WO2005002830A1 - Kunststoffkörper mit mikrostrukturierter oberfläche - Google Patents

Kunststoffkörper mit mikrostrukturierter oberfläche Download PDF

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WO2005002830A1
WO2005002830A1 PCT/EP2004/004202 EP2004004202W WO2005002830A1 WO 2005002830 A1 WO2005002830 A1 WO 2005002830A1 EP 2004004202 W EP2004004202 W EP 2004004202W WO 2005002830 A1 WO2005002830 A1 WO 2005002830A1
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plastic
structural
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structural layer
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Hans Lorenz
Helmut Häring
Volker Mende
Christoph Krohmer
Werner Höss
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Röhm GmbH & Co. KG
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Definitions

  • the invention relates to plastic bodies with a microstructured surface, a process for their production and their uses.
  • DE 36 09 541 A1 describes a reduced flow resistance due to a surface with a reduced wall shear stress of a turbulent flow body with grooves running in the flow direction, which are separated from one another by sharp-edged ribs.
  • the ribs are not arranged in parallel rows in parallel, but offset from each other.
  • EP 0 846 617 A2 describes a surface for a wall over which a flow has a main flow direction, with ribs oriented in the flow direction and laterally spaced from the main flow direction, the height of which is 45 to 60% of the rib spacing.
  • the ribs are wedge-shaped with a wedge angle of 20 trained up to 50 °.
  • the valleys between the rows can be flat or curved.
  • DE 44 07468 A1 describes a process for the extrusion of plastic sheets with a very finely structured surface by means of an extrusion system equipped with an extruder and a three-roll smoothing unit containing a roll with a structuring surface, characterized in that the system is designed for coextrusion and the Plastic sheets are structured on two extruders as a coextrudate from a high-viscosity base molding compound and an extruded low-viscosity molding compound and superficially structured using the three-roller smoothing unit.
  • Suitable thermoplastics are polyacrylates, in particular polymethyl methacrylate, polycarbonate, polyolefins, LDPE, HDPE, polypropylene, polyethylene terephthalate, polyvinyl chloride, polystyrene or polyamide.
  • the low-viscosity molding compound can consist of the same type of plastic as the basic molding compound, but it can also consist of a plastic that is sufficiently compatible with it.
  • the low-viscosity molding compound can advantageously release agents, for. B. higher alcohols in amounts of z. B. up to 0.34 wt .-%.
  • the ratio of the melt viscosity index MFR (DIN 57 735 or ASTM 1238-70) of the two molding compositions is approximately 1 to 10.
  • the temperature of the embossing roller is preferably up to 70 ° C. above the glass transition temperature of the low-viscosity molding composition. It can be advantageously plastic panels with very fine textures such. B. produce linear or centric Fresnel lenses or semiholograms.
  • EP-A 1 189 987 describes an impact-modified polymethacrylate molding composition, characterized by a Vicat softening temperature according to ISO 306 (B 50) of at least 90 ° C., a notched impact strength KSZ (Charpy) according to ISO 179 / 1eA of at least 3.0 KJ / m 2 at 23 ° C, and a melt flow rate MVR (230 ° C / 3.8 kg) according to ISO 1133 of at least 11 min cm 3/10, obtainable by mixing a ) 80 to 98% by weight of an impact modified polymethacrylate molding composition with b) 20 to 2% by weight of a low molecular weight polymethacrylate molding composition in the melt, the schiaggähten molding composition from 70 to 99 wt .-% from a matrix of 80 up to 100% by weight of free-radically polymerized methyl methacrylate units and optionally 0 to 20% by weight of further free-radically polymerizable comonomers and contains 1 to 30% by
  • DE 4407468 A1 describes a process for the extrusion of plastic sheets with a very finely structured surface, such as. B. Fresnel lenses. However, it has been shown that even finer structures, in particular microstructures, can no longer be reproduced completely satisfactorily. It was therefore seen as an object to improve the method of DE 4407468 A1 so that it can also be used to produce plastic bodies with finely imaged microstructured surfaces.
  • Process for the production of a plastic body with a microstructured surface by producing a composite from a carrier layer made of a thermoplastic or thermoelastic plastic with one or more structural layers, characterized in that the structural layer or the structural layers consist of 1 to 100% by weight of a polymethacrylate molding compound consists of 80 to 100 wt .-% of radically polymerized methyl methacrylate units and 0 to 20 wt .-% of other radically polymerizable comonomers and an average molecular weight (weight average) of 30,000 g / mol to 70,000 g / mol having
  • a polymethacrylate molding composition which comprises 80 to 100% by weight of free-radically polymerized methyl methacrylate units and 0 to 20% by weight of further free-radicals polymerizable comonomers and has an average molecular weight (weight average) Mw of 90,000 g / mol to 200,000 g / mol
  • the structure layer or the structure layers are microstructured by known structuring processes.
  • the invention further relates to the plastic body itself and its uses.
  • the solution is based on a modification of the plastic of the structural layer.
  • the structural layer can be made wholly or in part from a low molecular weight polymethyl methacrylate molding composition as described in EP-A 1 189 987 for the purpose of modifying the flow properties of impact-modified polymethacrylate molding compositions for injection molding.
  • a low molecular weight polymethyl methacrylate molding composition as described in EP-A 1 189 987 for the purpose of modifying the flow properties of impact-modified polymethacrylate molding compositions for injection molding.
  • the low molecular weight molding composition described there alone or in a mixture with higher molecular weight molding compositions, would be particularly suitable for transferring microstructures by means of molding processes.
  • the method according to the invention comprises the production of a plastic body with a microstructured surface by producing a composite from a carrier layer made of a thermoplastic or thermoelastic plastic with one or more structural layers which have a lower melt viscosity than that of the carrier layer.
  • a microstructured surface is to be understood as a surface which has microstructures with geometry sizes in the range from 1 to 1000, preferably 2 to 500, in particular from 5 to 200 ⁇ m. Among geometry sizes are z. B. to understand heights, radii, diameter and / or roughness with which micro structures such. B. grooves, nubs, pyramids, ribs, prism structures and the like can be described.
