WO2015165979A1

WO2015165979A1 - Verfahren zur herstellung von polymerfolien oder plattenförmigen elementen aus polymer sowie mit dem verfahren hergestellte polymerfolie oder plattenförmige elemente

Info

Publication number: WO2015165979A1
Application number: PCT/EP2015/059363
Authority: WO
Inventors: Thomas Abendroth; Holger Althues; Benjamin SCHUMM; Jens Liebich; Stefan Kaskel
Original assignee: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date: 2014-04-30
Filing date: 2015-04-29
Publication date: 2015-11-05
Also published as: DE102014208249A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Polymerfolien (1) oder plattenförmigen Elementen aus Polymer, bei denen Partikel eines vom Polymerwerkstoff abweichenden Werkstoffs in den Polymerwerkstoff, mit dem die Folie (1) oder ein plattenförmiges Element gebildet ist, eingebettet sind. Dabei werden Partikel auf eine Oberfläche eines eine Druckkraft auf eine zumindest an der Oberfläche plastisch verformbaren Polymerfolie (1) oder eines plattenförmigen Elements ausübenden Werkzeuges (3, 4) oder eine Oberfläche eines Trägers (2), der zwischen der jeweiligen Oberfläche der mit Partikeln zu versehenden Oberfläche der Polymerfolie (1) oder plattenförmigen Elements und einem eine Druckkraft auf die Polymerfolie (1) oder plattenförmigen Elements ausübenden Werkzeugs (3, 4) aufgebracht. Anschließend wird die mit den Partikeln beschichtete Oberfläche mit der Oberfläche der Polymerfolie (1) oder des plattenförmigen Elements in Kontakt gebracht oder es werden Partikel unmittelbar auf eine Oberfläche einer zumindest an der Oberfläche plastisch verformbaren Polymerfolie (1) oder eines plattenförmigen Elements aufgebracht. Der Polymerwerkstoff dringt infolge der wirkenden Druckkraft in Poren oder Zwischenräume zwischen den auf einer Oberfläche des Werkzeugs (3, 4) oder des Trägers (2) oder der Polymerfolie (1) oder dem plattenförmigen Element aufgebrachten Partikeln ein. Dabei werden Partikel im oberflächennahen Bereich in den Polymerwerkstoff, aus dem die Polymerfolie (1) oder das plattenförmige Element gebildet ist, infolge der wirkenden Druckkraft eingebettet.

Description

Verfahren zur Herstellung von Polymerfolien oder plattenförmigen Elementen aus Polymer sowie mit dem Verfahren hergestellte Polymerfolie oder plattenförmige Elemente

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Polymerfolien oder plattenförmigen Elementen aus Polymer, bei denen Partikel eines vom Polymerwerkstoff abweichenden Werkstoffs in den Polymerwerkstoff eingebettet sind. Dadurch können Eigenschaften der Polymerfolie oder eines plattenförmigen Elements aus Polymer beeinflusst werden. Die Erfindung betrifft auch mit dem Verfahren hergestellte Polymerfolien und

plattenförmige Elemente.

Für viele Anwendungen müssen Polymerfolien oder plattenförmige Elemente zusätzlich modifiziert werden, da das jeweilige Polymer den gewünschten Anforderungen nicht entspricht. Die Modifizierung kann dabei, je nach Anwendung, mittels Verbund mit anderen (Folien-)Materialien, Beschichtung oder Herstellung eines Kompositmaterials durch Additive bzw. Füllstoffe erfolgen. Beim Herstellen eines Verbunds- bzw. Kompositmaterials werden meist die mechanischen und optischen Eigenschaften der Folie erheblich verändert, was nicht immer erwünscht ist. Zudem ist der benötigte

Materialaufwand recht hoch.

Beim Beschichten werden hohe Anforderungen an die Polymerfolie oder Elemente (Topografie, Orientierung, chemische Struktur, geringer Anteil Gleitmittel, Temperaturbeständigkeit, usw.) gestellt, was die

Kombinationsmöglichkeiten verschiedener Polymere und Schichtmaterialien stark einschränkt.

Ein Verfahren ist das Beschichten. Dabei werden eine bzw. mehrere dünne Schichten aufgebracht. Die Schichten haben dabei immer eine bestimmte Aufgabe. Es gibt Auftragsverfahren aus der flüssigen Phase (Walzenauftrag mit Tauchwalze, Umkehrwalzen, Rakeln, Galvanisieren etc.) oder aus der Gasphase (Bedampfen). Die Kombinationsmöglichkeiten sind jedoch in der Regel eingeschränkt, da die für die Beschichtung notwendigen Temperaturen (Beschichtungstemperatur oder auch Temperaturen fürs Trocknen) mit den Polymerwerkstoffen hinsichtlich (Temperaturbeständigkeit, bzw.

Formstabilität) abgestimmt werden müssen. Bei dem Beschichten aus der flüssigen Phase sind die Benetzung, Lösungsmittelverträglichkeit und das Trocknungsverhalten der Schichten stets kritische Parameter. Beim

Verdampfen (Vakuumprozess) ist das Ausgasen der Polymere beim

Evakuieren der Vakuumkammer eine große Herausforderung. Eine

Beschichtung führt in jedem Fall zu einer Grenzfläche zwischen dem Polymer, mit dem die Folie gebildet ist und der aufgebrachten Beschichtung. An der Grenzfläche verändern sich bestimmte Eigenschaften abrupt.

