PL235407B1 - Sposób wytwarzania laminatu z dzianiny i folii ze strukturami elektroprzewodzącymi - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Niniejszy wynalazek dotyczy sposobu wytwarzania laminatu z dzianiny i folii ze strukturami elektroprzewodzącymi.

Nowoczesne wyroby odzieżowe wymagają stosowania innowacyjnych materiałów o złożonych właściwościach. Coraz powszechniejsze zastosowanie mają tak zwane wyroby tekstroniczne, łączące tekstylia z elementami elektronicznymi. Podstawową barierą dla rozwoju wyrobów tekstronicznych, w szczególności wytwarzanych na bazie dzianin, jest naniesienie struktur elektrycznie przewodzących na elastyczne podłoże jakim jest struktura dzianiny o poziomie rezystywności mieszczącej się w przedziale 4-5 x 10^-5 Qcm. Naniesione struktury powinny być odporne na uszkodzenia mechaniczne i pranie. W przypadku dzianin rozwiązaniem spełniającym wymagania efektywnościowe wyrobu tekstronicznego jest wrobienie w struktury dzianiny techniką dziewiarską przędz elektroprzewodzących lub ich naniesienie na powierzchnię dzianiny techniką haftu. Są to jednak rozwiązania dość skomplikowane.

Ze względów estetycznych i użytkowych dzianina z wbudowanymi przędzami elektroprzewodzącymi mogłaby być połączona z drugą dzianiną tworząc dwuwarstwowy laminat. Drugim rozwiązaniem mogłoby być wytwarzanie trójwarstwowych laminatów składających się z dwóch warstw dzianin połączonych z folią polimerową, na powierzchni której zostały naniesione struktury elektroprzewodzące. Wadą tych konstrukcji jest niska wytrzymałość na rozwarstwianie połączeń klejowych dzianin oraz dzianin z folią polimerową, jak również niski poziom adhezji struktur elektroprzewodzących nadrukowanych na folii.

Ogólnie rzecz biorąc, laminaty wytwarza się poprzez połączenie co najmniej dwóch warstw materiałów charakteryzujących się różnymi właściwościami mechanicznymi, fizycznymi, termoizolacyjnymi, czy też zdolnościami do transmisji pary wilgoci. Laminaty ze względu na konstrukcję warstwową charakteryzują się anizotropowością, co przejawia się dobrą wytrzymałością mechaniczną laminatu w kierunku równoległym do warstw i znacznie gorszą wytrzymałością mechaniczną laminatu w kierunku prostopadłym do warstw.

Znane są techniki wytwarzania laminatów w których poszczególne warstwy laminatu łączy się za pomocą warstwy kleju który nanosi się na odpowiednio oczyszczoną powierzchnię wybranej warstwy, którą następnie łączy się z warstwą innego materiału.

Dokładne oczyszczenie powierzchni przed klejeniem jest jednym z istotnych etapów procesu wytwarzania laminatów mających wpływ na siłę uzyskanego złącza klejonego, a tym samym jakość wytwarzanego laminatu określającą wytrzymałość złącza klejowego laminatu do rozwarstwiania się na etapie jego użytkowania. W związku z tym, etapy obróbki powierzchni podłoża przed naniesieniem kleju typowo obejmują mechaniczne usunięcie cienkiej warstwy materiału i/lub oczyszczenie podłoża za pomocą rozpuszczalników - których skład dobiera się w zależności od budowy chemicznej oczyszczanej warstwy materiału bądź wymagań dotyczących usuwanych zanieczyszczeń.

Metody mechanicznego czy termicznego (metodą płomieniową) oczyszczania podłoża pomimo, iż umożliwiają odpowiednie przygotowanie klejonej powierzchni, mogą być stosowane jedynie dla niektórych materiałów - o określonym stopniu twardości lub zdolności do wytwarzania na powierzchni nadtapianej płomieniem spalanej mieszanki gazowo-powietrznej, warstwy ciekłego i lepkiego poliuretanu; nadtopiona warstwa w tej metodzie styka się z warstwą materiału wierzchniego stanowiąc zarówno warstwę laminatu jak i spoiwo.