  • the microstructures can have aspect ratios from height to width of 0.3 to 10, preferably 0.5 to 5 and in particular 0.7 to 3
  • a microstructured surface should also be understood to mean the design of macrostructures in their microstructure.
  • the edge radius or the tip of prism or pyramid macrostructures in turn represent microstructures and can likewise be reproduced very precisely using the method according to the invention.
  • the production of a plastic body according to the invention with a microstructured surface is carried out by producing a composite from a backing layer made of a thermoplastic or thermoelastic plastic with one or more structural layers that have or have a lower melt viscosity than that of the backing layer.
  • carrier layer and structural layer can be made by means of plastic processing techniques known per se, for. B. by coextrusion, laminating the structural layer on the support layer or painting the structural layer on the support layer.
  • the backing layer can be made by means of plastic processing techniques known per se, for. B. by coextrusion, laminating the structural layer on the support layer or painting the structural layer on the support layer.
  • the carrier layer supports the structural layer or the structural layers.
  • the plastic of the carrier layer generally has a higher melt viscosity than the plastic of a structural layer.
  • the carrier layer can have a practically any layer thickness, for. B. in the range of 0.4 to 100, preferably from 0.05 to 10 and particularly preferably from 0.07 to 8 mm.
  • the carrier layer can have virtually any shape and z.
  • the plastic of the carrier layer can, for. B. cast or extruded polymethyl methacrylate plastic, impact modified polymethyl methacrylate, polycarbonate plastic, polystyrene plastic, styrene-acrylic-nitrile plastic, polyethylene terephthalate plastic, glycol-modified polyethylene terephthalate plastic, polyvinyl chloride plastic, polyolefin plastics such as polyethylene or polypropylene, Acrylonitrile-butadiene-stryrene (ABS) plastic or a mixture (blends) of different thermoplastics.
  • ABS Acrylonitrile-butadiene-stryrene
  • the carrier layer preferably consists of a polymethyl methacrylate plastic or a plastic compatible with polymethyl methacrylate. This ensures a good connection of the structural layer or the structural layers made of polymethyl methacrylate.
  • a carrier layer made of a polymethacrylate molding composition which comprises 80 to 100, preferably 95 to 99% by weight of free-radically polymerized methyl methacrylate units and 0 to 20, preferably 1 to 5% by weight of further free-radically polymerizable comonomers and has an average molecular weight (weight average) Mw of 90,000 to 200,000, in particular from 120,000 to 190,000 (g / mol), particularly preferably from 150,000 to 190,000.
  • Preferred comonomers are C 1 -C 4 -alkyl (meth) acrylates, in particular methyl acrylate, ethyl acrylate or butyl methacrylate.
  • a molding composition of 95 to 99% by weight of methyl methacrylate and 1 to 5% by weight of methyl acrylate is particularly preferred.
  • the plastic of the carrier layer can have a viscosity number ( ⁇ S p / c ) measured in chloroform according to ISO 1628 part 6 in the range from 50 to 80 ml / g, preferably 70-75 ml / g, corresponding to an average molecular weight IVIw (weight average) of 90,000 to 200,000, preferably from 100,000 to 130,000 or from 130,000 to 160,000, in particular from 150,000 to 190,000.
  • the carrier layer can also consist of a plastic which is incompatible or poorly compatible with polymethyl methacrylate.
  • the incompatibility of the plastics can also be used to separate the bond after the microstructuring has been applied. This can be beneficial to create thin embossed foils the backing layer only serves to absorb the opposing forces during stamping.
  • Adhesion-imparting layers have adhesive properties to both plastics to be bonded.
  • a polymethyl methacrylate layer can be connected to a plastic which is incompatible with polymethyl methacrylate via an adhesion-promoting layer which, for. B. alcohol or ether functions or epoxy groups z. B. from glycidyl methacrylate residues.
  • a suitable adhesion promoter can e.g. B. a silane, such as. B. Methacryloyloxypropyl trimethoxysilane (MEMO). Suitable adhesion promoters for the various plastic combinations are familiar to the person skilled in the art.
  • the structural layer is used to image microstructures in the course of producing the composite with the carrier layer, in particular in the coextrusion process, or at any later point in time, preferably when the composite was produced by lamination or painting.
  • the support layer can be coated on one or more sides with the structural layer.
  • the structure layer can have a layer thickness in the range of z. B. 1 to 1000, preferably from 2 to 500 and particularly preferably from 5 to 200 microns.
  • the structural layer consists of 1 to 100, preferably 20 to 80, particularly preferably 30 to 70% by weight of a polymethacrylate molding composition, and 80 to 100, preferably 95 to 100% by weight of free-radically polymerized methyl methacrylate units and contains 0 to 20, preferably 0 to 5% by weight of further free-radically polymerizable comonomers and has an average molecular weight (weight average) I w of 30,000 g / mol to 70,000 g / mol.
  • the low molecular weight polymethacrylate molding composition preferably has a viscosity number ( ⁇ S p / c) measured in chloroform according to ISO 1628 part 6 in the range from 25 to 35 ml / g, preferably 27-33 ml / g, corresponding to an average molecular weight Mw (weight average ) from 30,000 to 70,000, especially 40,000 to 60,000.
  • ⁇ S p / c viscosity number measured in chloroform according to ISO 1628 part 6 in the range from 25 to 35 ml / g, preferably 27-33 ml / g, corresponding to an average molecular weight Mw (weight average ) from 30,000 to 70,000, especially 40,000 to 60,000.
  • the molecular weight can e.g. B. by the differential scanning chromatography method (DSC) or by gel chromatography using Polymethyl methacrylate calibration standards or calibration lines that correlate with the viscosity number are determined.
  • DSC differential scanning chromatography method
  • Polymethyl methacrylate calibration standards or calibration lines that correlate with the viscosity number are determined.