Durch die Zugabe von Füllstoffen zu den zur Folienherstellung verwendeten Rohstoffen während der Herstellung bzw. Verarbeitung können gewünschte Folieneigenschaften eingestellt werden. Diese Eigenschaften können sich auf den Herstellungsprozess beziehen (Additive wie Gleitmittel oder

Antiblockiermittel) oder aber auf die spätere Anwendung (Färbemittel, Antistatika, Antioxidantien, Lichtschutzmittel). Nachteilig bei der Herstellung eines Kompositmaterials als Polymerfolie wirken sich dabei der hohe

Materialbedarf sowie die Veränderung der optischen und mechanischen Eigenschaften aus. Auch können sich Kompositmaterialien in der

Verarbeitbarkeit deutlich von den ungefüllten Polymerfolien unterscheiden. Außerdem sind zusätzliche Komposite im gesamten Volumen der Polymerfolie enthalten, was nicht immer erwünscht ist. Insbesondere mechanische oder andere Eigenschaften, die von denen des Folienwerkstoffs abweichen, sollen häufig vermieden werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für die Herstellung von Polymerfolien oder plattenförmigen Elementen aus Polymer mit gezielt veränderten Oberflächeneigenschaften anzugeben. Die Herstellung soll dabei kostengünstig möglich sein und insbesondere die mechanischen

Eigenschaften der Polymerfolien oder plattenförmigen Elemente sollten möglichst nahezu unverändert bleiben. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und

Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden. Der Anspruch 11 betrifft mit dem Verfahren hergestellte Polymerfolien oder plattenförmige Elemente.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Partikel eines vom

Polymerwerkstoff abweichenden Werkstoffs in den Polymerwerkstoff, aus dem eine Polymerfolie oder ein plattenförmiges Element gebildet ist, in einem oberflächennahen Bereich eingebettet. Die Partikel werden dazu auf eine Oberfläche eines eine Druckkraft auf eine zumindest an der Oberfläche plastisch verformbaren Polymerfolie oder plattenförmigen Elements ausübenden Werkzeuges oder eine Oberfläche eines Trägers, der zwischen der jeweiligen Oberfläche der mit Partikeln zu versehenden Oberfläche der Polymerfolie oder plattenförmigen Elements und einem eine Druckkraft auf die Polymerfolie oder plattenförmigen Elements ausübenden Werkzeugs aufgebracht.

Es besteht auch die Möglichkeit Partikel unmittelbar auf eine Oberfläche einer Polymerfolie oder eines plattenförmigen Elements aufzubringen.

Anschließend wird die mit den Partikeln beschichtete Oberfläche mit der erwärmten und plastisch verformbaren Oberfläche der Polymerfolie in Kontakt gebracht bzw. die mit Partikeln beschichtete Polymeroberfläche bis zu plastischen Verformbarkeit erwärmt und infolge der wirkenden

Druckkräfte dringt der Polymerwerkstoff in die Poren oder Zwischenräume zwischen den auf einer Oberfläche des Werkzeugs oder der Oberfläche der

Polymerfolie oder plattenförmigen Elements aufgebrachten Partikeln ein, wodurch Partikel im oberflächennahen Bereich in den Polymerwerkstoff infolge der wirkenden Druckkraft eingebettet werden. Für das Enbetten sollten bevorzugt bandförmige und besonders bevorzugt metallische bandförmige Träger eingesetzt werden. Dadurch kann die

Einbettung über einen längeren Zeitraum und gleichmäßiger erfolgen, als dies beispielsweise mit Druckwalzen als Werkzeug möglich ist. Beim Einsatz bandförmiger Träger kann vor dem Einbetten ein Auswaschen, eine thermische und/oder optische Aktivierung von Partikeln erreicht werden. Eine optische Aktivierung kann insbesondere mittels Laserstrahlung und eine thermische und/oder optische Aktivierung mittels eines Plasma erreicht werden.

Dadurch kann/können verbesserte Transfer- und Integrationseigenschaften durch funktionelle Gruppen, dabei ausgebildete haftvermittelnde Schichten auf den Partikeln, eine Entfernung von störenden Verunreinigungen, eine Entfernung eines (eventuell eingesetzten) Dispergierhilfsmittels und/oder Lösungsmittels, eine Ausbildung von für den Übertrag geeigneten

Netzwerkstrukturen, verbesserte Partikeleigenschaften durch nachträgliche Kristallisation oder chemische Umwandlung, eine Entfernung organischer Schutzhüllen erreicht werden. Damit verbunden können verbesserte

Eigenschaften, wie z.B. optische Eigenschaften, Form, Struktur, Leitfähigkeit, Oberflächenenergie/Benetzbarkeit, die spezifische Oberfläche, eine

Aktivierung der Polymerfolie/Platte zur Veränderung der

Oberflächenenergie/Benetzbarkeit, eine Reinigung, die Bildung funktioneller Gruppen, eine Vortemperierung, eine Erhöhung von Adhäsionseigenschaften, und/oder eine elektrostatische Aufladung erreicht werden.