Metody laminacji płomieniowej nie można stosować dla laminatów wytwarzanych z pianek polipropylenowych, ze względu na brak możliwości wytworzenia na jej powierzchni warstwy klejącej podczas oddziaływania na nią utleniającym płomieniem spalanej mieszanki gazowo-powietrznej. Metoda laminacji płomieniowej jest szkodliwa dla środowiska; w trakcie tego procesu wydzielane są substancje zawierające substancje szkodliwe dla środowiska i organizmu człowieka, takie jak: amoniak, cyjanowodór, formaldehyd, izocyjaniany, tlenek węgla, tlenek siarki, tlenek azotu. Laminaty wytwarzane z dzianin wytwarzane są zazwyczaj metodą hot-melt łączącą w ramach jednej techniki technologię klejenia łączonych tekstyliów z jednoczesną obróbką termiczną klejonych warstw. Laminaty zbudowane z polimerów włóknotwórczych, w szczególności z dzianin, charakteryzują się niską wytrzymałością połączeń klejowych na oddzieranie. Główną ich przyczyną jest włochatość powierzchni dzianin, nierównomierna i niejednolita powierzchnia. Klej nanoszony na tak ukształtowaną strukturę osiada w pierwszej kolejności na włochatej warstwie dzianiny, co jest przede wszystkim przyczyną niskiej wytrzymałości połączeń warstwowych dzianin czy dzianin z piankami lub folią polimerową. Drugą jest nierównomierność powierzchni, która obniżą efektywne pole połączeń łączonych warstw laminatu.

PL 235 407 B1

Wskazanym byłoby zatem opracowanie skutecznego sposobu wytwarzania laminatów z dzianiny i folii ze ścieżkami przewodzącymi sygnały elektryczne, który pozwoli na wytworzenie laminatu o dużej odporności na rozwarstwianie, celem zapewnienia długiego czasu użytkowania produktu i jego wysokiej trwałości.

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania laminatu z dzianiny i folii poliuretanowej ze strukturami elektroprzewodzącymi, w którym na stronę dzianiny przeznaczoną jako stronę wewnętrzną laminatu nanosi się klej w technologii hot-melt i łączy się dzianinę z folią poliuretanową za pomocą walców dociskowych. Sposób charakteryzuje się tym, że dzianinę, od strony na którą nanosi się klej, poddaje się przed naniesieniem kleju uprzedniej obróbce plazmą atmosferyczną. Ponadto folię, od strony na którą nanosi się struktury elektroprzewodzące, poddaje się przed naniesieniem tych struktur obróbce plazmą atmosferyczną, utrzymując moc wyładowań w zakresie od 2000 do 2500 W/m²min, po czym nanosi się w technologii druku ink-jet lub sitodruku struktury elektroprzewodzące z atramentu elektroprzewodzącego opartego o nanocząstki srebra, które następnie poddaje się obróbce termicznej, podgrzewając atrament elektroprzewodzący do temperatury spiekania danego atramentu.

Korzystnie, stosuje się dzianinę wiskozową, którą poddaje się obróbce plazmą atmosferyczną utrzymując moc wyładowań w zakresie od 1200 do 2600 W/m²min.

Korzystnie, stosuje się dzianinę poliestrową, którą poddaje się obróbce plazmą atmosferyczną utrzymując moc wyładowań w zakresie od 400 do 1300 W/m²min.

Sposób według wynalazku umożliwia wytwarzanie laminatów z dzianiny poliestrowej lub wiskozowej z folią poliuretanową ze ścieżkami przewodzącymi sygnały elektryczne, które charakteryzują się wysoką odpornością na rozerwanie.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia schemat blokowy sposobu wytwarzania laminatów z dzianin według wynalazku.

W pierwszym torze przygotowuje się dzianinę 10, poprzez jej początkowe pranie i barwienie w etapie 11, zgodnie ze znanymi technologiami. Stosować można przykładowo dzianiny poliestrowe lub wiskozowe.

Następnie podaje się jedną stronę dzianiny, przeznaczoną do połączenia z folią 20, modyfikacji plazmą atmosferyczną w etapie 12.