  • the proportion of the above-mentioned low molecular weight molding compound is less than 100% by weight, there is a mixture with up to 99% by weight, preferably 80 to 20, particularly preferably 70 to 30% by weight of a polymethacrylate molding compound which 80 to 100, preferably 80 to 95, in particular 82 to 88% by weight of free-radically polymerized methyl methacrylate units and 0 to 20% by weight of further free-radically polymerizable comonomers and an average molecular weight (weight average) of 90,000 to 200,000, in particular from 100,000 to 150,000 (g / mol).
  • a molding composition of 80 to 98, particularly preferably 82 to 88% by weight of methyl methacrylate and 2 to 20, particularly preferably 12 to 18% by weight of methyl acrylate is preferred.
  • the higher molecular weight polymethacrylate molding composition preferably has a viscosity number ( ⁇ s / c ) measured in chloroform according to ISO 1628 part 6 in the range from 50 to 80 ml / g, preferably 50-55 ml / g, corresponding to an average molecular weight I w (weight average ) from 90,000 to 200,000, in particular 100,000 to 150,000.
  • ⁇ s / c measured in chloroform according to ISO 1628 part 6 in the range from 50 to 80 ml / g, preferably 50-55 ml / g, corresponding to an average molecular weight I w (weight average ) from 90,000 to 200,000, in particular 100,000 to 150,000.
  • the other comonomers are, in principle, not critical to the feasibility of the invention, provided that they do not contain any other functional groups, such as, for example, the functional vinyl group arising in the radical polymerization.
  • Suitable comonomers are e.g. B. esters of methacrylic acid (e.g. ethyl methacrylate, butyl methacrylate, hexyl methacrylate, cyclohexyl methacrylate), esters of acrylic acid (e.g.
  • Preferred comonomers are C to C 4 alkyl (meth) acrylates, in particular methyl acrylate, ethyl acrylate or butyl methacrylate.
  • the structure layer can have a layer thickness in the range of z. B. 1 to 1000, preferably from 2 to 500 and particularly preferably from 5 to 200 microns.
  • the microstructured surface of the structural layer is formed by known structuring methods, e.g. B. embossing, hot stamping, structuring prints or tapes, finite or endless tapes.
  • microstructures can be embossed into the structure layer or into the structure layers by means of one or more embossing rollers after the exit of a coextrudate consisting of the melts of the carrier layer and the structure layer from the extrusion nozzle of an extrusion system in the melt state in a connected roller smoothing unit.
  • microstructures can also be transferred into the already solidified structural layer by subsequent hot stamping. It offers especially when the composites were produced by laminating or painting.
  • Plastic bodies are preferably available that are a composite of a carrier layer and one or more microstructured structural layers. According to the invention, however, plastic bodies are also available which, in the event of subsequent separation of the structural layer and the carrier layer, consist only of the microstructured structural layer.
  • the plastic body according to the invention can be a solid plate or a film, a corrugated plate, a hollow chamber plate, in particular a double wall plate, a multiple plate or a truss plate or a tube or a rod in an angular, round, elliptical or oval shape.
  • the plastic body according to the invention can advantageously be used, for. B. as components with friction-reducing surfaces for reducing the friction of air or water flows on surfaces of (air, water or land) vehicles or as lines and containers for reducing the friction of fluid flows with fast-flowing fluids in pipes and containers, for the targeted mixing of fluids , for the production of surfaces with modified acoustic properties, for the production of micro- or nanotiter plates, for reducing the adhesion of contaminants on surfaces worth protecting, as antimicrobial Surfaces, as light-guiding, light-directing, refractive and / or diffuse light-scattering surfaces and / or as anti-reflective surfaces.
  • the method according to the invention makes it possible to produce plastic bodies with microstructured surfaces on one or more sides.
  • finer structures can be reproduced compared to known methods.
  • the advantageous improvements in the imaging properties can, for. B. understand microscopically.
  • groove widths in the range from 10 to 20 ⁇ m can be easily implemented.
  • such grooves can be shown in width when using embossing layers of the prior art, but are undesirably depicted as a whole and especially rounded on the top, so that the aspect ratios mostly remain below 1. Improvements in the imaging of pimple-like depressions in the order of magnitude of z. B. only 1 micron determine, the mountain and valley structures are mapped more regularly and pronounced, so that they almost correspond to the intended embossed structure.
  • the good reproducibility of the embossed structures in the structural layer makes it possible to work with comparatively lower embossing pressures than was previously possible. This opens it up to thinner and / or softer backing layers, e.g. B. backing layers of polymethyl methacrylate plastics with lower average molecular weights M w , z. B. from 100,000 to 150,000. This increases the number of suitable material combinations.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffkörpers mit mikrostrukturierter Oberfläche durch Herstellen eines Verbundes aus einer Trägerschicht aus einem thermoplastischen oder thermoelastischen Kunststoff mit einer oder mehreren Strukturschichten, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturschicht die Strkturschichten zu 1 bis 100 Gew.-% aus einer Polymethacrylat-Formmasse besteht, die zu 80 bis 100 Gew.-% aus radikalisch polymerisierten Methylmethacrylat-Einheiten und zu 0 bis 20 Gew.-% aus weiteren radikalisch polymerisierbarer Comonomeren enthält und ein mittleres Molekulargewicht (Gewichtsmittel) Mw von 30.000 g/mol bis 70.000 g/mol aufweist und gegebenenfalls in Mischung mit bis zu 99 Gew.-% einer Polymethacrylat-Formmasse vorliegt, die zu 80 bis 100 Gew.-% aus radikalisch polymerisierten Methylmethacrylat-Einheiten und zu 0 bis 20 Gew.-% aus weiteren radikalisch polymerisierbarer Comonomeren besteht und ein mittleres Molekulargewicht (Gewichtsmittel) Mw von 90.000 g/mol bis 200.000 g/mol aufweist und die Strukturschicht bzw. die Strukturschichten nach Herstellung des Verbundes eine Mikrostrukturierung durch bekannte strukturgebende Verfahren erhält. Die Erfindung betrifft weiterhin die erfindungsgemäss herstellbaren Kunststoffkörper selbst, sowie deren Verwendungen.