Die Oberflächeneigenschaften der Polymerfolie/Platte können somit durch Eigenschaften (beispielsweise elektrische Leitfähigkeit, optische

Absorptionseigenschaften, optische Reflexionseigenschaften, Lumineszenz, Benetzbarkeit,_antimikrobielle Wirkung, Antihafteigenschaften, magnetische Eigenschaften, Biokompatibiltät, Lichtein-/Lichtauskopplung) der darin integrierten Partikel beeinflusst werden.

Als Partikel können metallische, keramische oder bei der

Verarbeitungstemperatur feste oder im Polymerwerkstoff nicht oder nur teilweise lösbare organische Partikel eingesetzt werden. Sie können unterschiedliche geometrische Formen aufweisen, z.B. sphärisch, plättchenförmig, Stäbchen- oder drahtförmig ausgebildet sein.

Die Partikel können direkt oder in einer Suspension auf eine Oberfläche des Werkzeuges oder Trägers oder der Polymerfolie oder plattenförmigen Elements aufgetragen werden. Ein direkter Auftrag kann durch ein CVD- Verfahren, bevorzugt bei normalen Umgebungsdrucktemperaturen oder einem anderen Beschichtungsverfahren erreicht werden. Partikel können auch mittels Flammen Spray Pyrolyse gebildet und unmittelbar nach deren Bildung auf eine Oberfläche aufgebracht werden.

Eine plastische Verformbarkeit lediglich an der Oberfläche einer Polymerfolie oder eines plattenförmigen Elements kann durch eine Erwärmung, die durch Bestrahlung oder thermische Leitung erreicht werden kann, erfolgen. Es ist dazu aber auch ein Anlösen der Oberfläche der Polymerfolie oder des plattenförmigen Elements mit einem Lösungsmittel für das jeweilige Polymer möglich.

Das erfindungsgemäße Verfahren sollte so geführt werden, dass die Partikel mit einer Tiefe von maximal 0,1 mm in die Oberfläche der Polymerfolie oder des plattenförmigen Elements in den Folienwerkstoff eingebettet werden.

Es sollten Partikel mit einem maximalen Durchmesser von 0,01 mm, bevorzugt maximal 0,0001 mm eingesetzt werden.

Als Werkzeug kann eine Druckwalze oder als Träger kann ein bandförmiges Element, das bevorzugt als Endlosband ausgebildet ist, eingesetzt werden. Dabei kann die Polymerfolie oder das plattenförmige Element allein oder gemeinsam mit einem Träger, auf dessen Oberfläche Partikel aufgebracht sind, zur Übertragung von Partikeln in einem Spalt zwischen zwei

gegeneinander wirkenden Druckwalzen hindurch geführt werden. Ein als

Endlosband ausgebildeter Träger kann um eine der beiden Druckwalzen und mindestens eine Umlenkrolle herum geführt werden. Dabei kann zwischen Druckwalze und Umlenkrolle ein bevorzugt direkter Auftrag von Partikeln auf eine Oberfläche des Trägers erfolgen. Träger können allgemein aus einem Metall gebildet sein.

So kann eine Vorrichtung zur Herstellung der Polymerfolien oder

plattenförmigen Elemente zwei Druckwalzen aufweisen. Durch den Spalt zwischen den Druckwalzen werden dann eine Polymerfolie oder ein plattenförmiges Element und ein als Endlosband ausgebildeter Träger hindurchgeführt. Auf der Oberfläche des Trägers, die im Spalt in Richtung Polymerfolie oder des plattenförmigen Elements weist, werden vor dem Durchtritt durch den Spalt Partikel aufgebracht. Mit der Druckkraft, die die beiden Druckwalzen auf die Polymerfolie bzw. das plattenförmige Element und den Träger ausüben, werden Partikel in die plastische Oberfläche der Polymerfolie oder des plattenförmigen Elements hineingedrückt und in den Polymerwerkstoff in einem oberflächennahen Bereich eingebettet. Das Endlosband kann dabei mit einer Umlenkrolle, die in einem Abstand zu der einen Druckwalze angeordnet ist, umgelenkt werden. Es kann auch eine Umlenkung eines solchen Trägers mit mehr als einer Umlenkrolle erfolgen. In einem Bereich zwischen dem Spalt und einer Umlenkrolle kann eine

Einrichtung zur Beschichtung der Oberfläche des Trägers mit Partikeln angeordnet sein. So kann eine direkte Beschichtung mittels CVD oder Flammen Spray Pyrolyse direkt auf die Oberfläche des Trägers erfolgen. Es kann aber auch eine Suspension in einem Tauchbad enthalten sein, durch die der bandförmige Träger hindurchgeführt wird. In einem Tauchbad kann auch eine Entfernung eines Additivs (z.B. eines Tensids) erfolgen, wenn der Auftrag der Partikel enthaltenden Suspension vorab erfolgt ist. Dies kann auch durch Sprühen, Tauchen, Drucken, Streichen, Beschichtung mittels Schlitzdüse und durch andere flüssigkeitsfilmbildende Verfahren auf der entsprechenden Oberfläche des Trägers erreicht worden sein. Es kann auch ähnlich, wie bei den an sich bekannten Air-Brush-Techniken, insbesondere Suspensionen in denen Partikel enthalten sind, aufgetragen werden. Die Partikel können auch über bekannte thermokinetische

Beschichtungsverfahren, z.B. thermisches Spritzen, Suspensionsspritzen etc., aufgetragen werden.

