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DE102005060731A1 - Prismenfilme für optische Anwendungen - Google Patents

Prismenfilme für optische Anwendungen Download PDF

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DE102005060731A1
DE102005060731A1 DE102005060731A DE102005060731A DE102005060731A1 DE 102005060731 A1 DE102005060731 A1 DE 102005060731A1 DE 102005060731 A DE102005060731 A DE 102005060731A DE 102005060731 A DE102005060731 A DE 102005060731A DE 102005060731 A1 DE102005060731 A1 DE 102005060731A1
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thickness
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base film
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DE102005060731A
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Jann Dr. Schmidt
Alexander Dr. Laschitsch
Christian Roth
Christoph Dr. Krohmer
Helmut Häring
Detlef Birth
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Roehm GmbH Darmstadt
Original Assignee
Roehm GmbH Darmstadt
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft coextrudierte Folien mit Prismenstruktur, ein Verfahren zur Herstellung von coextrudierten Folien mit Prismastruktur und Verwendungen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine coextrudierte Kunststofffolie mit Prismenstruktur, ein Verfahren zur Herstellung von coextrudierten Kunststofffolien mit Prismenstruktur und deren Verwendungen.
  • Unter verschiedenen Gesichtspunkten hat die Technik Verfahren zur Strukturierung von Kunststoff-Oberflächen entwickelt, soweit sich der Kunststoff dafür eignet. Beispielsweise bei Thermoplasten wird eine Strukturierung der Oberfläche vorzugsweise durch Einwirkung eines Prägewerkzeugs auf die im entsprechenden Temperaturzustand befindliche Oberfläche erreicht. (Becker-Braun, Kunststoff-Handbuch, Bd. 1, 543–544, Hanser-Verlag 1990; K. Stockhert, Veredeln von Kunststoffoberflächen, Hanser 1975). Im Handel befindet sich u.a. Kunststoff-Tafelmaterial auf PMMA-Basis mit charakteristisch strukturierten Oberflächen. Diese werden u.a. durch Extrusion bei gleichzeitiger Prägung in einem Drei-Walzen-Glättwerk (Kalander) hergestellt. Dabei ist eine Walze (Prägewalze) mit dem Negativ der gewünschten Plattenstruktur versehen. Das Ziel ist bei strukturierten Platten eine möglichst gute Abbildung der Walzenstruktur. Man erreicht dieses Ziel durch Einstellen einer möglichst niedrigen Schmelzeviskosität und einer möglichst hohen Walzentemperatur. Desweiteren sollte – wie die Praxis zeigt – das Druckmaximum vor der engsten Stelle im Walzenspalt (d.h. dem Spalt zwischen glatter und strukturierter Walze) hoch sein, um möglichst viel Prägekraft übertragen zu können. Aus den drei genannten Bedingungen ergeben sich unabwendbar Kompromisse bei der technischen Durchführung der Extrusion strukturierter Tafeln.
  • Die Herstellung von Kunststoffplatten mit strukturierten Oberflächen nach dem Verfahren des Standes der Technik stößt insbesondere da an ihre Grenzen, wo besonders hohe Anforderungen hinsichtlich Feinheit und Genauigkeit der Struktur gestellt werden.
  • Die Möglichkeit der Anpassung der geschilderten Randbedingungen sind limitiert: Die Walzentemperatur kann nicht beliebig erhöht werden, da die meisten Kunststoffschmelzen an heißen Metallen kleben. Diese Klebetendenz führt ab einer gewissen Walzentemperatur zu Ablöseschwierigkeiten an der Prägewalze. Die Schmelzeviskosität des Kunststoffs kann nicht beliebig niedrig gewählt werden, etwa durch Einstellung hoher Schmelzetemperaturen, da sonst die Prägekraft im Walzenspalt zu gering wird.
    •
  • Die Abbildegenauigkeit von Platten, die nach diesem Verfahren und mit diesen Einschränkungen produziert werden, ist für gewisse Anwendungen nicht gut genug, d.h. feine Strukturen werden nicht richtig ausgeformt oder verrunden. Es bestand daher die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung von strukturierten Oberflächen zur Verfügung zu stellen, das den genannten Anforderungen, wie hohe Abbildegenauigkeit der Prägewalze bei sehr feiner Struktur der Oberfläche, genügt.