W kolejnym etapie 13 dzianinę stabilizuje się na stabilizatorze, zgodnie ze znanymi technologiami.

Następnie w etapie 14 na zmodyfikowaną plazmą atmosferyczną stronę dzianiny, techniką hot-melt nanosi się punktowo klej odpowiedni do łączenia materiału dzianiny 10 z folią 20.

W drugim torze przygotowuje się folię poliuretanową 20.

Folię 20 od strony przeznaczonej na naniesienie atramentu przewodzącego sygnały elektryczne poddaje się obróbce plazmą atmosferyczną w etapie 21.

Następnie w etapie 22 nanosi się na zmodyfikowaną plazmą atmosferyczną stronę folii atrament elektroprzewodzący, w technologii druku typu ink-jet lub sitodruku. W technologii ink-jet stosuje się znane atramenty elektroprzewodzące, przykładowo atramenty zawierającego nanocząstki srebra. W tego typu atramentach nanocząstki srebra posiadają otoczkę ochronną z substancji, która pozwala na uzyskanie stabilnej cieczy bez efektów sedymentacji lub aglomeracji napełniaczy i pełnej stabilności wszystkich parametrów. Przykładowo, stosować więc można atrament zawierający nanocząstki srebra o średnim rozmiarze 50-60 nm w otoczce polimerowej. Przykładowo, stosować można atrament przewodzący prąd NANO INK AX JP-60n firmy Amepox (Polska) w otoczce polimerowej zabezpieczającej nanocząsteczki srebra przed sedymentacją i utrzymaniem pełnej stabilności wszystkich parametrów. Atrament ten charakteryzuje się poniższymi parametrami technicznymi:

- konsystencja: ciecz o lepkości odpowiedniej do nanoszenia w technologii ink-jet

- kolor: ciemnozielony do brązowego

- zawartość srebra: około 20%

- lepkość (Brookfield LVDVII + C; 100 rpm; 20°C): 5-6,5 mPas

- ciężar właściwy: 0,8-1,0 g/cm³

- napięcie powierzchniowe: 35 mN/m

- rezystywność: 5 x 10^-6 Qcm

- współczynnik tiksotropowości (1/10 rpm): około 1.0

- rekomendowany proces spiekania: 150°C przez 60 min

Następnie, w etapie 23 dokonuje się obróbki termicznej naniesionych struktur elektroprzewodzących. Celem obróbki termicznej jest uzyskanie przez nie akceptowalnej przewodności elektrycznej przez

PL 235 407 B1 usunięcie warstwy otoczki nanocząsteczek srebra zabezpieczających je przed zjawiskiem sedymentacji. Obróbkę termiczną prowadzi się w termo-kalandrze, podgrzewając stronę folii z naniesionymi strukturami elektroprzewodzącymi do temperatury utrwalenia atramentu, zwykle w zakresie 120 do 160°C, korzystnie 150°C, co powoduje usunięcie otoczki polimerowej i spiekanie nanocząstek srebra w celu ich utrwalenia i utworzenia struktury elektroprzewodzącej.

W etapie 31 łączy się zmodyfikowaną plazmą atmosferyczną stronę dzianiny 10 (z naniesionym na nią klejem) ze zmodyfikowaną powierzchniowo plazmą atmosferyczną stroną folii 20 z naniesionymi na niej strukturami elektroprzewodzącymi, uzyskując laminat. Łączenie można przeprowadzać za pomocą walców dociskowych, pomiędzy które podaje się warstwy do złączenia zapewniając, w wyniku docisku walców, połączenie tych warstw za pomocą uprzednio naniesionego na dzianinę 10 kleju.

Następnie w etapie 32 wytworzony laminat nawija się na bele oraz odstawia się na czas niezbędny do całkowitego utwardzenia kleju oraz uzyskania pełnych właściwości wytrzymałościowych wytworzonego laminatu.