Die Partikel können aber auch auf die Oberfläche von mindestens einer der beiden Druckwalzen, als ein zur Übertragung von Partikeln in die Polymerfolie genutztes Werkzeug, aufgebracht werden.

Anstelle der Druckwalzen kann auch ein Druckstempel oder -platte, der/die auf die Polymerfolie oder das jeweilige plattenförmige Element und ggf. einen Träger gedrückt wird, eingesetzt werden.

Das gesamte Übertragungsverfahren der Partikel in die Polymerfolie oder das plattenförmige Element kann in mehrere Teilschritte unterteilt werden, die im Folgenden lediglich für Polymerfolien beschrieben werden. Plattenförmige Elemente können analog so hergestellt werden.

In einem ersten Schritt erfolgt ein Auftrag von Partikeln auf eine Oberfläche eines Werkzeuges oder eines Trägers. Werkzeug oder Träger können dabei eine Platte, eine Walze oder ein flexibles Band sein.

Dabei kann eine Partikel enthaltende Suspension aufgetragen werden.

Alternativ können die Partikel aber auch direkt auf der jeweiligen Oberfläche abgeschieden werden. Dies kann durch Flammen Spray Pyrolyse, ein CVD- Verfahren, das bevorzugt bei normalen Umgebungsdruckbedingungen durchgeführt werden sollte, erreicht werden. Es können auch andere ähnliche Beschichtungsverfahren genutzt werden. Bei Einsatz von Suspensionen wird eine mit Partikeln gebildete Schicht durch den Auftrag der Suspension auf eine ggf. beheizte Oberfläche ausgebildet. In der Suspension evtl. enthaltene Additive (Tenside) sollten anschließend ausgewaschen werden.

Der direkte Auftrag von Partikeln auf die jeweilige Oberfläche erlaubt es, auf diesen nachträglichen Waschschritt zu verzichten, da die gewünschten Partikel in der Gasphase gebildet werden und direkt auf dem Werkzeug oder Träger abgeschieden werden können. Somit entfällt dabei auch die

Notwendigkeit zur Herstellung einer Partikelsuspension. In einem zweiten Schritt werden Partikel von der Oberfläche des Werkzeugs oder eines Trägers in oberflächennahe Bereiche der Oberfläche der

Polymerfolie, die mit dem Werkzeug oder dem Träger in Kontakt gebracht werden, integriert und in den Folienwerkstoff eingebettet. Dabei sollte das Polymer bzw. die Polymervorstufe/-schmelze zumindest an dieser Oberfläche eine ausreichend kleine Viskosität aufweisen, so dass Folienwerkstoff in die Poren oder zwischen Zwischenräume zwischen

Partikeln eindringen kann. Dies kann bei einer Polymerschmelze, wie folgt erreicht werden:

Das mit Partikeln an der Oberfläche beschichtete Werkzeug oder ein Träger wird nun mit einer geschmolzenen oder durch Erwärmung plastisch verformbaren Oberfläche eines thermoplastisch verarbeitbaren Polymers in Kontakt gebracht und zur Aushärtung abgekühlt. Dabei soll eine Druckkraft zwischen dem Polymer und dem Werkzeug oder dem Träger wirken.

Das mit Partikeln beschichtete Werkzeug oder ein Träger kann auch mit einer Polymerlösung begossen werden. Das Lösungsmittels kann verdampft und die Polymerlösung dadurch ausgehärtet werden.

Wird das mit Partikeln an der Oberfläche versehene Werkzeug oder ein Träger mit einem Monomer in Kontakt gebracht, kann das Werkzeug oder der Träger als Wand einer Polymerisationskammer eingesetzt werden, in die eine polymerisierbare, flüssige Mischung aus Monomer und Initiator gefüllt wird. Die Aushärtung erfolgt durch thermische oder strahlungsinitiierte

Polymerisation.

Ein mit Partikeln beschichtetes Werkzeug oder ein Träger kann gegen eine zumindest bis oberhalb der Vicat-Erweichungstemperatur erwärmte

Polymerfolie oder ein plattenförmiges Element gepresst werden. Die Vicat-

Erweichungstemperatur kann dabei nach DIN EN ISO 306 bei einer Heizrate von 120 K/h bestimmt werden. Durch die Veränderung der Formstabilität erhöht sich die Fließfähigkeit und damit ist eine Migration der Partikel in die Polymeroberfläche möglich. Nach Unterschreitung der Vicat- Erweichungstemperatur wird das Polymer wieder formstabil und die migrierten Partikel sind fest in der Polymeroberfläche integriert.

In allen vier vorab beschriebenen möglichen Fällen kann das Polymer in das „offene" Netzwerk der Partikelschicht eindringen und die Partikel umschließen.

