. So there are no vacuum conditions or even vacuum required or desired, since a significant overhead required here would.
  • Ambient atmospheric pressure is understood to mean a pressure that is normally present in the respective environment. Deviations from this should not exceed ⁇ 300 mbar. The pressure can therefore be slightly smaller or larger, which will be the latter to come back subsequently.
  • the two electrodes used for the formation of the arc should be arranged as far apart as possible in order to maximize the length of an electric arc formed between the electrodes for plasma formation. However, it should be ensured that this can be maintained consistently and reliably.
  • a large length of the electric arc allows for simultaneous movement of a device according to the invention and a substrate on the surface of a polymer to be cured has been applied, a large-scale processing and a time reduction for curing.
  • the relative movement between the device and the substrate can preferably take place in a translatory manner in an axial direction, which should particularly preferably take place perpendicular to the formed electric arc.
  • a rotational movement is also possible in which the substrate coated with the polymer to be cured is rotated about an axis of rotation so that the entire coated surface can be exposed to the influence of the electromagnetic radiation emitted by the plasma.
  • the speed of the relative movement which can also be referred to as feed rate, can be controlled in the invention, but also regulated. This is of particular importance when a surface structure is to be formed on the surface of the polymer to be cured. At elevated speeds, it is possible to influence specific surface structure geometries in a targeted manner. At higher speeds, the processing time, ie the respective time during which electromagnetic radiation can be absorbed by the polymer at a corresponding area, is shortened.
  • suitable gases are, for example, argon, neon, helium, hydrogen, nitrogen or a gaseous chemical compound of these gases, such as ammonia.
  • gases for example, argon, neon, helium, hydrogen, nitrogen or a gaseous chemical compound of these gases, such as ammonia.
  • one of these gases alone but also a gas mixture of at least two of these gases can be used.
  • the gas or gas mixture used also determines the wavelength spectrum, the electromagnetic radiation emitted by the plasma formed with the gas or gas mixture.
  • Influence on the curing process can also be taken by appropriate adjustment of the volume flow of a supplied gas or gas mixture.
  • the proportions of individual gases contained in a gas mixture is a parameter that can be influenced via the setting of the respective supplied volume flows, if from the outset no already prepared gas mixture is supplied into the influence of the electric arc.
  • the intensity of the electromagnetic radiation can be influenced by the electrical power with which the electric arc is operated.
  • This can be achieved by means of a closed chamber in which, for example, a nitrogen atmosphere is present or else a lock system in which an inlet and an outlet via which a substrate a correspondingly designed device according to the invention can be brought out again after the treatment.
  • a gas curtain of a suitable inert shielding gas can prevent the entry of oxygen-containing air.
  • a protective gas flow can be formed around a processing region, as is also the case inert gas welding in a similar form. Nitrogen can also be used as protective gas. In these cases, the curing can be carried out at a pressure which is slightly above the respective ambient atmospheric pressure.
  • oxygen should be avoided on curing, but at least the oxygen content in the ambient atmosphere during photoinduced curing should be kept low because oxygen hinders the crosslinking process of the subject polymers.
  • an electric arc can be formed whose length is reliably above 100 mm and can reach up to 500 mm. This leads to a high effectiveness in curing, since at the same time a correspondingly large area can be irradiated for curing taking into account the respective relative movement.
  • both a surface and a deep polymerization can be achieved with a single device and a single source of radiation with one pass.
  • the time required to cure a polymer layer having a thickness of 30 ⁇ m is about 1 s.
  • surfaces with reduced optical reflection may be formed.
  • diffusely reflecting surfaces e.g., for matting metal reflectors
  • anti-slip layers smoother, more manageable, or improved haptic surfaces.
  • the aesthetic impression of a surface can also be influenced.
  • optical elements such as diffraction gratings or structures for light extraction can also be produced in this way.
  • the coated with the paint composition substrates were moved in translation perpendicular to the longitudinal axis of the electric arc, the arc plasma source.
  • Example 2 The same varnish composition as in Example 1 was mixed with each other at room temperature and under darkened conditions, and stored in a brown-colored vessel until applied to the surface of a substrate.
  • the lacquer mixture prepared in this way was applied to a substrate made of float glass with a layer thickness of 20 .mu.m immediately before the start of the curing.
  • the inventive device was constructed as in Example 1 and was operated electrically as well.