Description

Kunststoffkörper mit mikrostrukturierter Oberfläche
Die Erfindung betrifft Kunststoffkörper mit mikrostrukturierter Oberfläche, ein Verfahren zu ihrer Herstellung sowie deren Verwendungen.
Stand der Technik
Auf technischem Wege hergestellte Festkörper mit mikrostrukturierten Oberflächen sind an sich bekannt und folgen dem aus der Natur unter anderem von der Haifischhaut bekannten reibungsvermindernden physikalischen Prinzip. Sie werden in Folge trivial teils auch als „Haifischhäute" bezeichnet. Bei geeigneter Strukturierung kann bei turbulenter Überströmung mit einem Gas oder einer Flüssigkeit eine Verminderung des Reibungs- bzw. Strömungswiderstandes beobachtet werden.
DE 36 09 541 A1 beschreibt einen verminderten Strömungswiderstand durch eine, eine herabgesetzte Wandschubspannung aufweisende Oberfläche eines turbulent überströmten Körpers mit in Strömungsrichtung verlaufenden Rillen, die durch scharfkantig ausgebildete Rippen voneinander getrennt sind. Die Rippen sich dabei nicht in durchgängigen Reihen parallel sondern jeweils gegeneinander versetzt angeordnet.
EP 0 846 617 A2 beschreibt eine Oberfläche für eine von einer Strömungshauptrichtung aufweisenden Strömung turbulent überströmten Wand, mit in der Strömungsrichtung ausgerichteten und seitlich zu der Strömungshauptrichtung beabstandeten Rippen, deren Höhe 45 bis 60 % des Rippenabstands beträgt. Die Rippen sind keilförmig mit einem Keilwinkel von 20 bis 50° ausgebildet. Die Täler zwischen den Reihen können eben oder gewölbt sein.
DE 44 07468 A1 beschreibt ein Verfahren zur Extrusion von Kunststoff-Tafeln mit sehr fein strukturierter Oberfläche mittels einer mit Extruder und einem Dreiwalzen-Glättwerk, enthaltend eine Walze mit strukturgebender Oberfläche, ausgestatteten Extrusionsanlage, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage zur Coextrusion ausgelegt ist und die Kunststofftafeln über zwei Extruder als Coextrudat aus einer hochviskosen Basisformmasse und einer aufextrudierten niedrigviskosen Formmasse und über das Dreiwalzen-Glättwerk oberflächlich strukturiert werden. Als thermoplastischen Kunststoffe kommen Polyacrylate, insbesondere Polymethylmethacrylat, Polycarbonat, Polyolefine, LDPE, HDPE, Polypropylen, Polyethylentherephthalat, Polyvinylchlorid, Polystyrol oder Polyamid in frage. Die niedrigviskose Formmasse kann aus demselben Kunststofftyp bestehen wie die Basisformmasse, sie kann aber auch aus einem mit diesem hinreichend kompatiblen Kunststoff bestehen. Vorteilhafterweise kann die niedrigviskose Formmasse Trennmittel, z. B. höhere Alkohole in Mengen von z. B. bis 0,34 Gew.-% enthalten. Das Verhältnis der Schmelzviskositätsindices MFR (DIN 57 735 bzw. ASTM 1238-70) der beiden Formmassen beträgt ca. 1 zu 10. Bevorzugt liegt die Temperatur der Prägewalze bis zu 70 °C über der Glastemperatur der niedrigviskosen Formmasse. Es lassen sich vorteilhafterweise Kunststoff-Tafeln mit sehr fein ausgeprägten Strukturierungen wie z. B. linearen oder zentrischen Fresnel- Linsen oder Semihologrammen herstellen.
EP-A 1 189 987 beschreibt eine schlagzähmodifizierte Polymethacrylat- Formmasse, charakterisiert durch eine Vicat-Erweichungstemperatur nach ISO 306 (B 50) von mindestens 90 °C, eine Kerbschlagzähigkeit KSZ (Charpy) nach ISO 179/1eA von mindestens 3,0 KJ/m2 bei 23 °C, und eine Fließfähigkeit MVR (230 °C/3,8 kg) nach ISO 1133 von mindestens 11 cm3/10 min, erhältlich durch Mischen von a ) 80 bis 98 Gew.-% einer schlagzäh modifizierten Polymethacrylat-Formmasse mit b) 20 bis 2 Gew.-% einer niedermolekularen Polymethacrylat-Formmasse in der Schmelze, wobei die schiagzähe Formmasse zu 70 bis 99 Gew.-% aus einer Matrix aus 80 bis 100 Gew.-% radikalisch polymerisierten Methylmethacrylat-Einheiten und gegebenenfalls 0 bis 20 Gew.-% weiteren radikalisch polymerisierbaren Comonomeren besteht und 1 bis 30 Gew.-% eines Schlagzähmodifizierungsmittels enthält, und die niedermolekulare Polymethacrylat-Formmasse zu 80 bis 100 Gew.-% aus radikalisch polymerisierten Methylmethacrylat-Einheiten und zu 0 bis 20 Gew.-% aus weitereren radikalisch polymerisierbaren Comonomeren besteht und eine Viskositätszahl (η sp/c) gemessen in Chloroform nach ISO 1628 Teil 6 von 25 bis 35 ml/g aufweist. Das Matrix-Polymerisat kann ein Molekulargewicht Mw im Bereich von von 90.000 g/mol bis 200.000 g/mol aufweisen. Die schlagzäh modifizierte Formmasse kann vorteilhafterweise im Spritzguss verwendet werden.