  • Ein weiteres Problem ist die Herstellung dünner Folien mit strukturierten Oberflächen. In der DE 44 074 68 werden Plattendicken auf 0,5 bis 25 mm limitiert. Die Dicke der aufgebrachten niedrigviskoseren Schicht wird auf 0,2 bis 5 mm limitiert. Damit ergeben sich massive Tafeln mit Dicken von 0,7 bis 30 mm. Eine Übertragung der Technik zur Herstellung von Platten auf dünne Folien ist kaum möglich.
  • Eine weitere Aufgabe bestand in der Bereitstellung dünner Folien mit einer strukturierten Oberfläche.
  • In der US 5175030 wird ein Verfahren zur Herstellung von Folien mit Prismenstruktur beschrieben. Es wird in einem aufwändigen diskontinuierlichen Verfahren ein Harz auf eine fertige Folie gebracht, mit einem Master geprägt und der Verbund mit UV-Strahlung ausgehärtet. Anschließend wird der Master vom mikrostrukturierten Film getrennt. Neben den hohen Herstellkosten, auch bedingt durch die diskontinuierliche Produktion, ist ein weiterer Nachteil die eingeschränkte Foliengröße. Die maximale Mastergröße beträgt ca. 1200 × 1200 mm.
  • Aufgabe war es zudem, ein wirtschaftliches, kontinuierliches Verfahren zur Verfügung zu stellen.
  • Die Aufgabe wurde gelöst durch ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von coextrudierten Kunststofffolien mit Prismenstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass im Extrusionsverfahren eine Basisfolie mit einer Dicke zwischen 0,10 und 0,35 mm und eine niedrigviskose Schicht coextrudiert und anschließend mittels eines beheizbaren Walzen-Glättwerkes, enthaltend eine Walze mit strukturgebender Oberfläche, der Folienverbund mit einer Strukturierung versehen wird.
  • Mittels einer mit 2 Extrudern und einem Walzen-Glättwerk, enthaltend eine Walze mit strukturierter Oberfläche (Prägewalze) ausgestatteten Extrusionsanlage wird eine coextrudierte Kunststofffolie hergestellt, wobei auf eine hochviskose Basisfolie eine niedrigviskose Schicht aufgebracht wird. Die coextrudierte Kunststofffolie wird anschließend im Walzen-Glättwerk durch die Prägewalze strukturiert. Durch die Verwendung einer hochviskosen Basisfolie wird die Einbringung der nötigen Prägekraft gewährleistet. Sowohl Basisfolie als auch Coextrusionsschicht sind vorzugsweise thermoplastische Kunststoffe.
  • Als thermoplastische Kunststoffe kommen Polyacrylate, insbesondere PMMA, Polycarbonat, Polyolefine, LDPE, HDPE, PP, Polyethylenterephtalat, PVC, Polystyrol, Polyamid infrage. Die niedrigviskose Coextrusionsschicht kann vorteilhaft aus denselben Kunststofftypen bestehen, wie die Basisfolie, sie kann aber auch aus einem mit diesem hinreichend kompatiblen Kunststoff bestehen. (Vgl. J.E. Johnson, Kunststoffberater 10, 538–541 (1976)). Als Regel kann gelten, daß die Schmelzviskosität des Coextrusionsmaterials der einer Spritzgußmasse für hohe Abbildegenauigkeit entsprechen soll. Besonders bevorzugt wird Polycarbonat verwendet, da der Brechungsindex von 1,58 für optische Anwendungen gut geeignet ist. Beispielsweise wird mit Polycarbonat eine effiziente Lichtlenkung gewährleistet.
  • Die coextrudierte Schicht besteht vorzugsweise aus einem niedrigviskosen Material. Zusätzlich können dem Material auch Fließverbesserer zugegeben werden. Als Fließverbesserer sind niedermolekulare Verbindungen geeignet, wie beispielsweise niedermolekulares Polymethylmethacrylat.
  • Das MVR (melt volumeflow rate) Verhältnis zwischen hochviskoser Basisfolie und niedrigviskoser Coextrusionsschicht liegt idealerweise zwischen 1:20 und 1:8, bevorzugt bei 1:10.