  • the prepared substrates were moved in translation at a constant feed rate of 10 mm / s. However, a variation occurred in the gas for plasma formation.
  • the distance of the structural elements from each other in experiments 2 and 3 of this example was about 5 microns.
  • the valleys had a depth of about 200 nm with respect to the mountains of the structure.
  • the paint composition according to Examples 1 and 2 was treated under the same conditions for the formation of the electric arc.
  • 15 slm of pure nitrogen were used and in experiments 4 to 8 only the feed rate of the translatory feed movement was changed. It was 4-1 mm / s in the experiment, 5-5 mm / s in the experiment, 6-10 mm / s in the experiment, 7-20 mm / s in the experiment, 7-20 mm / s in the experiment and 8 in the experiment - 30 mm / s.
  • FIGS. 1 to 5 The on the surface of the cured lacquer layers were examined by experiments 4 to 8 by atomic force microscopy. The results are shown in FIGS. 1 to 5. In each case, in the left-hand illustration the formed structure can be seen in a plan view and in the right-hand representations the heights and depths of the structures are illustrated.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur photoinduzierten Aushärtung von mittels elektromagnetischer Strahlung aushärtbaren Polymeren, insbesondere von Acrylaten. Aufgabe der Erfindung ist es, Möglichkeiten für die Aushärtung von Polymeren durch Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung zu schaffen, mit denen große Flächen in kurzer Zeit und verringertem Energieverbrauch mit einer Vorrichtung in einem Verfahrensschritt ausgehärtet werden können. Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zur photoinduzierten Aushärtung von mittels elektromagnetischer Strahlung aushärtbaren Polymeren zwischen zwei in einem Abstand zueinander angeordneten Elektroden ein Lichtbogen ausgebildet. Außerdem ist eine Zuführung für ein zur Plasmabildung geeignetes Gas oder Gasgemisch zum Lichtbogen vorhanden. Vom gebildeten Plasma emittierte elektromagnetische Strahlung wird auf ein Substrat, auf dem ein auszuhärtendes Polymer aufgebracht ist, gerichtet und dabei wird bei Umgebungsatmosphärendruck gearbeitet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur photoinduzierten Aushärtung von mittels elektromagnetischer Strahlung aushärtbaren Polymeren, insbesondere von Acrylaten.
  • Bei der Aushärtung von auf polymerer Basis hergestellten Lacken und Druckfarben werden hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten und dabei eine Bearbeitung großer Flächen gefordert. Üblicherweise wird elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich des UV-Lichts eingesetzt, um die Aushärtezeit zu verkürzen.
  • Es sind dem daher hierfür geeignete Strahlungsquellen erforderlich. Im Einsatz sind bisher Gasentladungslampen, wie z.B. Metall-Halogen-Strahler, Quecksilberstrahler oder Mikrowellenentladungslampen. Diese Strahlungsquellen weisen insbesondere bei der Bearbeitung von großen Flächen in kurzer Zeit einen hohen Energieverbrauch auf. Außerdem ist ihre begrenzte Lebensdauer nachteilig und erhöht die Kosten.
  • Es ist auch bekannt Excimer-Strahler, die monochromatische elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von 172 nm emittieren ( WO 2007/068322 A1 ). Auch hiermit ist ein hoher Energieverbrauch vorhanden und eine Kühlung des Strahlers erforderlich.
  • Es hat sich auch gezeigt, dass bei der Aushärtung von Acrylaten eine Bestrahlung mit kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung zu einer photoinduzierten Polymerisation an der Oberfläche führt, da diese im Wellenlängenspektrum unterhalb 240 nm eine hohe Absorption aufweisen. Die Eindringtiefe ist bei dieser Strahlung aber gering, was zu einer stärkeren Vernetzung der Oberfläche führt und der darunter liegende Bereich eines bestrahlten Acrylates nicht so stark vernetzt wird, der nicht unmittelbar dem Strahlungseinfluss ausgesetzt ist. Demzufolge ist unterhalb dieser bereits ausgehärteten oberen Schicht, die man auch als "Haut" bezeichnen kann, noch flüssiges oder teilweise flüssiges Polymer vorhanden. Bei der Polymerisation kommt es zur Volumenkontraktion. Dadurch sind mechanische Spannungen vorhanden, die zu Stauchungen und Faltenbildungen führen, so dass eine strukturierte Oberfläche ausgebildet wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn zusätzlich eine weitere Strahlungsquelle beim Aushärten eingesetzt wird, die langwelligere elektromagnetische Strahlung emittiert und dadurch eine vollständige Aushärtung innerhalb des gesamten Polymervolumens erreicht wird. Dementsprechend können Quecksilber-Strahler für die langwelligere und Excimer-Strahler für die kurzwelligere elektromagnetische Strahlung gemeinsam bei der Aushärtung eingesetzt werden.
