DE2650048A1 - Verfahren zum beschichten von kunststoffgegenstaenden und -flaechen - Google Patents
Verfahren zum beschichten von kunststoffgegenstaenden und -flaechenInfo
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Description
RECHTSANWÄLTE 29. OKt. 1976
ADELONSTRASSE 58
FRANKFURT AM MAIN 80
Unsere Nr. 20 693 Ec/m
National Aeronautics and Space Administration
Washington D.C9 V.St.A.
und -flächen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Kunststoffgegenständen und -flächen, bei dem man auf die
Gegenstände oder Flächen durch Plasmapolymerisation eines Überzugsmittels auf Organosilanbasis, das mindestens eines
der Organosilane Vinyltrichlorsilan, Tetraäthoxysilan, Vinyltriäthoxysilan, Tetravinylsilan, Vinyltriacetoxysilan,
Hexamethyldisilazan, Tetramethylsilan, Vinyldimethyläthoxysilan,
Vinyltrimethoxysilan und Methyltrimethoxysilan enthält, einen Schutzüberzug aufbringt. Die auf diese Weise
erhaltenen Schutzüberzüge auf Kunststoffgegenständen aus beispielsweise Acry!polymerisaten, Polystyrolen oder Polycarbonaten
sind abriebfest, gleichmäßig und optisch klar im Bereich von 4000 bis 8000 A5 so daß sie insbesondere
zum Schutz optischer Teile aus Kunststoff geeignet sind. Die Vorteile der Anwendung der Plasmapolymerisation auf
die überzugsmittel auf Basis von Organosilanverbindungen
gemäß vorliegender Erfindung werden weiter durch Verwendung
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eines Zusatzgases während der Plasmapolymerisation verbessert, wodurch die Abriebfestigkeit des Schutzüberzuges
weiter verbessert wird.
Die Erfindung betrifft die Anwendung von Plasmapolymerisationsoder
Glimmentladungspolymerisationsverfahren auf die vorstehend genannte Gruppe von Organosilanverbindungen, die
nach der Plasmapolymerisation überlegene, abriebfeste Schutzüberzüge ergeben. Die erfindungsgemäß hergestellten
abriebfesten Organosilan-überzüge stellen nach der Plasmapolymerisation
eine gleichmäßige und optisch klare (im Bereich von 4000 bis 8000 A) Schutzschicht für Kunststoffteile
und insbesondere optische Teile aus Kunststoff dar. Erfindungsgemäß wird eine weniger haltbare Kunststofffläche
durch Plasmapolymerisation mindestens eines Organosilans der vorstehend aufgeführten Gruppe mit einem abriebfesten
Schutzüberzug versehen.
Das Plasmapolymerisationsverfahren ergibt zusammen mit den erfindungsgemäßen Verbindungen nicht nur einen optisch klaren,
kratzbeständigen überzug für Kunststoffgegenstände und -flächen, sondern es überwindet auch Schwierigkeiten, die
mit den beim Beschichten von Kunststoffgegenständen auftretenden Richtungs- und Leitungserfordernissen (directionality
requirements) verbunden sind. Kunststoffgegenstände, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beschichtet wurden,
weisen einen gleichmäßigen und optisch klaren überzug auf, der für photografische und andere Anwendungsformen brauchbar
ist, bei denen eine optisch klare Oberfläche erforderlich ist, die abriebfest und von gleichmäßiger Dicke ist.
Optische Teile aus synthetischen Kunststoffen wurden allgemein aus verschiedenen organischen Harzen, wie beispielsweise
Acrylharzen, Polystyrol, Polycarbonaten, Polymethylmethacrylaten,
Plexiglas V£*', Lexan^=^ und anderen derartigen
synthetischen Harzen hergestellt. Optische Teile, die aus
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sr
durchsichtigen synthetischen Harzen hergestellt wurden, besitzen viele Vorteile gegenüber Glas und kristallinen
optischen Stoffen, wie beispielsweise geringere Herstellungskosten und Widerstandsfähigkeit gegenüber Warmeschock und
mechanischen Beanspruchungen. Derartige optische Teile aus Kunststoff waren jedoch besonders angreifbar durch Abrieb,
Kratzen und Umgebungseinflüsse, die zu einer Beeinträchtigung, wenn nicht vollständigen Zerstörung der optischen
Eigenschaften führten.