  • Die Dicke der niedrigviskosen Coextrusionsschicht ist von der Funktion abhängig. Die Prägung einer Struktur erfordert genau abgestimmte Verfahrensparameter. Die Möglichkeiten der Anpassung sind limitiert: Die Walzentemperatur kann nicht beliebig erhöht werden, da die meisten Kunststoffschmelzen an heißen Metallen kleben. Diese Klebetendenz führt ab einer gewissen Walzentemperatur zu Ablöseschwierigkeiten an der Prägewalze. Die Schmelzeviskosität des Kunststoffs kann nicht beliebig niedrig gewählt werden, etwa durch Einstellung hoher Schmelzetemperaturen, da sonst die Prägekraft im Walzenspalt zu gering wird.
  • Bei einer höherviskos eingestellten Coextrusionsschicht reichen die Andruckkräfte der Walzenpaare nicht aus, um eine akzeptable Prägung zu erreichen.
  • Einen besonderen Einfluß hat daher die Schichtdicke der Coextrusionsschicht. Für eine gute Abbildung der Struktur sollte die Schichtdicke mindestens ein Viertel der Strukturhöhe der Prägewalze aufweisen.
  • Überraschend wurde gefunden, dass die Aufbringung einer sehr dicken Coextrusionsschicht aus niedrigviskosem Kunststoff zur Ausprägung einer gleichmäßigen Prismenstruktur führt, auch wenn man entgegen der Angabe in der DE 44 074 68 mit der niedrigviskosen Coextrusionsschicht die maximale Tiefe der Struktur der der Prägewalze überschreitet.
  • Bei einer optimalen Anpassung der Verfahrensparameter kann auf den Einsatz von Trennmitteln verzichtet werden. Sollte trotzdem der Einsatz von Trennmitteln in der Coextrusionsschicht erforderlich sein, stehen dem Fachmann die aus dem Stand der Technik bekannten Materialien zur Verfügung (H.F. Mark et al. Encyclopedia of Polymer Science & Engineering, Index Volume pg. 307–324, J. Wiley 1990; Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5th Ed. Vol. A20, pg. 479–483, VCH 1992; R. Gaechter, H. Müller Kunststoffadditive, 3. Aufl. Carl Hanser Verlag 1989).
  • Vorzugsweise liegt der Gehalt der mit der Coextrusionsschicht eingesetzten Trennmittel im Bereich 0 bis 0,34 Gew.-% bezogen auf die Masse an Coextrudat. Genannt seien insbesondere höhere Alkohole.
  • Durch die Verwendung eines Trennmittels in der Coextrusionsmasse sinkt die Klebeneigung der Schmelze an heißem Metall. Die Prägewalzentemperatur kann daher bei dem Prägeverfahren erheblich erhöht werden. Als Anhalt seien bis zu 70°C über der Glastemperatur Tg der Coextrusionsmasse genannt. (Die Glastemperaturen Tg sind bekannt bzw. können rechnerisch ermittelt oder bestimmt werden. (Vgl. Brandrup-Immergut, Polymer Handbook, Chapter V, J. Wiley, Vieweg-Esser, Kunststoff-Handbuch Bd. IX, 333–340, Carl Hanser 1975).
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann wie folgt durchgeführt werden: Die Extrusionsanlage ist im wesentlichen aufgebaut aus einem Hauptextruder, einem Coextruder und einem Werkzeug zur Coextrusion.
  • Die maximale Breite der extrudierten Folien wird durch das Coextrusions-Werkzeug bestimmt. Im allgemeinen sind die extrudierten Folien 400 bis 2000 mm breit. Ihre Dicke wird ebenfalls durch die Bedingungen der Coextrusion limitiert; im allgemeinen liegt die Dicke der Basisfolie bei 0,10 bis 0,35 mm, wobei die aus dem niedrigviskosen Material gebildete Schicht in erster Linie durch die mit der Strukturierung intendierte Funktion bestimmt wird. Im allgemeinen liegt deren Schichtdicke jedoch bei 0,006 bis 0,075 mm. Die Strukturtiefe der Prägewalze liegt Idealerweise zwischen 0,025 und 0,070 mm.