  • Nunmehr ist es bei bestimmten ausgewählten Applikationen, wie z.B. bei der Herstellung optischer Elemente häufig gewünscht eine Oberflächenstrukturierung auszubilden, die beispielsweise die Reflexion an der Oberfläche reduzieren kann. Bei der vorab erwähnten Vorgehensweise mit Einsatz von zwei unterschiedlichen Strahlungsquellen gelingt dies aber auf großen Flächen nicht ohne weiteres, zumindest jedoch nicht reproduzierbar.
  • Mit den hier genannten technischen Mitteln können auch keine wellenförmigen Oberflächenstrukturen mit einer bevorzugten Ausrichtung ausgebildet werden.
  • Von R. Mehnert u.a. ist es aus "Funktionelle Schichten durch UV- und Elektronenstrahlhärtung"; Mat.-wiss. u. Werkstofftechnik 32, 2001, S. 774 bis 780 bekannt, neben einer Bestrahlung zum Aushärten für die Ausbildung einer Mikrostrukturierung Prägezylinder zur Formgebung während des Härtens einzusetzen. Dadurch werden der anlagentechnische Aufwand und demzufolge auch die Kosten erhöht.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für die Aushärtung von Polymeren durch Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung zu schaffen, mit denen große Flächen in kurzer Zeit und verringertem Energieverbrauch mit einer Vorrichtung in einem Verfahrensschritt ausgehärtet werden können.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Dabei kann mit einem Verfahren nach Anspruch 7 gearbeitet werden.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind mit Anwendung von in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisierbar.
  • Bei der Erfindung wird ein Plasma, mit dem geeignete elektromagnetische Strahlung emittiert werden kann, gebildet. Für die Plasmabildung werden zwei in einem Abstand zueinander angeordnete Elektroden eingesetzt, die an eine elektrische Gleichspannungsquelle angeschlossen sind, so dass zwischen den beiden Elektroden ein Lichtbogen ausgebildet wird. Außerdem ist eine Zuführung für ein zur Plasmabildung geeignetes Gas oder Gasgemisch zum Lichtbogen vorhanden.
  • Mit der Energie des Lichtbogens wird das eingesetzte Gas oder Gasgemisch, soweit energetisch aktiviert, dass es in den Plasmazustand übergeht und je nach ausgewähltem Gas oder Gasgemisch elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenspektrum emittiert wird, in dem zumindest kurzwellige Strahlung mit Wellenlängen kleiner 200 nm enthalten ist. Zusätzlich kann auch langwelligere elektromagnetische Strahlung aus dem Wellenlängenbereich der UV-Strahlung enthalten sein.
  • Die so emittierte elektromagnetische Strahlung wird auf ein Substrat, auf dem ein auszuhärtendes Polymer aufgebracht ist, gerichtet. Dabei soll Umgebungsatmosphärendruck eingehalten sein. Es sind also keine Unterdruckbedingen oder gar Vakuum erforderlich oder gewünscht, da hier ein erheblicher Mehraufwand erforderlich wäre.
  • Unter Umgebungsatmosphärendruck soll ein Druck verstanden sein, wie er normalerweise in der jeweiligen Umgebung vorhanden ist. Abweichungen davon sollen ± 300 mbar nicht überschreiten. Der Druck kann also geringfügig kleiner oder größer sein, worauf nachfolgend auf letzteres noch zurück zu kommen sein wird.
  • Die beiden für die Ausbildung des Lichtbogens eingesetzten Elektroden sollten in einem möglichst großen Abstand zueinander angeordnet sein, um die Länge eines elektrischen Lichtbogens, der zwischen den Elektroden für die Plasmabildung ausgebildet wird, möglichst groß zu machen. Dabei sollte aber gewährleistet sein, dass dieser konstant und zuverlässig aufrechterhalten werden kann. Eine große Länge des elektrischen Lichtbogens ermöglicht bei gleichzeitiger Relativbewegung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und einem Substrat, auf dessen Oberfläche ein auszuhärtender Polymer aufgebracht worden ist, eine großflächige Bearbeitung und eine Zeitverkürzung für das Aushärten.