In einem dritten Schritt kann die dann formstabile Polymerfolie oder plattenförmige Element von der Oberfläche des Werkzeuges oder Trägers gelöst werden, wobei die Partikel im oberflächennahen Bereich der

Polymerfolie oder des plattenförmigen Elements eingebettet sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren bewirkt eine oberflächennahe Integration von Partikeln in Polymerfolienoberflächen oder Oberflächen plattenförmiger Elemente. Im Unterschied zu Komposit basierten Methoden ergibt sich der Vorteil, dass auf diese Weise ein geringerer Materialbedarf der

entsprechenden Partikel ermöglicht wird. Gleichzeitig werden die mechanischen Eigenschaften des verwendeten Polymerwerkstoffs, wenn überhaupt nur geringfügig beeinflusst.

Im Unterschied zu Beschichtungen, bei denen realisierbare

Beschichtungsparameter, wie Temperatur, verwendetes Lösungsmittel etc. sehr stark vom Material der/des zu beschichtenden Folie oder

plattenförmigen Elements abhängen, ist mit dem beschriebenen Verfahren eine vielfältige Kombination unterschiedlichster Partikel (Materialien und Geometrien) und Polymerwerkstoffen möglich.

Durch Integration der Partikel in die Oberfläche werden ferner negative Eigenschaften, wie geringe Abriebbeständigkeit, Sprödigkeit oder zusätzliche scharfe Grenzflächen vermieden.

Im Spezialfall ist es möglich, transparente Polymerfolien oder plattenförmige Elemente herzustellen. Dies kann durch Verwendung transparenter Matrixwerkstoffe und von Partikeln, die im sichtbaren Spektralbereich der elektromagnetischen Strahlung diese Strahlung nicht absorbieren und/oder aufgrund ihrer geringen Größe (<100 nm) keine oder nur sehr geringe

Lichtstreueffekte zeigen, realisiert werden.

Es können Partikel auch begrenzt in bestimmten vorgebbaren

Oberflächenbereichen einer Polymerfolie oder eines plattenförmigen

Elements eingebettet werden, um lokal begrenzt Eigenschaftsveränderungen hervor zu rufen. Dabei können Partikel auf bestimmte lokal begrenzte

Oberflächenbereiche eines Werkzeugs oder Trägers aufgebracht und diese dann auch entsprechend in lokal begrenzte Bereiche der Oberfläche einer Polymerfolie oder eines plattenförmigen Elements integriert werden. Dies kann unter Einsatz von Masken oder Schablonen erreicht werden. Es kann auch lokal begrenzt eine elektrostatische Wirkung dazu genutzt werden. Ein strukturierter Auftrag kann auch durch entsprechend ausgebildete

Düsenformen, ähnlich wie beim Tintenstrahldruck beispielsweise unter Einsatz feiner FSP- oder CVD-Düsen erfolgen.

Dies ermöglicht beispielsweise die Herstellung von Folien (evtl. für

Verpackungen), die ortsaufgelöst strukturierte Oberflächenveredelungen/- Veränderungen aufweisen.

Mit der Erfindung können als Beispiele optisch transparente Polymerfolien, beheizbare Oberflächen an Polymerfolien, Polymerfolien mit Oberflächen mit speziellen optischen Eigenschaften (Absorption, Reflexion, Lichtein-,

Lichtauskopplung), eine Oberflächenfunktionalisierung für Druck- und

Klebeaufgaben (hydrophile Kunststoffoberflächen), Polymerfolien für medizintechnische Anwendungen (z.B. biokompatible Oberflächen oder antimikrobielle Oberflächen) sowie ohne Hilfsmittel nicht erkennbare

Sicherheitsmerkmale in Polymerfolien ausgebildet werden. Selbstverständlich können auch plattenförmige Elemente mit diesen Eigenschaften mit der

Erfindung erhalten werden.

Für die Herstellung von optisch transparenten Bauteilen sollten bevorzugt Nanopartikel mit Durchmessern kleiner 100 nm, besonders bevorzugt kleiner 50 nm eingesetzt und in Schichtdicken kleiner als 0,001 mm, bevorzugt kleiner

0,0005 mm ausgehend von der Oberfläche eingebettet werden. Als optisch transparente Polymere kommen dazu insbesondere PMMA, PET, PC, PS, Polymere aus der Gruppe der Polyester, Polyolefine, Polyurethane, Polyimide, Polyamide, Polyacrylate und PMA sowie Copolymere oder Kombinationen davon in Frage. Für Anwendungen, für die optische transparente

Oberflächen/Bauteile benötigt werden, die aber gleichzeitig eine

Undurchlässigkeit von UV-Strahlung aufweisen, können Nanopartikeln aus Zinkoxid oder Titandioxid eingesetzt werden. Dadurch kann sowohl das Polymer selbst, als auch Objekte hinter einem Polymerfolie oder einem plattenförmigen Element vor UV-Strahlung geschützt werden. IR- absorbierende Partikel für den Einsatz in erfindungsgemäß hergestellten