Zur Verhinderung oder Verzögerung der Beeinträchtigung der optischen Fähigkeiten von optischen Teilen aus durchsichtigen
Kunststoffen wurden bereits verschiedene Anstrengungen unternommen. So versuchte man beispielsweise verschiedene
Arten kratzfester überzüge durch eine Reihe von Verfahren aufzubringen, beispielsweise durch Tauchverfahren, mittels
Elektronenstrahlen, durch UV-Polymerisation und durch Aufbringen von überzügen unter Eintrocknen der Lösungsmittel,
bei denen ein Lösungsmittel aus einem überzugsmittel abgedampft und anschließend der überzug gebildet wurde. Diese
überzugsmittel und Verfahren haben sich allgemein nicht als wirksame Methoden zum Schutz durchsichtiger synthetischer
Harze erwiesen, da derartige Verfahren zu zusätzlichen Schwierigkeiten führten, die mit der Gleichmäßigkeit der
überzüge, der zufälligen Haftfestigkeit zwischen dem überzug
und dem Gegenstand, der Orientierung, und den Richtungsund den Leitungserfordernissen zwischen Gegenstand und
Ursprung des Überzugsmittels zusammenhingen. Die bisherigen Verfahren haben auch zu übermäßigen Kosten der überzüge
und großen Abweichungen in der Qualität und Gleichförmigkeit der Kratzfestigkeitseigenschaften der überzogenen
Kunststoffprodukte geführt.
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In einigen Fällen haben die bekannten überzugsmittel und
Verfahren zu Schwierigkeiten der Verträglichkeit des überzugsmaterials und des zu überziehenden Gegenstandes geführt,
wobei die optische Durchlässigkeit an der Grenzfläche zwischen dem Kunststoffgegenstand und dem Überzug beeinträchtigt wurde.
Bei anderen bekannten Überzugsverfahren und Überzugsmitteln wurde eine Beeinträchtigung der optischen Eigenschaften des
Kunststoffgegenstandes in Kauf genommen, um eine abriebfestere Oberfläche zu erhalten. Außerdem haben die bekannten
überzugsmittel und Verfahren zum Aufbringen der überzugsmittel
keine Methode bereitgestellt, mit deren Hilfe ein gleichmäßiger, optisch klarer und abriebfester Überzug bereitgestellt
wurde, der im Wellenlängenbereich von 4 000 bis 8 000 A durchlässig war.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile und Einschränkungen der bekannten überzugsmittel und überzugsverfahren
auszuschalten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man
auf die Kunststoffgegenstände oder -flächen durch Plasmapolymerisation oder Glimmentladungspolymerisation eines
Überzugsmittels auf Organosilanbasis, das mindestens eines
der vorstehend aufgeführten neuen Organosilane- enthält,
einen Schutzüberzug aufbringt. Der erfindungsgemäß aufgebrachte
Schutzüberzug ist besonders beständig gegenüber solchen Bedingungen und Systemen der Umgebung, bei denen
durchsichtige synthetische Harze Abriebbedingungen ausgesetzt werden. Die Abriebfestigkeit der erfindungsgemäß erhältlichen
Organosilanüberzüge ist verbunden mit den Vorteilen einer wirksamen Aufbringung unter Anwendung der
Plasmapolymerisation, wodurch ein zäher, gleichmäßiger und optisch klarer Überzug im Bereich von 4 000 bis 8000 A
erhalten wird. Die neuen und brauchbaren überzugsmittel
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gemäß vorliegender Erfindung sind mit den Oberflächen der Acrylharze, Polystyrolharze, Polycarbonatharze und anderer
synthetischer Harze verträglich und eignen sich gut für die Plasmapolymerisation gemäß vorliegender Erfindung, um eine
gleichmäßige und abriebfeste Oberfläche zu erhalten. Die überzugsmittel auf Organosilanbasis, die sich als besonders
brauchbar zur Herstellung optisch klarer überzüge für Kunststoffgegenstände
durch Plasmapolymerisation erwiesen haben, enthalten mindestens eines der vorstehend angeführten Organosilane.