Aufgabe und Lösung
DE 4407468 A1 beschreibt ein Verfahren zur Extrusion von Kunststoff-Tafeln mit sehr fein strukturierter Oberfläche, wie z. B. Fresnellinsen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß sich noch feinere Strukturen, insbesondere MikroStrukturen nicht mehr völlig befriedigend abbilden lassen. Es wurde daher als Aufgabe gesehen, das Verfahren der DE 4407468 A1 so zu verbessern, daß damit auch Kunststoff körper mit fein abgebildeten mikrostrukturierten Oberflächen herstellen lassen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein
Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffkörpers mit mikrostrukturierter Oberfläche durch Herstellen eines Verbundes aus einer Trägerschicht aus einem thermoplastischen oder thermoelastischen Kunststoff mit einer oder mehrerer Strukturschichten, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturschicht bzw. die Strukturschichten zu 1 bis 100 Gew.-% aus einer Polymethacrylat-Formmasse besteht, die zu 80 bis 100 Gew.-% aus radikalisch polymerisierten Methylmethacrylat-Einheiten und zu 0 bis 20 Gew.-% aus weiteren radikalisch polymerisierbaren Comonomeren besteht und ein mittleres Molekulargewicht (Gewichtsmittel) jVlw von 30.000 g/mol bis 70.000 g/mol aufweist
und gegebenenfalls in Mischung mit bis zu 99 Gew.-% einer Polymethacrylat- Formmasse vorliegt, die zu 80 bis 100 Gew.-% aus radikalisch polymerisierten Methylmethacrylat-Einheiten und zu 0 bis 20 Gew.-% aus weiteren radikalisch polymerisierbaren Comonomeren besteht und ein mittleres Molekulargewicht (Gewichtsmittel) Mw von 90.000 g/mol bis 200.000 g/mol aufweist
und die Strukturschicht bzw. die Strukturschichten nach Herstellung des Verbundes eine Mikrostrukturierung durch bekannte strukturgebende Verfahren erhalten.
Die Erfindung betrifft weiterhin die Kunststoffkörper selbst, sowie deren Verwendungen.
Die Lösung beruht auf einer Modifizierung des Kunststoffes der Strukturschicht. Die Strukturschicht kann dabei ganz oder teilweise aus einer niedermolekularen Polymethylmethacrylat-Formmasse hergestellt werden, wie sie in der EP-A 1 189 987 zum Zwecke der Modifizierung der Fließeigenschaften von schlagzähmodifizierten Polymethacrylat-Formmassen für den Spritzguß beschrieben wird. Es war jedoch nicht vorhersehbar, daß sich die dort beschriebene niedermolekulare Formmasse allein oder in Mischung mit höhermolekularen Formmassen in besondererweise zur Übertragung von MikroStrukturen mittels formgebender Verfahren eignen würde.
Ausführung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt die Herstellung eines Kunststoffkörpers mit mikrostrukturierter Oberfläche durch Herstellen eines Verbundes aus einer Trägerschicht aus einem thermoplastischen oder thermoelastischen Kunststoff mit einer oder mehrerer Strukturschichten, die eine niedrigere Schmelzviskosität als die der Trägerschicht aufweisen. Unter einer mikrostrukturierten Oberfläche ist eine Oberfläche zu verstehen, die MikroStrukturen mit Geometriegrößen im Bereich von 1 bis 1000, bevorzugt 2 bis 500, insbesondere von 5 bis 200 μm aufweisen. Unter Geometriegrößen sind z. B. Höhen, Radien, Durchmesser und/oder Rauigkeiten zu verstehen, mit denen sich MikroStrukturen wie z. B. Rillen, Noppen, Pyramiden, Rippen Prismenstrukturen und dergleichen beschreiben lassen. Die MikroStrukturen können dabei Aspektverhältnisse von Höhe zu Breite von 0,3 bis 10, bevorzugt von 0,5 bis 5 und insbesondere von 0,7 bis 3 aufweisen
Unter einer mikrostrukturierten Oberfläche soll auch die Ausgestaltung von Makrostrukturen in ihrer MikroStruktur verstanden werden. Beispielsweise stellen der Kantenradius oder die Spitze von Prismen- oder Pyramiden- Makrostrukturen für sich wiederum MikroStrukturen dar und lassen sich unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ebenfalls entsprechend sehr genau abbilden.
Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Kunststoff körpers mit mikrostrukturierter Oberfläche erfolgt durch Herstellen eines Verbundes aus einer Trägerschicht aus einem thermoplastischen oder thermoelastischen Kunststoff mit einer oder mehrerer Strukturschichen, die eine niedrigere Schmelzviskosität als die der Trägerschicht aufweist bzw. aufweisen.
Der Verbund von Trägerschicht und Strukturschicht kann mittels an sich bekannter Kunststoffverarbeitungstechniken z. B. durch Coextrusion, Auflaminieren der Strukturschicht auf die Trägerschicht oder Auflackieren der Strukturschicht auf die Trägerschicht bewirkt werden. Die Trägerschicht
Die Trägerschicht stützt die Strukturschicht bzw. die Strukturschichten. Der Kunststoff der Trägerschicht hat in der Regel eine höhere Schmelzviskosität als der Kunststoff einer Strukturschicht.
Die Trägerschicht kann eine praktisch beliebige Schichtdicke z. B. im Bereich von 0,4 bis 100, bevorzugt von 0,05 bis 10 und besonders bevorzugt von 0,07 bis 8 mm aufweisen.
Die Trägerschicht kann praktisch eine beliebige Form aufweisen und z. B. eine massive Platte, eine Folie, eine Hohlkammerpiatte, insbesondere eine Stegdoppelplatte, eine Steg mehrfach platte oder eine Fachwerkplatte oder eine Röhre oder ein Stab in kantiger oder runder Form sein.
Der Kunststoff der Trägerschicht kann z. B. gegossener oder extrudierter Polymethylmethacrylat-Kunststoff, schlagzäh modifiziertes Polymethylmethacrylat, Polycarbonat-Kunststoff, Polystyrol-Kunststoff, Styrol- Acryl-Nitril-Kunststoff, Polyethylentherephthalat-Kunststoff, glykolmodifizierten Polyethylentherephthalat-Kunststoff, Polyvinylchlorid-Kunststoff, Polyolefin- Kunststoffe wie Polyethylen oder Polypropylen, Acrylnitril-Butadien-Stryrol (ABS)-Kunststoff oder eine Mischung (Blends) verschiedener thermoplastischer Kunststoffe sein.