Polymerfolien oder Elementen können aus dotiertem Zinndioxid, Zinkoxid oder Indiumoxid gebildet werden und z.B. für die gezielte Erwärmung einer Oberfläche durch IR-Strahlung eingesetzt werden. Poröse Siliziumdioxidpartikel, insbesondere nanoskalige Hohlkugeln aus Si0₂, oder Magnesiumfluoridpartikel können beispielsweise eingesetzt werden, um den optischen Brechungsindex im Bereich der Oberfläche, in dem Partikel eingebettet sind, zu verringern. So kann gezielt die Reflexion verringert und die Transmission an Polymerfolien oder plattenförmigen Elementen Bauteile erhöht werden. Durch Partikel aus z.B. Zinksulfid, Zinkoxid, Titandioxid,

Bleisulfid kann der optische Brechungsindex der Oberfläche und damit die Strahlungsreflexion gezielt erhöht werden.

Mit lumineszierenden Nanopartikeln (z.B. Seltenerd-dotierte Stoffe, wie z.B. Europium-dotiertes Ytriumvanadat oder dotierte Halbleiter, wie Mangandotiertes Zinksulfid) können optisch transparente Polymerfolien oder plattenförmige Elemente generiert werden, die unter UV-Bestrahlung sichtbares Licht emittieren. So können beispielsweise Sicherheitsmerkmale zum Produktschutz integriert werden.

Durch hydrophile Partikel, wie z.B. Siliziumdioxid oder Titandioxid kann die Oberflächenenergie der Polymerfolie oder eines plattenförmigen Elements gezielt verringert werden. Dadurch kann beispielsweise die Bedruckbarkeit oder Verklebbarkeit verbessert werden. Hydrophobe Partikel (z.B. auf der Basis von Siliziumdioxid mit Funktionalisierung durch Perfluorosilanen) können die Oberflächenenergie ebenso drastisch erhöhen, um z.B. eine Staub- und Wasserabweisende Oberfläche zu erzeugen. Mit Partikeln auf Basis von z.B. Titandioxid oder Hydroxyapatit kann zudem die Biokompatibilität der Bauteiloberfläche erhöht werden.

Metall- oder Metallsalz-Partikel basierend auf Ag, Cu oder Zink können für antimikrobielle Oberflächen eingesetzt werden.

Für die direkte Abscheidung dieser partikulären Materialien kann z.B. die Flammensprühpyrolyse (FSP) verwendet werden, wie durch Pratsinis (Journal of Material Chemistry, 2007, 17, 4743-4756) beschrieben. Dabei wird ein brennbares Lösungsmittel/-gemisch (z.B. bestehend aus Alkoholen,

Acetonitril, Essigsäure,...), in dem eine Verbindung des abzuscheidenden Stoffes (z.B. Metallsalze wie Acetate, Ethylhexanoate, Nitrate,...) gelöst oder dispergiert ist, durch eine FSP-Düse befördert, mit zudosiertem Sauerstoff zu Tropfen zerstäubt und in eine Flamme gesprüht. In der Flamme verbrennt das Lösungsmittel, sodass sich das gelöste bzw. dispergierte Material zersetzt und zu Partikeln aggregiert, die sich oberhalb der Düse auf thermisch beständigen Substraten abscheiden. Von diesen Substraten kann die Partikelintegration in Polymer in beschriebener Weise durchgeführt werden. Neben

Metalloxidpartikeln können auch Metallpartikel durch Verwendung von Edelmetallverbindungen Flammen-Spray-Pyrolyse erhalten werden. Es können auch Partikelsuspensionen und Gemische aus

suspendierten/dispergierten Partikeln und gelösten Stoffen gleichzeitig zur Erzeugung von Komposit-/Hybridmaterialien verwendet werden.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.

Dabei zeigen:

Figur 1 in schematischer Form eine Vorrichtung mit der das

erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann;

Figur 2 ein Diagramm mit Transmissionsspektren an Bauteilen, in deren oberflächennahen Bereichen unterschiedliche Anteile an ITO- Partikeln integriert sind Mit der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung ist die Durchführung des

erfindungsgemäßen Verfahrens möglich. Dabei wird eine plastisch

verformbare Polymerfolie 1 gemeinsam mit einem bandförmigen flexiblen Träger 2 durch den Spalt zwischen zwei Druckwalzen 3 und 4 hindurch geführt und dabei werden die Polymerfolie 1 und der Träger 2 zusammen gepresst. Der Träger 2 wird als Endlosband sowohl um eine der beiden Druckwalzen 3, wie auch um zwei Umlenkrollen 5 und 6 herum geführt. Zwischen der Druckwalze 3 und der Umlenkrolle 5 ist eine für einen Partikelauftrag auf die in diese Richtung weisende Oberfläche des Trägers 2 geeignete Einrichtung 7 angeordnet. Dabei kann es sich um einen Sprühkopf für eine Partikel enthaltende Suspension oder eine Einrichtung zur Flammen Spray Pyrolyse handeln.

Der Auftrag einer Partikel enthaltenden Suspension kann auch in einem Tauchbad 8 erfolgen, das hier zwischen den zwei Umlenkrollen 5 und 6 angeordnet ist. In diesem Fall kann auf die Einrichtung 7 verzichtet werden.