  • Die Relativbewegung zwischen Vorrichtung und Substrat kann bevorzugt translatorisch in eine Achsrichtung erfolgen, die besonders bevorzugt senkrecht zum ausgebildeten elektrischen Lichtbogen erfolgen sollte.
  • Es ist aber auch eine Rotationsbewegung möglich, bei der das mit dem auszuhärtenden Polymer beschichtete Substrat um eine Rotationsachse gedreht wird, so dass die gesamte beschichtete Oberfläche dem Einfluss der vom Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt werden kann.
  • Die Geschwindigkeit der Relativbewegung, die man auch als Vorschubgeschwindigkeit bezeichnen kann, kann bei der Erfindung gesteuert aber auch geregelt werden. Dies erlangt besondere Bedeutung, wenn an der Oberfläche des auszuhärtenden Polymers eine Oberflächenstruktur ausgebildet werden soll. Hier kann bei erhöhten Geschwindigkeiten gezielt auf bestimmte Oberflächenstrukturgeometrien Einfluss genommen werden. Bei höheren Geschwindigkeiten verkürzt sich die Bearbeitungszeit, also die jeweilige Zeit während der elektromagnetische Strahlung an einer entsprechenden Fläche vom Polymer absorbiert werden kann.
  • So besteht die Möglichkeit ab einer Vorschubgeschwindigkeit von mindestens 1 mm/s und einer einachsigen translatorischen Vorschubbewegung wellenförmige Oberflächenstrukturen auszubilden, die regelmäßig sind und dabei die einzelnen Wellen parallel zueinander ausgerichtet sind. Die Gleichmäßigkeit einer so ausgebildeten Oberflächenstruktur kann durch weitere Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit verbessert werden.
  • Es können aber auch andere Parameter genutzt werden, um einen entsprechenden Einfluss nehmen zu können. Dies kann die Intensität der vom Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung, das/die für die Plasmabildung eingesetzte(n) Gas(e) sowie die Vorschubachsrichtung bei der Bestrahlung.
  • Für die Plasmabildung geeignete Gase sind beispielsweise Argon, Neon, Helium, Wasserstoff, Stickstoff oder auch eine gasförmige chemische Verbindung dieser Gase, wie z.B. Ammoniak. Dabei kann eines dieser Gase allein aber auch ein Gasgemisch von mindestens zwei dieser Gase eingesetzt werden. Das eingesetzte Gas oder Gasgemisch bestimmt auch das Wellenlängenspektrum, der vom mit dem Gas oder Gasgemisch gebildeten Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung.
  • Einfluss auf den Aushärtungsprozess kann auch durch entsprechende Einstellung des Volumenstromes eines zugeführten Gases oder Gasgemisches genommen werden. Auch die Anteile von in einem Gasgemisch enthaltenen einzelnen Gasen stellt einen Parameter dar, der über die Einstellung der jeweiligen zugeführten Volumenströme beeinflussbar ist, wenn von vornherein kein bereits vorbereitetes Gasgemisch in den Einflussbereich des elektrischen Lichtbogens zugeführt wird.
  • Die Intensität der elektromagnetischen Strahlung kann über die elektrische Leistung mit der der elektrische Lichtbogen betrieben wird, beeinflusst werden.
  • Außer dem Einfluss der vom Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung sollte kein weiterer Einfluss vom Plasma auf das auszuhärtende Polymer ausgeübt werden, was insbesondere die Wärme und die Plasmaströmung betrifft. Es sollte daher ein ausreichend großer Abstand zwischen Polymeroberfläche und elektrischem Lichtbogen bzw. der Plasmabildungszone eingehalten sein. Es kann sogar ein für die elektromagnetische Strahlung transparentes Fensterelement zwischen elektrischem Lichtbogen und Polymeroberfläche angeordnet sein.