W celu uzyskania laminatu zabezpieczającego folię od strony wierzchniej i spodniej, dodatkowo można poddać procesowi technologicznemu opisanemu krokami 10, 11, 12, 13 i 14 drugą warstwę dzianiny. Tą drugą warstwę można następnie połączyć z opisanym powyżej laminatem pierwszej warstwy dzianiny i folii z nadrukowanymi ścieżkami elektroprzewodzącymi, po odkrytej stronie folii polimerowej. Rezultatem tego procesu jest trójwarstwowy laminat składający się dzianiny, folii polimerowej z naniesionymi na nią ścieżkami elektroprzewodzącymi charakteryzującymi się wysoką siła adhezji do podłoża polimerowego (na taśmie Scotch nie stwierdzono śladów atramentu) oraz drugiej warstwy dzianiny.

W rozwiązaniu według wynalazku dobrano odpowiednio parametry obróbki plazmą atmosferyczną dzianiny w etapie 12 oraz folii w etapie 21. Stanowisko obróbki plazmą atmosferyczną wyposażone jest w komorę, w której zamontowany jest walec transportowy do transportu pasa materiału (dzianiny lub pianki) w sposób ciągły przez komorę, oraz głowicę lasera do generowania plazmy niskotemperaturowej w kierunku strony spodniej dzianiny. Głowica układu do generowania wyładowań plazmowych wraz z walcem transportowym stanowią łącznie elektrody umożliwiające generację wyładowań plazmowych w przestrzeni międzyelektrodowej. Możliwy jest również układ, w którym stosuje się elektrodę ceramiczną pod głowicą, bez walca transportowego. Zatem w prowadzonym procesie obrabiany plazmą atmosferyczną pas dzianiny lub pianki znajduje się w bezpośrednim kontakcie z elektrodą stanowiącą wał transportowy i jest skierowany obrabianą powierzchnią w kierunku głowicy do generowania plazmy niskotemperaturowej.

Proces obróbki plazmą atmosferyczną dzianiny w etapie 12 prowadzi się utrzymując moc wyładowań:

- dla dzianiny wiskozowej: od 1200 do 2600 W/m²min, korzystnie 2400 W/m²min (jednostka określa moc wyładowań w stosunku do powierzchni i czasu oddziaływania);

- dla dzianiny poliestrowej: od 400 do 1300 W/m²min, korzystnie 1200 W/m²min (jednostka określa moc wyładowań w stosunku do powierzchni i czasu oddziaływania).

Proces obróbki plazmą atmosferyczną folii poliuretanowej w etapie 21 prowadzi się utrzymując moc wyładowań od 2000 do 2500 W/m²min, korzystnie 2000 W/m²min (jednostka określa moc wyładowań w stosunku do powierzchni i czasu oddziaływania).

Obróbka plazmą atmosferyczną powierzchni folii plazmą atmosferyczną przyczynia się znacznie do zwiększenia przyczepności nanoszonych następnie struktur elektroprzewodzących, a tym samym zwiększenia trwałości laminatu. Wytrzymałość naniesienia struktur elektroprzewodzących badano poprzez nalepienie na folię z nadrukowanymi strukturami elektroprzewodzącymi taśmy samoprzylepnej Scotch 600 (zgodnie z normą ASTM F2252-03), a następnie jej oderwanie - struktury pozostały na folii, nie przechodząc na taśmę (podczas gdy dla analogicznej folii pokrytej analogicznym atramentem, lecz bez uprzedniej obróbki plazmą atmosferyczną, obserwowano przejście struktur z folii na taśmę).

Obróbkę plazmą atmosferyczną prowadzi się w kroku 21 w atmosferze sterylnej mieszaniny gazowej zawierającej azot - jako gaz obojętny oraz tlen - jako gaz aktywny w stosunku objętościowym N2O2 od 7,5:2,5 do 8,5:1,5, korzystnie 8:2, uzyskanej ze zmieszania ze sobą gazów technicznych. Zastosowanie w procesie modyfikacji powierzchniowej dzianin plazmą atmosferyczną korzystnej mocy wyładowań aplikowanej na powierzchnię obrabianego materiału oraz odpowiedniego czasu oddziaływania wyładowań, jak podano powyżej, w istotnym stopniu zwiększało poziom zwilżalności dzianiny a wynikowo adhezję powierzchniową obrabianego materiału (ponad dwukrotny wzrost wytrzymałości złącza klejowego na oddzieranie, potwierdzony wynikami badań laboratoryjnych).