  • Die durch den Hauptextruder auf geeignete Temperatur gebrachte Basisformmasse und die im Coextruder auf geeignete Temperatur gebrachte niedrigviskose Formmasse werden im Coextrusionswerkzeug zusammengeführt. Dabei ergeben sich für die Basisformmasse als Anhaltspunkt etwa die folgenden Düsentemperaturen:
    Basisformmasse Verarbeitungstemperatur (°C)
    Polymethylmethacrylat 230–290
    Polystyrol 190–230
    Polycarbonat 250–300
  • Das aus dem Coextrusionswerkzeug austretende Coextrudat wird über das Walzen-Glättwerk geleitet, wobei eine Walze als Prägewalze derart ausgelegt ist, daß ihre Oberfläche das Negativ der gewünschten strukturierten Folienoberfläche darstellt. Zwischen der Andruckwalze und der Prägewalze befindet sich der Walzenspalt. Hier soll das Druckmaximum vor der engsten Stelle hoch sein, um möglichst viel Prägekraft übertragen zu können. Das Walzen-Glättwerk entspricht im übrigen dem Stand der Technik. Die extrudierten Folien mit strukturierter Oberfläche werden über Stützrollen transportiert. Anschließend können sie auf die gewünschte Länge gewickelt und/oder geschnitten werden. Das Profil stellt dann ein exaktes Abbild der Prägewalzenoberfläche dar.
  • Es wurde gefunden, daß erstmalig beliebig lange coextrudierte Kunststofffolien mit Prismenstruktur zur Verfügung gestellt werden können, deren Basisfolie eine Dicke zwischen 0,10 und 0,35 mm aufweist.
  • Bei den coextrudierten Kunststofffolien mit Prismenstruktur liegt das MVR-Verhältnis von Basisfolie zur coextrudierten Schicht zwischen 1:20 und 1:8, bevorzugt bei 1:10.
  • Die coextrudierte Schicht kann eine Dicke von mindestens der Hälfte der Strukturhöhe aufweisen. Entgegen der DE 4407468 kann die Dicke der coextrudierten Schicht größer als die Strukturtiefe der Prägewalze sein.
  • Ein Anwendungsgebiet für die erfindungsgemäß hergestellten Folien sind optische Materialien. Da für optische Anwendungen ein qualitativ hochwertiges Material erforderlich ist, wird dieses Verfahren bevorzugt im Reinraum durchgeführt. Für die besonders interessante Anwendung als Folie für die Displayhinterleuchtung wird im Reinraum der Klasse 100 gearbeitet, da die Staubbelastung der Umgebungsluft zur nicht akzeptablen Verschmutzung der Folie führen würde.
  • Die im Folgenden gegebenen Beispiele werden zur besseren Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung gegeben, sind jedoch nicht dazu geeignet, die Erfindung auf die hierin offenbarten Merkmale zu beschränken.
    •
  • BEISPIELE
  • Beispiel 1:
  • In einer Coextrusionsanlage wird Polycarbonat mit einem MVR-Wert von 6 mit einem niedrigviskosen Polycarbonat mit einem MVR-Wert von 66 coextrudiert.
  • Die Basisfolie hat eine Breite von 1800 mm und eine Dicke von 150μm, die coextrudierte Schicht eine Dicke von 25μm.
  • Das Coextrudat wird über ein beheizbares Walzen-Glättwerk, hier ein Dreiwalzen-Glättwerk, geführt, das eine Prägewalze mit Prismenstruktur besitzt. Die Strukturtiefe der Prägewalze beträgt 50μm. Die Prägewalze wird auf ca. 200°C erwärmt. Mit einer Geschwindigkeit von 20 m/min wird die coextrudierte Folie über die Prägewalze geführt.
  • Es wird eine coextrudierte Kunststofffolie aus Polycarbonat mit einer sehr guten Abformung der Prismenstruktur erhalten, die für optische Anwendungen, beispielsweise für Displayhinterleuchtungen geeignet sind.
  • Beispiel 2:
  • In einer Coextrusionsanlage wird Polycarbonat mit einem MVR-Wert von 6 mit einem niedrigviskosen Polycarbonat mit einem MVR-Wert von 66 coextrudiert.
  • Die Basisfolie hat eine Breite von 400 mm und eine Dicke von 500μm, die coextrudierte Schicht eine Dicke von 70μm.
  • Das Coextrudat wird über ein beheizbares Walzen-Glättwerk, hier ein Dreiwalzen-Glättwerk, geführt, das eine Prägewalze mit Prismenstruktur besitzt. Die Strukturtiefe der Prägewalze beträgt 50μm. Die Prägewalze wird auf ca. 200°C erwärmt. Mit einer Geschwindigkeit von 2 m/min wird die coextrudierte Folie über die Prägewalze geführt.
  • Es wird eine coextrudierte Kunststofffolie aus Polycarbonat mit einer sehr guten Abformung der Prismenstruktur erhalten, die für optische Anwendungen, beispielsweise für Displayhinterleuchtungen geeignet sind.