  • Vorteilhaft ist es auch, eine sauerstofffreie Atmosphäre um den bestrahlten Bereich des auszuhärtenden Polymers einzuhalten oder dort auszubilden. Dies kann mittels einer abgeschlossenen Kammer, in der beispielsweise eine Stickstoffatmosphäre vorhanden ist oder auch ein Schleusensystem bei dem an einem Einlass und einem Auslass über die ein Substrat durch eine entsprechend gestaltete erfindungsgemäße Vorrichtung ein- und nach der Behandlung wieder herausgeführt werden kann. Dort kann ein Gasschleier aus einem geeigneten inerten Schutzgas den Eintritt von Sauerstoff enthaltender Luft verhindern. Es kann aber auch ein Schutzgasstrom um einen Bearbeitungsbereich ausgebildet werden, wie dies in ähnlicher Form auch beim Schutzgasschweißen erfolgt. Als Schutzgas kann ebenfalls Stickstoff eingesetzt werden. In diesen genannten Fällen kann das Aushärten bei einem Druck, der geringfügig über dem jeweiligen Umgebungsatmosphärendruck liegt, erfolgen.
  • Die Anwesenheit von Sauerstoff sollte beim Aushärten vermieden, zumindest jedoch der Sauerstoffanteil in der Umgebungsatmosphäre während der photoinduzierten Aushärtung klein gehalten sein, da Sauerstoff den Vernetzungsprozess der in Rede stehenden Polymere behindert.
  • Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ein elektrischer Lichtbogen ausgebildet werden, dessen Länge sicher oberhalb 100 mm liegt und bis zu 500 mm erreichen kann. Dies führt zu einer hohen Effektivität beim Aushärten, da gleichzeitig eine entsprechend große Fläche zum Aushärten unter Berücksichtung der jeweiligen Relativbewegung bestrahlt werden kann.
  • Wie bereits angesprochen, ist die zum Aushärten erforderliche Zeit, unter Berücksichtigung dieser Möglichkeiten der Erfindung, entsprechend klein. Dadurch ist auch der erforderliche Energiebedarf reduziert, da unter anderem auch auf eine Kühlung, wie sie bei den aus dem Stand der Technik bekannten Strahlern erforderlich ist, verzichtet werden kann.
  • Mit der Erfindung kann mit einer einzigen Vorrichtung und einer einzigen Strahlungsquelle mit einem Durchlauf sowohl eine Oberflächen-, wie auch eine Tiefenpolymerisation erreicht werden.
  • So liegt beispielsweise, die erforderliche Zeit zum Aushärten einer Polymerschicht mit einer Dicke von 30 µm bei ca. 1 s.
  • Neben der hohen Effektivität, die mit der Erfindung erreichbar ist, kann sie für die Herstellung unterschiedlicher Produkte und Gegenstände eingesetzt werden. Dies trifft insbesondere auf solche zu, bei denen eine strukturierte Oberfläche gewünscht wird.
  • So können Oberflächen mit reduzierter optischer Reflexion (Anti-Refelexionsschichten), diffus reflektierende Oberflächen (z.B. für eine Mattierung von Metallreflektoren), Anti-Rutsch-Schichten, griffigere, besser handhabbare oder eine verbesserte Haptik aufweisende Oberflächen ausgebildet werden. Auch der ästhetische Eindruck einer Oberfläche kann beeinflusst werden.
  • Unter bestimmten Bedingungen können auch optische Elemente, wie Beugungsgitter oder Strukturen für eine Lichtauskopplung so hergestellt werden.
  • Nachfolgend soll die Erfindung an Hand von Beispielen näher erläutert werden.
  • Dabei zeigen:
    • Figuren 1 bis 5 Ansichten von Oberflächenstrukturen nach dem Aushärten von Versuchen 4 bis 8 gemäß dem Vorgehen nach Beispiel 3.
    Beispiel 1
  • Auf einem Glas- und einem Stahlsubstrat wurde eine Lackschicht mit einer Schichtdicke von 30 µm aufgetragen. Es wurde folgende Lackzusammensetzung eingesetzt:
    • 3 g Polyesteracrylat (Laromer PE)
    • 1 g Butandiolmonoacrylat (Laromer BDMA)
    • 1 g Trimethylolproanetriacrylat (Laromer TMPTA)
    • 0,05 g 2,4,6-trimethylbenzoldiphenylphosphinoxid (Lucirin TPO); alles unter den in Klammern gesetzten Handelsbezeichnungen von der Firma BASF erhältlich.