Trägerschicht besteht bevorzugt aus einem Polymethylmethacrylat-Kunststoff oder einem mit Polymethylmethacrylat verträglichen Kunststoff. Dadurch wird eine gute Anbindung der Strukturschicht bzw. der Strukturschichten aus Polymethylmethacrylat gewährleistet. Bevorzugt ist eine Trägerschicht aus einer Polymethacrylat-Formmasse, die zu 80 bis 100, bevorzugt zu 95 bis 99 Gew.-% aus radikalisch polymerisierten Methylmethacrylat-Einheiten und zu 0 bis 20, bevorzugt 1 bis 5 Gew.-% aus weiteren radikalisch polymerisierbarer Comonomeren besteht und ein mittleres Molekulargewicht (Gewichtsmittel) Mw von 90.000 bis 200.000, insbesondere von 120.000 bis 190.000 (g/mol), besonders bevorzugt von 150.000 bis 190.000 aufweist. Bevorzugte Comonomere sind Ci- bis C4-Alkyl(meth)acrylate, insbesondere Methylacrylat, Ethylacrylat oder Butylmethacrylat. Besonders bevorzugt ist eine Formmasse aus 95 bis 99 Gew.-% Methyl methacrylat und 1 bis 5 Gew.-% Methylacrylat.
Der Kunststoff der Trägerschicht kann eine Viskositätszahl (ηSp/c) gemessen in Chloroform nach ISO 1628 Teil 6 im Bereich von 50 bis 80 ml/g, bevorzugt 70 - 75 ml/g auf, entsprechend einem mittleren Molekulargewicht IVIw (Gewichtsmittel) von 90.000 bis 200.000, bevorzugt von 100.000 bis 130.000 oder von 130.000 bis 160.000, insbesondere von 150.000 bis 190.000 aufweisen.
Die Trägerschicht kann jedoch auch aus einem nicht oder schlecht mit Polymethylmethacrylat verträglichen Kunststoff bestehen. In diesem Fall ist es jedoch zweckmäßig die Trägerschicht mit einer coextrudierten, laminierten oder auflackierten, haftvermittelnden Zwischenschicht auszustatten, damit eine gute Anbindung der Strukturschicht aus Polymethylmethacrylat gewährleistet wird.
Gegebenenfalls kann die Unverträglichkeit der Kunststoffe auch ausgenutzt werden, um den Verbund nach dem Aufbringen der Mikrostrukturierung wieder zu trennen. Dies kann von Vorteil sein, um dünne geprägte Folien zu erzeugen, wobei die Trägerschicht lediglich dazu dient, die Gegenkräfte beim Prägen aufzunehmen.
Haftvermittelnde Schichten weisen Haftungseigenschaften zu beiden zu verbindenden Kunststoffen auf. Beispielweise kann eine Polymethylmethacrylat-Schicht mit einem mit Polymethylmethacrylat unverträglichen Kunststoff über eine haftvermittelnde Schicht verbunden werden, die z. B. Alkohol oder Etherfunktionen aufweist oder Epoxygruppen z. B. aus Glycidyl-Methacrylat-Resten besitzt. Ein geeigneter Haftvermittler kann z. B. ein Silan, wie z. B. Methacryloyloxypropyl-Trimethoxysilan (MEMO) sein. Dem Fachmann sind geeignete Haftvermittler für die verschiedenen Kunststoffkombinationen geläufig.
Die Strukturschicht
Die Strukturschicht dient der Abbildung von MikroStrukturen im Zuge Herstellung des Verbundes mit der Trägerschicht, insbesondere beim Coextrusionsverfahren, oder zu einem beliebigen späteren Zeitpunkt, bevorzugt dann wenn der Verbund durch Laminieren oder Lackieren hergestellt wurde. Die Trägerschicht kann ein- oder mehrseitig mit der Strukturschicht beschichtet sein.
Die Strukturschicht kann eine Schichtdicke im Bereich von z. B. 1 bis 1000, bevorzugt von 2 bis 500 und besonders bevorzugt von 5 bis 200 μm aufweisen.
Die Strukturschicht besteht zu 1 bis 100, bevorzugt zu 20 bis 80, besonders bevorzugt zu 30 bis 70 Gew.-% aus einer Polymethacrylat-Formmasse, die zu 80 bis 100, bevorzugt 95 bis 100 Gew.-% aus radikalisch polymerisierten Methylmethacrylat-Einheiten und zu 0 bis 20, bevorzugt 0 bis 5 Gew.-% aus weiteren radikalisch polymerisierbarer Comonomeren enthält und ein mittleres Molekulargewicht (Gewichtsmittel) I w von 30.000 g/mol bis 70.000 g/mol aufweist.
Die niedermolekulare Polymethacrylat-Formmasse weist bevorzugt eine Viskositätszahl (ηSp/c) gemessen in Chloroform nach ISO 1628 Teil 6 im Bereich von 25 bis 35 ml/g, bevorzugt 27 - 33 ml/g auf, entsprechend einem mittleren Molekulargewicht Mw (Gewichtsmittel) von 30.000 bis 70.000, insbesondere 40.000 bis 60.000.
Das Molekulargewicht kann z. B. nach der Differential-Scanning- Chromatographie Methode (DSC) oder durch Gelchromatographie anhand von Polymethylmethacrylat-Eichstandards bzw. Eichgeraden, die mit der Viskositätszahl korrelieren, bestimmt werden.
Wenn der Anteil der oben genannten niedermolekularen Formmasse geringer als 100 Gew.-% ist, liegt eine Mischung mit bis zu 99 Gew.-%, bevorzugt 80 bis 20, besonders bevorzugt 70 bis 30 Gew.-% einer Polymethacrylat-Formmasse vor, die zu 80 bis 100, bevorzugt zu 80 bis 95, insbesondere zu 82 bis 88 Gew.- % aus radikalisch polymerisierten Methylmethacrylat-Einheiten und zu 0 bis 20 Gew.-% aus weiteren radikalisch polymerisierbaren Comonomeren besteht und ein mittleres Molekulargewicht (Gewichtsmittel) jVjw von 90.000 bis 200.000, insbesondere von 100.000 bis 150.000 (g/mol) aufweist. Bevorzugt ist eine Formmasse aus 80 bis 98, besonders bevorzugt aus 82 bis 88 Gew.-% Methylmethacrylat und 2 bis 20, besonders bevorzugt 12 bis 18 Gew.-% Methylacrylat.