  • Beispiel 3:
  • In einer Coextrusionsanlage wird Polycarbonat mit einem MVR-Wert von 3 mit einem niedrigviskosen Polycarbonat mit einem MVR-Wert von 60 coextrudiert.
  • Die Basisfolie hat eine Breite von 400 mm und eine Dicke von 500μm, die coextrudierte Schicht eine Dicke von 70μm. Das Coextrudat wird über ein beheizbares Dreiwalzen-Glättwerk geführt, das eine Prägewalze mit Prismenstruktur besitzt. Die Strukturtiefe der Prägewalze beträgt 50μm.
  • Die Prägewalze wird auf ca. 200°C erwärmt. Mit einer Geschwindigkeit von 2 m/min wird die coextrudierte Folie über die Prägewalze geführt.
  • Es wird eine coextrudierte Kunststofffolie aus Polycarbonat mit einer sehr guten Abformung der Prismenstruktur erhalten, die für optische Anwendungen, beispielsweise für Displayhinterleuchtungen geeignet sind
  • Beispiel 4:
  • In einer Coextrusionsanlage wird Polymethylmetacrylat mit einem MVR-Wert von 1,2 mit einem niedrigviskosen Polymethylmetacrylat mit einem MVR-Wert von 12 coextrudiert.
  • Die Basisfolie hat eine Breite von 400 mm und eine Dicke von 800m, die coextrudierte Schicht eine Dicke von 25μm. Das Coextrudat wird über ein beheizbares Dreiwalzen-Glättwerk geführt, das eine Prägewalze mit Prismenstruktur besitzt. Die Strukturtiefe der Prägewalze beträgt 100μm.
  • Die Prägewalze wird auf ca. 180°C erwärmt. Mit einer Geschwindigkeit von 2 m/min wird die coextrudierte Folie über die Prägewalze geführt.
  • Es wird eine coextrudierte Kunststofffolie aus Polymethylmetacrylat mit einer sehr guten Abformung der Prismenstruktur erhalten.

Claims (13)

  1. Kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von coextrudierten Kunststofffolien mit Prismenstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass im Extrusionsverfahren eine Basisfolie mit einer Dicke zwischen 0,10 und 0,35 mm und eine niedrigviskose Schicht coextrudiert und anschließend mittels eines beheizbaren Walzen-Glättwerkes, enthaltend eine Walze mit strukturgebender Oberfläche, der Folienverbund mit einer Strukturierung versehen wird.
  2. Kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von coextrudierten Kunststofffolien gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Extrusionsverfahren eine Basisfolie mit einer Dicke zwischen 0,10 und 0,35 mm und eine niedrigviskose Schicht mit einer Dicke, die mindestens ein Viertel der Strukturhöhe aufweist coextrudiert werden.
  3. Kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von coextrudierten Kunststofffolien gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Extrusionsverfahren eine Basisfolie und eine niedrigviskose Schicht mit einer Dicke, die stärker als die Strukturhöhe ist, coextrudiert wird.
  4. Kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von coextrudierten Kunststofffolien gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das MVR-Verhältnis von Basisfolie und niedrigviskoser Schicht zwischen 1:8 und 1:20 liegt.
  5. Kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von coextrudierten Kunststofffolien gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Prägewalze bis zu 70°C über der Glastemperatur der Coextrusionsmasse liegt.
  6. Kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von coextrudierten Kunststofffolien gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Coextrusionsmasse noch Trennmittel enthält.
  7. Coextrudierte Kunststofffolie mit Prismenstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisfolie eine Dicke zwischen 0,10 und 0,35 mm aufweist.
  8. Coextrudierte Kunststofffolie mit Prismenstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass das MVR-Verhältnis von Basisfolie zu einer coextrudierten Schicht zwischen 1:20 und 1:8 liegt.
  9. Coextrudierte Kunststofffolie gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das MVR-Verhältnis von Basisfolie zu coextrudierter Schicht bei 1:10 liegt.
  10. Coextrudierte Kunststofffolie gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der coextrudierten Schicht mindestens ein Viertel der Strukturhöhe aufweist.
  11. Coextrudierte Kunststofffolie gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der coextrudierten Schicht größer als die Strukturtiefe ist.
  12. Verwendung der coextrudierten Kunststofffolien hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 1 für optische Anwendungen.
  13. Verwendung der coextrudierten Kunststofffolien hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 1 für Displayhinterleuchtungen.
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