  • Mit einer Vorrichtung, bei der zwei Elektroden mit einem Abstand von 150 mm zueinander angeordnet sind wurde ein elektrischer Lichtbogen zwischen den Elektroden gezündet und während der Behandlung aufrechterhalten. Dabei wurden elektrische Anschlusswerte von 51 A und 103 V eingehalten.
  • Für die Plasmabildung wurden 15 slm Argon dem elektrischen Lichtbogen möglichst gleichmäßig über dessen Länge verteilt zugeführt. Der Abstand zur Substratoberfläche betrug ca. 60 mm.
  • Die mit der Lackzusammensetzung beschichteten Substrate wurden translatorisch senkrecht zur Längsachse des elektrischen Lichtbogens, der Lichtbogenplasmaquelle bewegt.
  • Bei diesem Beispiel konnte bei einer Vorschubgeschwindigkeit der Relativbewegung von den Substraten und der Vorrichtung ab 5 mm/s eine Aushärtung der Lackzusammensetzung erreicht werden. Dies entspricht einer lokalen Bestrahlungszeit von 0,8 s. Die erhaltene Oberfläche des ausgehärteten Lackes wies keine Adhäsivität auf. Es konnte festgestellt werden, dass durch die intensive kurzwellige elektromagnetische Strahlung eine direkte Anregung von Acrylmonomeren möglich ist. Durch die geringe Eindringtiefe der Strahlung kann eine Aushärtung an der Oberfläche in Form einer Haut bzw. eines Filmes erreicht werden.
    • Beispiel 2
  • Die gleiche Lackzusammensetzung, wie beim Beispiel 1 wurde bei Raumtemperatur und unter abgedunkelten Bedingungen miteinander vermischt und in einem braun gefärbten Gefäß bis zum Auftrag auf die Oberfläche eines Substrats aufbewahrt. Die so vorbereitete Lackmischung wurde unmittelbar vor Beginn der Aushärtung mit einer Schichtdicke von 20 µm auf ein Substrat aus Floatglas aufgetragen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung war, wie beim Beispiel 1 aufgebaut und wurde elektrisch ebenso betrieben.
  • Es wurde bei Umgebungsatmosphärendruck gearbeitet und lediglich eine sauerstofffreie Atmosphäre mit dem Schutzgas Stickstoff durch Spülen eingehalten.
  • Die vorbereiteten Substrate wurden translatorisch mit einer jeweils konstanten Vorschubgeschwindigkeit von 10 mm/s bewegt. Eine Variation erfolgte aber bei dem Gas für die Plasmabildung.
  • So wurden in einem Versuch 1 für die Plasmabildung 15 slm reines Argon,
    in einem Versuch 2 - 30 slm reines Argon und
    in einem dritten Versuch 3 - 30 slm Argon mit zusätzlich 3 slm in einem Gasgemisch enthaltenem Stickstoff, eingesetzt.
  • Bei der Auswertung dieser Versuche konnten lineare Oberflächenstrukturen an der Oberfläche des Lackes, als auszuhärtendes Polymer, erkannt werden. Die so erhaltenen wellenförmigen Strukturen hatten beim Versuch 2, bei dem mit 30 slm Argon gearbeitet worden ist, eine Erhöhung der Strukturbreiten und deren Höhen zur Folge und es kam zu einer Aufweitung/Vergrößerung der Abstände zwischen den einzelnen Strukturelementen.
  • Mit dem Zusatz von 3 slm Stickstoff konnte dieser Effekt nur geringfügig verstärkt werden.
  • So betrug der Abstand der Strukturelemente voneinander bei den Versuchen 2 und 3 dieses Beispiels ca. 5 µm.
  • Die Täler hatten in Bezug zu den Bergen der Struktur eine Tiefe von ca. 200 nm.
    • Beispiel 3
  • Es wurde die Lackzusammensetzung nach Beispiel 1 und 2 unter den gleichen Bedingungen für die Ausbildung des elektrischen Lichtbogens behandelt. Für die Plasmabildung wurden 15 slm reiner Stickstoff eingesetzt und bei den Versuchen 4 bis 8 lediglich die Vorschubgeschwindigkeit der translatorischen Vorschubbewegung verändert. Sie betrug beim Versuch 4 - 1 mm/s, bei Versuch 5 - 5 mm/s, bei Versuch 6 - 10 mm/s, bei Versuch 7 - 20 mm/s, bei Versuch 7 - 20 mm/s und bei Versuch 8 - 30 mm/s.