Die Anordnung und der mechanische Betrieb von Plasmapolymerisations- oder Glimmentladungspolymerisationsverfahren,
die bei der Anwendung der überzugsmittel auf Organosilanbasis zwecks Bildung abriebfester überzüge angewendet werden,
sind in der US-PS 3 847 652 und in der USA-Patentanmeldung
402 866 beschrieben. Die vorliegende Erfindung benutzt die Plasmapolymerisation zur Anwendung von Überzugsmitteln, die
eine besondere Klasse von Organosilanverbindungen enthalten, auf Kunststoffgegenstände und -flächen, wodurch nach der
Plasmapolymerisation überlegene abriebfeste und optisch klare überzüge auf den Kunststoffgegenständen und -flächen
erhalten werden.
Die Organosilanverbindungen der vorliegenden Erfindung ergeben
einen besonders brauchbaren abriebfesten überzug für optische Teile aus Kunststoff und können darüberhinaus vorteilhaft
mittels Plasmapolymerisation unter Bildung abriebfester überzüge auf weniger beständige Kunststoffflächen
aus beispielsweise Acrylharzen, Polystyrol, Polycarbonaten, Plexiglas ^-' (Polymethylmethacrylat), Lexan^ und anderen
derartigen synthetischen Harzen aufgebracht werden. Die erfindungsgemäßen
überzugsmittel auf Organosilanbasis sind sehr gut verträglich mit den Kunststoffen der Gegenstände,
und die Plasmapolymerisationsverfahren ermöglichen die
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Bildung eines zähen Organosilanüberzuges, der gut an dem Gegenstand haftet, und zwar auch an einem unregelmäßig geformten
Kunststoffgegenstand. Die Organosilanverbindungen ergeben weiterhin einen optisch klaren und abriebfesten überzug
im Wellenlängenbereich von 4 000 bis 8 000.Ä, der für
optische Teile aus Kunststoff geeignet ist. Die Plasmapolymerisationsverfahren, die auf die Organosilanverbindungen
angewendet werden, haben den weiteren Vorteil, daß sie keine besonderen Richtungs- und Leitungserfordernisse zwischen dem
Kunststoff und dem Ursprung des Überzugsmittels bedingen.
Die Anwendung der Plasmapolymerisation auf die Organosilan—
verbindungen gemäß vorliegender Erfindung ermöglicht eine größere Vielfalt der zu polymerisierenden Monomeren, die
infolge der zur Einleitung der Polymerisation verfügbaren hohen Energien in dem Polymerisationsverfahren reagieren,
wobei überzüge mit überlegenen mechanischen Festigkeiten und gleichmäßiger überzugsdicke erhalten werden. Die Polymerisationsverfahren
können daher eingesetzt werden, um Organosilanüberzüge von Verbindungen zu erhalten, die vereinigt
und polymerisiert werden, wobei leicht anwendbare, brauchbare überzugsmittel zu einer großen Vielfalt optischer
überzüge führen, die viele erwünschte optische Eigenschaften aufweisen.
Die erfindungsgemäßen überzugsmittel auf Organosilanbasis
sind sehr gut verträglich mit den synthetischen Kunststoffen der Gegenstände und passen sich diesen sehr gut an, wodurch
ihre Anwendung und Verwendung mit Gegenständen mit Mikrostruktur-Einzelheiten,wie
beispielsweise Tafeln für gedruckte Schaltungen und Teile der Mikroelektronik, ermöglicht werden.
Nach der Polymerisation liefern die Organosilanverbindungen
einen überlegenen, abriebfesten überzug für Kunststoffgegenstände,
der Feuchtigkeit und andere Umgebungseinflüsse aus-
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— »fc _
schließt. Die Organosilanzusammensetzungen gemäß vorliegender Erfindung können allein oder in Kombinationen unter
Bildung eines optisch klaren Überzuges auf Kunststoffflächen polymerisiert werden. Die Organosilanverbindungen,
die gemäß vorliegender Erfindung polymerisiert werden können, sind in der folgenden Tabelle I zusammengestellt:
Tabelle I | |
Abkürzung | chemische Bezeichnung |
VTCS | Vinyltrichlorsilan |
TES | Tetraäthoxysilan |
VTES | Vinyltriäthoxysilan |
TVS | Tetravinylsilan |
VTAS | Vinyltriacetoxysilan |
HMDSZ | Hexamethyldisilazan |
TMS | Tetramethylsilan |
VDMES | Vinyldimethyläthoxysilan |
VTMS | Vinyltrimethoxysilan |
MTMS | Methyltrimethoxysilan |
Die überzugsmittel auf Organosilanbasis gemäß vorliegender
Erfindung werden mit Hilfe eines Plasmapolymerisationsverfahrens polymerisiert, um dem Kunststoffgegenstand eine
überlegene Abriebfestigkeit zu verleihen. In der nachstehenden Tabelle II sind beispielhafte Bedingungen, unter denen eine Organosilanverbindung, wie z.B. Vinyltrimethoxysilan, durch Plasmapolymerisation als überzug auf einem Kunststoffgegenstand abgelagert wird, zusammengestellt:
überlegene Abriebfestigkeit zu verleihen. In der nachstehenden Tabelle II sind beispielhafte Bedingungen, unter denen eine Organosilanverbindung, wie z.B. Vinyltrimethoxysilan, durch Plasmapolymerisation als überzug auf einem Kunststoffgegenstand abgelagert wird, zusammengestellt:
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JO
-ζ —1
Verbindung. Druck Beschickung (cnr Min. ) Leistung Dauer
(mbar)
Monomeres
Argon
(Watt) (Sek.)