Ein Reinigungsmittel zum Auswaschen eines Tensids kann aber auch in dem Tauchbad 8 enthalten sein, wenn vorab der Träger 2 mit einer Suspension mit einer Einrichtung 7 besprüht worden ist.

Es können auch mehrere solcher bandförmiger Träger 2 nebeneinander durch den Spalt zwischen den Druckwalzen 3 und 4 hindurch geführt werden, die in einem Abstand zueinander angeordnet und/oder mit einer anderen Art an Partikeln versehen sind.

Beispiel 1

Für die Herstellung optisch transparenter Polymerfolien mit einer

gewünschten Absorption in einem Wellenlängenbereich elektromagnetischer Strahlung wird eine Suspension in der Partikel mit einem Anteil von 30 Masse- % und einer mittleren Partikelgröße kleiner 100 nm aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) in Isopropanol vorbereitet. Diese Suspension wird mit einer

Ultraschallsprühpistole bei einer Frequenz von 120 kHz und einem

Volumenstrom von 0,5 ml/min auf einen beheizten Träger auf eine Fläche von 100 mm * 150 mm aufgesprüht. Durch die Beheizung wird das Propanol verdampft und es bildet sich eine Schicht auf der Trägeroberfläche aus, die ausschließlich mit ITO-Partikeln gebildet ist.

Auf den auf einer ein Widerlager bildenden Auflage aufliegende Träger wird dann mit einer Polymerfolie aus Polyethylen mit einer Dicke von 0,2 mm überdeckt. Auf die Polymerfolie und den Träger wird ein Pressstempel als Werkzeug, der auf eine Temperatur von 110 °C erwärmt ist mit einem Druck von 3,8 MPa gepresst. Dabei wird das Polyethylen erweicht und die Partikel auf der Trägeroberfläche werden vom Polyethylen umschlossen und im oberflächennahen Bereich eingebettet. Ein Träger kann beispielsweise eine

Metallplatte mit planarer Oberfläche und möglichst kleiner

Oberflächenrauheit eingesetzt werden.

Je nach Anteil an pro Fläche enthaltenen ITO-Partikeln kann die Absorption im Wellenlängenbereich des Infraroten Lichts beeinflusst und entsprechend erhöht werden. Dieser Sachverhalt kann dem in Figur 2 gezeigten Diagramm entnommen werden. Dabei stellt der obere Kurvenverlauf eine Referenz für eine partikelfreie Polyethylenfolie dar. Es wird deutlich, dass so eine

Polymerfolie erhalten werden kann, die eine ausreichende Transparenz im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts und eine erhöhte Absorption im

Wellenlängenbereich oberhalb 1000 nm aufweist.

Beispiel 2 Für die Herstellung einer optisch transparenten Polymerfolie mit

antibakterieller Wirkung kann ebenfalls eine Suspension mit Isopropanol, in der 0,5 Masse-% feiner Silberdrähte mit einer Nennweite von 60 nm enthalten sind, eingesetzt werden. Diese Suspension wird mit einer

Ultraschallsprühdüse bei einer Frequenz von 120 kHz und einem

Volumenstrom von 0,5 ml/min auf einen beheizten Träger auf eine Fläche von

100 mm * 150 mm aufgesprüht. Durch die Beheizung wird das Propanol verdampft und es bildet sich eine Schicht auf der Trägeroberfläche aus, die ausschließlich mit Partikeln der Silberdrähte gebildet ist.

Auf den auf einer ein Widerlager bildenden Auflage aufliegende Träger wird dann mit einer Polymerfolie aus Polyethylen mit einer Dicke von 0,2 mm überdeckt. Auf die Polymerfolie und den Träger wird ein Pressstempel als Werkzeug, der auf eine Temperatur von 110 °C erwärmt ist mit einem Druck von 3,8 MPa gepresst. Dabei wird das Polyethylen erweicht und die Partikel auf der Trägeroberfläche werden vom Polyethylen umschlossen und im oberflächennahen Bereich eingebettet. Ein Träger kann beispielsweise eine Metallplatte mit planarer Oberfläche und möglichst kleiner

Oberflächenrauheit eingesetzt werden.

Beispiel 3

Für die Herstellung von Zinkoxidpartikelschichten kann eine 0,5 M

Zinkacrylatlösung (2 ml/min) in einem MethanohEssigsäure-Gemisch (94:6 Vol.-%) verwendet werden, die mit Sauerstoff (3,85 slm) in eine TETHIS Npn Düse gesprüht wird. In der 50 mm langen Flamme bilden sich ZnO-Partikel, die 200 mm oberhalb der Düse bei 250 °C auf Glas- oder Stahlsubstraten (ca. 75 x 25 x 1 mm³) abgeschieden werden können. Nach zehnminütiger Abscheidung wird eine ca. 200 nm dicke Schicht erhalten, die durch das beschriebene Verfahren in Polymer integriert werden kann.

Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Herstellung von Polymerfolien oder plattenförmigen Elementen aus Polymer, bei denen Partikel eines vom

Polymerwerkstoff abweichenden Werkstoffs in den Polymerwerkstoff, mit dem die Folie oder ein plattenförmiges Element gebildet ist, eingebettet sind, bei dem

Partikel auf eine Oberfläche eines eine Druckkraft auf eine zumindest an der Oberfläche plastisch verformbaren Polymerfolie (1) oder eines plattenförmigen Elements ausübenden Werkzeuges, bevorzugt eine Oberfläche eines Trägers (2), der zwischen der jeweiligen

Oberfläche der mit Partikeln zu versehenden Oberfläche der

Polymerfolie (1) oder plattenförmigen Elements und einem eine Druckkraft auf die Polymerfolie oder plattenförmigen Elements ausübenden Werkzeugs aufgebracht werden anschließend die mit den Partikeln beschichtete Oberfläche mit der Oberfläche der Polymerfolie (1) oder des plattenförmigen Elements in Kontakt gebracht wird oder

Partikel unmittelbar auf eine Oberfläche einer zumindest an der Oberfläche plastisch verformbaren Polymerfolie (1) oder eines plattenförmigen Elements aufgebracht werden und der Polymerwerkstoff infolge der wirkenden Druckkraft in Poren oder Zwischenräume zwischen den auf einer Oberfläche des Werkzeugs, bevorzugt des Trägers (2) oder der Polymerfolie (1) oder dem plattenförmigen Element aufgebrachten Partikeln eindringt und dabei Partikel im oberflächennahen Bereich in den Polymerwerkstoff, aus dem die Polymerfolie (1) oder das plattenförmige Element gebildet ist, infolge der wirkenden Druckkraft eingebettet werden.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass metallische, keramische oder bei der Verarbeitungstemperatur feste oder im Polymerwerkstoff nicht oder nur teilweise lösbare organische Partikel eingesetzt werden.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel direkt oder in einer Suspension auf eine Oberfläche des Werkzeuges oder Trägers oder der Polymerfolie (1) oder dem plattenförmigen Element aufgetragen oder

durch ein CVD-Verfahren oder mittels Flammen Spray Pyrolyse gebildete Partikel unmittelbar nach deren Bildung auf eine Oberfläche des Werkzeuges oder Trägers oder der Polymerfolie (1) oder des plattenförmigen Elements aufgebracht werden.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel mit einer Tiefe, die maximal dem Dreifachen des mittleren Partikeldurchmessers entspricht, oder eine Tiefe von maximal 0,1 mm von der Oberfläche der Polymerfolie (1) oder des plattenförmigen Elements ausgehend, in den

Polymerwerkstoff eingebettet und/oder Partikel mit einem maximalen Durchmesser von 0,01 mm, bevorzugt maximal 0,0001 mm eingesetzt werden.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel lediglich auf vorgegebene Bereiche der Oberfläche eines Werkzeuges, bevorzugt des Trägers (2) oder der Polymerfolie oder des plattenförmigen Elements, bevorzugt unter Einsatz mindestens einer Schablone oder Maske oder Drucken oder elektrostatischer Kräfte, aufgebracht werden.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zumindest an der mit Partikeln zu versehenden Oberfläche bis oberhalb der Schmelz- oder Vicat- Erweichungstemperatur erwärmte Polymerfolie (1) oder eines plattenförmigen Elements oder eine an der Oberfläche mittels eines Lösungsmittels plastisch verformbaren Polymerfolie (1) oder plattenförmigen Elements eingesetzt wird.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkzeug eine Druckwalze (3) oder als Träger (2) ein bandförmiges, bevorzugt metallisches Element, das bevorzugt als Endlosband ausgebildet ist, eingesetzt wird

Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch

gekennzeichnet, dass die Polymerfolie (1) oder ein plattenförmiges Element allein oder gemeinsam mit einem Träger (2), auf dessen Oberfläche Partikel aufgebracht sind, zur Übertragung von Partikeln in einem Spalt zwischen zwei gegeneinander wirkenden Druckwalzen (3, 4) hindurch geführt wird.

Verfahren nach den beiden vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein als Endlosband ausgebildeter Träger (2) um eine der beiden Druckwalzen (3) und mindestens eine Umlenkrolle (5, 6) herum geführt wird und zwischen Druckwalze und Umlenkrolle ein direkter Auftrag von Partikeln auf eine Oberfläche des Trägers (2) erfolgt.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Einbetten von Partikeln mit einem bandförmigen Träger (2) ein Auswaschen, eine thermische Aktivierung und/oder eine optische Aktivierung von Partikeln vor dem Vorgang des Einbettens durchgeführt wird.

Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch

gekennzeichnet, dass mit einem Auswaschen, einer thermischen und/oder optischen Aktivierung verbesserte Transfer- und

Integrationseigenschaften durch funktionelle Gruppen, dabei ausgebildete haftvermittelnde Schichten auf den Partikeln, eine Entfernung von störenden Verunreinigungen, Entfernung eines Dispergierhilfsmittels und/oder Lösungsmittels, eine Ausbildung von für den Übertrag geeigneten Netzwerkstrukturen und/oder verbesserte Partikeleigenschaften durch nachträgliche Kristallisation oder chemische Umwandlung, Entfernen organischer Schutzhüllen erreicht wird/werden.

Polymerfolie oder plattenförmiges Element hergestellt mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.