  • Die an der Oberfläche der ausgehärteten Lackschichten wurden nach den Versuchen 4 bis 8 mittels Rasterkraftmikroskopie untersucht. Die Ergebnisse sind in den Figuren 1 bis 5 wieder gegeben. Dabei ist jeweils in der linken Darstellung die ausgebildete Struktur in einer Draufsicht erkennbar und in den rechten Darstellungen sind die Höhen und Tiefen der Strukturen verdeutlicht.
  • Es ist erkennbar, dass durch ansteigende Vorschubgeschwindigkeiten, was zu einer reduzierten Bestrahlungszeit führt, eine Veränderung der Strukturierung erreichbar ist, ohne dass andere Parameter verändert worden sind.
  • Bei der Vorschubgeschwindigkeit von 1 mm/s (Versuch 4) ist eine relativ ungeordnete Struktur ausgebildet worden. Die Ordnung und die Ausbildung einer wellenförmigen Oberflächenstruktur verbesserte sich aber von Schritt zu Schritt, mit jeweils weiter erhöhter Vorschubgeschwindigkeit. Wobei der Grad der Verbesserung von Versuch zu Versuch kleiner wurde. Die Ausrichtung der wellenförmigen Struktur war parallel zur Vorschubachsrichtung und der Ausrichtung des elektrischen Lichtbogens.

Claims (14)

  1. Vorrichtung zur photoinduzierten Aushärtung von mittels elektromagnetischer Strahlung aushärtbaren Polymeren, bei der zwischen zwei in einem Abstand zueinander angeordneten Elektroden ein Lichtbogen ausgebildet ist, außerdem eine Zuführung für ein zur Plasmabildung geeignetes Gas oder Gasgemisch zum Lichtbogen vorhanden ist; und vom gebildeten Plasma emittierte elektromagnetische Strahlung auf ein Substrat, auf dem ein auszuhärtendes Polymer aufgebracht ist, gerichtet ist und dabei Umgebungsatmosphärendruck eingehalten ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Vorrichtung und Substrat relativ zueinander bewegbar sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit der Relativbewegung von Vorrichtung und Substrat regel-oder steuerbar ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom von zugeführtem Gas oder Gasgemisch einstellbar ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung und das Substrat in einer Kammer aufgenommen sind, in der eine sauerstofffreie Atmosphäre eingehalten ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass um den Einflussbereich der auf das Substrat gerichteten elektromagnetischen Strahlung ein Schutzgasstrom gerichtet ist.
  7. Verfahren zur photoinduzierten Aushärtung von mittels elektromagnetischer Strahlung aushärtbaren Polymeren, bei dem elektromagnetische Strahlung, die von einem Plasma emittiert wird auf ein mit einem aushärtbaren Polymer beschichtetes Substrat gerichtet wird, wobei das Plasma mit einem Gas oder Gasgemisch, das in einen zwischen zwei in einem Abstand zueinander angeordneten Elektroden ausgebildeten elektrischen Lichtbogen strömt gebildet wird und die Aushärtung bei Umgebungsatmosphärendruck erfolgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für die Plasmabildung ein Gas eingesetzt wird, das ausgewählt ist aus Argon, Neon, Helium, Wasserstoff und Stickstoff und/oder eine gasförmige chemische Verbindung dieser Gase.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch Auswahl der/des eingesetzten Gase(s) das vom Plasma emittierte Wellenlängenspektrum der elektromagnetischen Strahlung beeinflusst wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch Einstellung des/der Volumenströme der/des eingesetzten Gase(s) das vom Plasma emittierte Wellenlängenspektrum der elektromagnetischen Strahlung beeinflusst wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des auszuhärtenden Polymers durch Einstellung der Intensität der vom Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung, der/des für die Plasmabildung eingesetzten Gase(s), die Vorschubachsrichtung bei der Bestrahlung und/oder die Bestrahlungszeit gezielt strukturiert wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine sauerstofffreie Atmosphäre um den bestrahlten Bereich des auszuhärtenden Polymers eingehalten oder ausgebildet wird.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung einer parallelen wellenförmigen Oberflächenstruktur an der Oberfläche des ausgehärteten Polymers eine Vorschubgeschwindigkeit von mindestens 1 mm/s eingehalten wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Acrylat ausgehärtet wird.
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