Vinyltrimethoxysilan 0,352
Vinyltrimethoxysilan 0,339
Vinyltrimethoxysilan 0,3^7
5 5 5
14,5
15,0
14,5
30
30
1000
2000
3000
Die in Tabelle II aufgeführten Bedingungen umfassen auch eine Inertgasatmosphäre. Derartige inerte Gase können bei
der Plasmapolymerisation allgemein unter Drucken von etwa 0,067 bis etwa 0,800 mbar angewendet werden. Gemäß der vorstehenden
Tabelle II wurde Argon zur Plasmapolymerisation eingesetzt, es können aber auch andere Gase und Gasgemische
eingesetzt werden. Die in der vorstehenden Tabelle II angegebenen Bedingungen können auch für eine Plasmapolymerisation
von anderen Organosilanverbindungen, die in Tabelle I zusammengefaßt wurden, angewendet werden, um optisch klare,
abriebfeste Überzüge für Kunststoffgegenstände zu erhalten.
Die Dauer der Polymerisation oder Ablagerung, die angewandte Leistung und die Inertgasatmosphäre können verändert werden,
um die Dicke des gewünschten Überzuges oder die besondere Art oder Kombination von eingesetzten Monomeren zu erhalten.
Außerdem kann auch die gasförmige Umgebung verändert werden, um dem Überzug verschiedene Eigenschaften zu verleihen, wie
nachstehend noch näher erläutert wird.
Die Erfindung wird durch das folgende Beispiel näher erläutert Beispiel 1
Es wurde durch Plasmapolymerisation ein abriebfester optisch klarer Überzug aus Vinyltrimethyoxysilan auf ein Teil aus
Lexan^— aufgebracht. Die Plasmapolymerisation von Vinyltri-
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methoxysilan auf dem Kunststoffteil wurde I3OO Sekunden,
lang in einer Argonatmosphäre bei 0,3^7 mbar Gesamtdruck
und einer Leistungseinstellung von 30 Watt durchgeführt.
Die vorstehenden Bedingungen sind in der nachstehenden Tabelle nochmals zusammengestellt:
Versuch Nr. Druck Beschickung Leistung Dauer (mbar) Monomeres Argon <Watt) (Sek-}
VTMS-3A9B 0,3^7 5 14,5 30 I3OO
Nach Ablagerung des Überzuges aus polymerisiertem Vinyltrimethoxysilan
über dem Kunststoffteil aus Lexan ' wurde die Abriebfestigkeit des Überzuges getestet, indem man sowohl
über die überzogenen als auch über nichtüberzogene Teile des Kunststoffgegenstandes eine Diamantnadel oder einen
Diamantschreiber zog. Die Nadel wurde so befestigt, daß der DiamantSplitter die Kunststoffoberfläche berührte und
die Nadel in einem Winkel von 45° um einen freibeweglichen
Drehpunkt festlag, während die KunSbstoffprobe unter der Nadel hindurchgezogen wurde, wobei an dem Diamantsplitter "
ein Eigendruck von etwa 7 bis 10 g herrschte. Die Kunststoffprobe zeigte Kratzlinien auf dem nichtüberzogenen Teil, die
jedoch nicht auf den mit dem überzug aus polymerisiertem Vinyltrimethoxysilan überzogenen Teil übergingen. Der überzug
aus polymerisiertem Vinyltrimethoxysilan war gleichmäßig und optisch klar und stellte einen überlegenen Schutz für
den Kunststoffgegenstand dar.