Die höhermolekulare Polymethacrylat-Formmasse weist bevorzugt eine Viskositätszahl (ηs /c) gemessen in Chloroform nach ISO 1628 Teil 6 im Bereich von 50 bis 80 ml/g, bevorzugt 50 - 55 ml/g auf, entsprechend einem mittleren Molekulargewicht I w (Gewichtsmittel) von 90.000 bis 200.000, insbesondere 100.000 bis 150.000.
Die weiteren Comonomere sind im Prinzip nicht kritisch für die Ausführbarkeit der Erfindung, sofern sie außer der in der radikalischen Polymerisation aufgehenden funktioneilen Vinylgruppe keine weiteren funktionellen Gruppen, wie z. B. Säure- oder Hydroxygruppen, aufweisen. Geeignete Comonomere sind z. B. Ester der Methacrylsäure (z. B. Ethylmethacrylat, Butylmethacrylat, Hexylmethacrylat, Cyclohexylmethacrylat), Ester der Acrylsäure (z. B. Methylacrylat, Ethylacrylat, Butylacrylat, Hexylacrylat, Cyclohexylacrylat) oder Styrol und Styrolderivate, wie beispielsweise α-Methylstyrol oder p-Methylstyrol Bevorzugte Comonomere sind C bis C4-Alkyl(meth)acrylate, insbesondere Methylacrylat, Ethylacrylat oder Butylmethacrylat.
Die Strukturschicht kann eine Schichtdicke im Bereich von z. B. 1 bis 1000, bevorzugt von 2 bis 500 und besonders bevorzugt von 5 bis 200 μm aufweisen.
Aufbringen der MikroStruktur
Die mikrostrukturierte Oberfläche der Strukturschicht wird durch bekannte strukturgebende Verfahren, z. B. Prägen, Heißprägen, strukturierende Abzüge oder Bänder, endliche oder endlose Bänder, erhalten.
Die Herstellung von Festkörper bzw. entsprechender Formteile, insbesondere aus Metall zur Abbildung von MikroStrukturen auf Kunststoffen ist bekannt, z. B. im Urformverfahren, Umformverfahren, abtragende Bearbeitung oder Abscheidetechnik, durch Prägeverfahren, spanabhebende Bearbeitung, Gießen, Spritzgießen, energiereiche Strahlung (z. B. Laserstrahlen) oder Photoätztechnik etc..
Die MikroStrukturen können nach dem Austritt eines Coextrudats, bestehend aus den Schmelzen der Trägerschicht und der Strukturschicht aus der Extrusionsdüse einer Extrusionsanlage im Schmelzezustand in einem angeschlossenen Walzenglättwerk mittels einer oder mehrerer Prägewalzen in die Strukturschicht bzw. in die Strukturschichten eingeprägt werden.
Die MikroStrukturen können auch durch nachträgliches Heißprägen in die bereits erstarrte Strukturschicht übertragen werden. Die bietet sich insbesondere an, wenn die Verbünde durch Laminieren oder Lackieren hergestellt wurden.
Kunststoffkörper
Bevorzugt sind Kunststoff körper erhältlich, die ein Verbund aus einer Trägerschicht und einer oder mehrerer mikrostrukturierten Strukturschichten sind. Erfindungsgemäß sind jedoch auch Kunststoffkörper erhältlich, die im Falle nachträglicher Trennung der Strukturschicht und der Trägerschicht nur aus der mikrostrukturierten Strukturschicht bestehen.
Bei dem erfindungsgemäßen Kunststoffkörper kann es sich um eine massive Platte oder eine Folie, eine Wellplatte, eine Hohlkammerplatte, insbesondere eine Stegdoppelplatte, eine Stegmehrfachplatte oder eine Fachwerkplatte oder um eine Röhre oder einen Stab in kantiger, runder, eliptischer oder ovaler Form handeln.
Verwendungen
Die erfindungsgemäßen Kunststoffkörpers können vorteilhaft verwendet werden z. B. als Bauteile mit reibungsreduzierenden Oberflächen zur Reibungsreduzierung von Luft- oder Wasserströmungen an Oberflächen von (Luft-, Wasser- oder Land-) Fahrzeugen oder als Leitungen und Behälter zur Reibungsreduzierung von Fluidströmungen bei schnellfließenden Fluiden in Leitungen und Behältern, zur gezielten Vermischung von Fluiden, zur Herstellung von Oberflächen mit modifizierten akustischen Eigenschaften, zur Herstellung von Mikro- oder Nanotiterplatten, zur Haftungsverringerung von Schmutzstoffen auf schützenswerten Oberflächen, als antimikrobielle Oberflächen, als lichtleitende, lichtlenkende, lichtbrechende und/oder diffus lichtstreuende Oberflächen und/oder als entspiegelte Oberflächen.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, Kunststoffkörper mit ein- oder mehrseitig mikrostrukturierten Oberflächen herzustellen. Insbesondere sind gegenüber bekannten Verfahren feinere Strukturierungen abbildbar. Die vorteilhaften Verbesserungen der Abbildungseigenschaften lassen sich z. B. mikroskopisch nachvollziehen.
Beispielsweise lassen sich bei Rillenstrukturen mit dreieckigen Querschnitten, die höher als breit sind also Aspektverhältnisse über 1 aufweisen, bei Rillenbreiten im Bereich von 10 bis 20 μm gut realisieren. Dagegen sind derartige Rillen bei der Verwendung von Prägeschichten des Standes der Technik zwar in der Breite darstellbar, werden aber unerwünschter Weise insgesamt und besonders auf der Oberseite abgerundet abgebildet, so daß die Aspektverhältnisse meist unter 1 bleiben. Ebenso sind Verbesserungen bei der Abbildung noppenartiger Vertiefungen im Größenordnungsbereich von z. B. nur 1 μm festzustellen, wobei die Berg- und Tal-Strukturen regelmäßiger und ausgeprägter abgebildet werden, so daß sie nahezu der beabsichtigten Prägestruktur entsprechen.