PL 235 407 B1

P r z y k ł a d 1

Wytworzono laminat dwuwarstwowy z dzianiny wiskozowej i folii poliuretanowej. Dzianinę wiskozową poddano jednostronnej obróbce plazmą atmosferyczną utrzymując moc wyładowań równą 2400 W/m²min, a folię poliuretanową poddano jednostronnej obróbce plazmą atmosferyczną utrzymując moc wyładowań równą 2000 W/m²min.

P r z y k ł a d 2

Wytworzono laminat trójwarstwowy z dzianiny wiskozowej i folii poliuretanowej. Dwie warstwy dzianiny wiskozowej poddano jednostronnej obróbce plazmą atmosferyczną utrzymując moc wyładowań równą 2400 W/m²min, a folię poliuretanową poddano jednostronnej obróbce plazmą atmosferyczną utrzymując moc wyładowań równą 2000 W/m²min.

P r z y k ł a d 3

Wytworzono laminat z dzianiny poliestrowej i folii poliuretanowej. Dzianinę poliestrową poddano jednostronnej obróbce plazmą atmosferyczną utrzymując moc wyładowań równą 1200 W/m²min, a folię poliuretanową poddano jednostronnej obróbce plazmą atmosferyczną utrzymując moc wyładowań równą 2000 W/m²min.

P r z y k ł a d 4

Wytworzono laminat trójwarstwowy z dzianiny poliestrowej i folii poliuretanowej. Dwie warstwy dzianiny poliestrowej poddano jednostronnej obróbce plazmą atmosferyczną utrzymując moc wyładowań równą 1200 W/m²min, a folię poliuretanową poddano jednostronnej obróbce plazmą atmosferyczną utrzymując moc wyładowań równą 2000 W/m²min.

P r z y k ł a d 5

Wytworzono laminat trójwarstwowy z dzianiny poliestrowej, dzianiny wiskozowej i folii poliuretanowej. Jedną warstwę dzianiny poliestrowej poddano jednostronnej obróbce plazmą atmosferyczną utrzymując moc wyładowań równą 1200 W/m²min, drugą warstwę dzianiny wiskozowej poddano jednostronnej obróbce plazmą atmosferyczną utrzymując moc wyładowań równą 2400 W/m²min, a folię poliuretanową poddano jednostronnej obróbce plazmą atmosferyczną utrzymując moc wyładowań równą 2000 W/m²min.

We wszystkich przypadkach zaobserwowano lepszą przyczepność struktur elektroprzewodzących do folii (brak pozostałości atramentu na taśmie Scotch), jak również lepszą przyczepność folii do dzianiny, w porównaniu z laminatami wytworzonymi w analogicznym procesie, z pominięciem obróbki plazmą atmosferyczną.

Claims (3)

1. Sposób wytwarzania laminatu z dzianiny i folii poliuretanowej ze strukturami elektroprzewodzącymi, w którym na stronę dzianiny przeznaczoną jako stronę wewnętrzną laminatu nanosi się klej w technologii hot-melt i łączy się dzianinę z folią poliuretanową za pomocą walców dociskowych, znamienny tym, że:

- dzianinę, od strony na którą nanosi się klej, poddaje się przed naniesieniem kleju uprzedniej obróbce plazmą atmosferyczną;

- natomiast folię, od strony na którą nanosi się struktury elektroprzewodzące, poddaje się przed naniesieniem tych struktur obróbce plazmą atmosferyczną, utrzymując moc wyładowań w zakresie od 2000 do 2500 W/m²min, po czym nanosi się w technologii druku ink-jet lub sitodruku struktury elektroprzewodzące z atramentu elektroprzewodzącego opartego o nanocząstki srebra, które następnie poddaje się obróbce termicznej, podgrzewając atrament elektroprzewodzący do temperatury spiekania danego atramentu.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się dzianinę wiskozową, którą poddaje się obróbce plazmą atmosferyczną utrzymując moc wyładowań w zakresie od 1200 do 2600 W/m²min.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się dzianinę poliestrową, którą poddaje się obróbce plazmą atmosferyczną utrzymując moc wyładowań w zakresie od 400 do 1300 W/m²min.