Beispiele für optische Teile aus Kunststoff, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geschützt werden können, sind
Linsen, Prismen und andere Teile und Elemente, die für eine Verwendung in der Optik vorgesehen sind.
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- ie -
Wenn auch in dem vorstehenden Beispiel die Verwendung einer inerten Gasatmosphäre, z.B. aus Argon, beschrieben wurde,
so ist doch nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
die Verwendung verschiedener anderer Gase bei der Plasmapolymerisation vorgesehen, beispielsweise eine Atmosphäre
aus Sauerstoff, Stickstoff, Ammoniak, Wasserdampf, Schwefeldioxid oder Gemische daraus. Eine Plasmapolymerisation in
Gegenwart derartiger Gase führt nicht nur zur Polymerisation der Organosilanverbindungen, sondern auch zur Einarbeitung
eines Teiles des Gases unter Bildung zusätzlicher Si-O-,Si-N-.und
Si-S-Bindungen, die bekanntlich widerstandsfähig sind und dem überzug eine zusätzliche Festigkeit verleihen. Die
Verwendung und Auswahl der zusätzlichen Gase kann auf der Grundlage der gewünschten Organosilanbindungen vorgenommen
werden, um die Auswahl von optisch klaren Überzugsmitteln für Kunststoffe mit erwünschten optischen Eigenschaften und
Haltbarkeitseigenschaften zu verbessern und auch als weiteres Mittel zur Verbesserung der Abriebfestigkeit der erfindungsgemäß
hergestellten überzüge auf Organosilanbasis. Die erfindungsgemäß eingesetzten Organosilanverbindungen ergeben
überlegene abriebfeste überzüge, die einen hohen Gr.ad an mechanischer Festigkeit und eine sehr gute Gleichmäßigkeit
des Überzuges aufweisen. Diese überzüge können für besondere Erfordernisse modifiziert werden, indem man bei der Durchführung
des Plasmapolymerisationsverfahrens der vorliegenden Erfindung nicht nur verschiedene Organosilanverbindungen
kombiniert, sondern auch verschiedene Gasatmosphären einsetzt. Diese Plasmapolymerisationsverfahren ermöglichen weiterhin
eine große Vielfalt' der zu polymerisierenden Monomeren, da ein weiter Bereich an Leistungen zur Verfügung -steht, um aus
einer Vielfalt erwünschter optischer Eigenschaften, die durch Wahl und Kombination der optischen überzugsmittel und Kunststoffmaterialien
für den Gegenstand erreicht werden können, eine Auswahl zu treffen.
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Claims (6)
1. Verfahren zum Beschichten von Kunststoffgegenständen und
-flächen, dadurch gekennzeichnet, daß man auf die Gegenstände oder Flächen durch Plasmapolymerisation eines überzugsmittels
auf Organosilanbasis, das mindestens eines der Organosilane Vinyltrichlorsilan, Tetraäthoxysilan, Vinyltriäthoxysilan,
Tetravinylsilan, Vinyltriacetoxysilan, Hexamethyldisilazan, Tetramethylsilan, Vinyldimethyläthoxysilan,
Vinyltrimethoxysilan und Methyltrimethoxysilan enthält, einen Schutzüberzug aufbringt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man bei der Plasmapolymerisation des Überzugsmittels auf Organosilanbasis
in Gegenwart von Sauerstoff, Stickstoff, Ammoniak, Wasserdampf, Schwefeldioxid oder Gemischen aus zwei oder
mehr dieser Gase arbeitet.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man
die Plasmapolymerisation in einer inerten Gasatmosphäre unter einem Druck von etwa 0,067 bis etwa 0,80 mbar einleitet.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als inerte Gasatmosphäre Argon verwendet.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1J, dadurch gekennzeichnet,
daß man einen gleichmäßigen, optisch klaren und abriebfesten überzug erhält.
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ORIGINAL INSPECTED
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Überzug mit einer Durchlässigkeit im Wellenlängenbereich
von etwa 4 OOO bis 8 OOOÄ erhält.
7· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß man ein überzugsmittel verwendet, das als Organosilanverbindung Vinyltrimethoxysxlan enthält.
Für: National Aeronautics and Space Administration
Washing
dngtoji, VlLc9 V.St.A.
Iß
Dr.H.J.Wolff Rechtsanwalt
709821 /0995
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