DE2650048A1 - Verfahren zum beschichten von kunststoffgegenstaenden und -flaechen - Google Patents

Verfahren zum beschichten von kunststoffgegenstaenden und -flaechen

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DE2650048A1 DE19762650048 DE2650048A DE2650048A1 DE 2650048 A1 DE2650048 A1 DE 2650048A1 DE 19762650048 DE19762650048 DE 19762650048 DE 2650048 A DE2650048 A DE 2650048A DE 2650048 A1 DE2650048 A1 DE 2650048A1
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Description

BElL7 WOLFF'& BEIL
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.
Verfahren zum Beschichten von Kunststoffgegenständen
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 *', 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:
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JO
Tabelle II
-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)

Patentansprüche
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.
Dr.H.J.Wolff Rechtsanwalt
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DE2650048A 1975-11-21 1976-10-30 Verfahren zum Beschichten von Kunststoffgegenständen und -flächen Expired DE2650048C2 (de)

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