Die gute Abbildbarkeit der Prägestrukturen in der Strukturschicht erlaubt es, mit vergleichsweise geringeren Prägedrücken zu arbeiten, als dies bisher möglich war. Dies eröffnet es, auch dünnere und/oder weichere Trägerschichten, z. B. Trägerschichten aus Polymethylmethacrylat-Kunststoffen mit geringeren mittleren Molekulargewichten Mw, z. B. von 100.000 bis 150.000, einzusetzen. Die Zahl geeigneter Materialkombinationen wird dadurch größer.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffkörpers mit mikrostrukturierter Oberfläche durch Herstellen eines Verbundes aus einer Trägerschicht aus einem thermoplastischen oder thermoelastischen Kunststoff mit einer oder mehrerer Strukturschichten, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturschicht bzw. die Strukturschichten zu 1 bis 100 Gew.-% aus einer Polymethacrylat-Formmasse besteht, die zu 80 bis 100 Gew.-% aus radikalisch polymerisierten Methylmethacrylat-Einheiten und zu 0 bis 20 Gew.-% aus weiteren radikalisch polymerisierbaren Comonomeren besteht und ein mittleres Molekulargewicht (Gewichtsmittel) J w von 30.000 g/mol bis 70.000 g/mol aufweist und gegebenenfalls in Mischung mit bis zu 99 Gew.-% einer Polymethacrylat-Formmasse vorliegt, die zu 80 bis 100 Gew.-% aus radikalisch polymerisierten Methylmethacrylat-Einheiten und zu 0 bis 20 Gew.-% aus weiteren radikalisch polymerisierbaren Comonomeren besteht und ein mittleres Molekulargewicht (Gewichtsmittel) Mw von 90.000 g/mol bis 200.000 g/mol aufweist und die Strukturschicht bzw. die Strukturschichten nach Herstellung des Verbundes eine Mikrostrukturierung durch bekannte strukturgebende Verfahren erhalten.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff der Strukturschicht eine Viskositätszahl (η sp c) gemessen in Chloroform nach ISO 1628 Teil 6 von 25 bis 50 ml/g aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbund von Trägerschicht und Strukturschicht durch Coextrusion, Auflaminieren der Strukturschicht auf die Trägerschicht oder Auflackieren der Strukturschicht auf die Trägerschicht bewirkt wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymethylmethacrylat-Formmassen der Strukturschicht als weitere Comonomere C bis C4-Alkyl(metha)crylate, insbesondere Methylacrylat, Ethylacrylat oder Butylmethacrylat enthalten.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturschicht eine Schichtdicke im Bereich von 1 bis 1000 μm aufweist.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die MikroStrukturen Geometriegrößen im Bereich von 1 bis 1000 m aufweisen.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die MikroStrukturen Aspektverhältnisse von Höhe zu Breite von 0,3 bis 10 aufweisen.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die MikroStrukturen nach dem Austritt eines Coextrudats bestehend aus den Schmelzen der Trägerschicht und der Strukturschicht aus der Extrusionsdüse einer Extrusionsanlage im Schmelzezustand in einem angeschlossenen Walzenglättwerk mittels einer oder mehrerer Prägewalzen in die Strukturschicht bzw. in die Strukturschichten eingeprägt werden.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die MikroStrukturen durch nachträgliches Heißprägen in die bereits erstarrte Strukturschicht bzw. Strukturschichten übertragen werden.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschicht aus einem Polymethylmethacrylat-Kunststoff oder einem mit Polymethylmethacrylat verträglichen Kunststoff besteht.
11.Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschicht aus einem nicht oder schlecht mit Polymethylmethacrylat verträglichen Kunststoff besteht, jedoch mit einer coextrudierten, laminierten oder auflackierten, haftvermittelnden Zwischenschicht bzw. Zwischenschichten ausgestattet werden.
2. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschicht aus einem nicht oder schlecht mit Polymethylmethacrylat verträglichen Kunststoff besteht, jedoch nicht mit einer coextrudierten, laminierten oder auflackierten, haftvermittelnden Zwischenschicht ausgestattet wird und man den Verbund nach dem Aufbringen der MikroStruktur wieder trennt, um die mikrostrukturierte Strukturschicht einzeln zu erhalten.
13. Kunststoffkörper herstellbar nach einem Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12.
14.Kunststoffkörper nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Verbund aus einer Trägerschicht und einer oder mehrerer Strukturschichten mit mikrostrukturierten Oberflächen ist.
15. Kunststoff nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer Strukturschicht mit mikrostrukturierter Oberfläche besteht und herstellbar nach Anspruch 12 ist.
16. Kunststoff körper nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um eine massive Platte, eine Wellplatte, eine Hohlkammerplatte, insbesondere eine Stegdoppelplatte, eine Stegmehrfachplatte oder eine Fachwerkplatte oder um eine Röhre oder Stab in kantiger oder runder, eliptisch oder ovaler Form handelt.
7. Verwendung eines Kunststoffkörpers nach Anspruch 13 bis 16 für oder als Bauteile mit reibungsreduzierenden Oberflächen zur Reibungsreduzierung von Luft- oder Wasserströmungen an Oberflächen von (Luft-, Wasser- oder Land-) Fahrzeugen oder als Leitungen und Behälter zur Reibungsreduzierung von Fluidströmungen bei schnellfließenden Fluiden in Leitungen und Behältern, zur gezielten Vermischung von Fluiden, zur Herstellung von Oberflächen mit modifizierten akustischen Eigenschaften, zur Herstellung von Mikro- oder Nanotiterplatten, zur Haftungsverringerung von Schmutzstoffen auf schützenswerten Oberflächen, als antimikrobielle Oberflächen, als lichtlenkende, lichtleitende, lichtbrechende und/oder diffus lichtstreuende Oberflächen und/oder als entspiegelte oder reflektierende Oberflächen.
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