DE4211962A1 - Plasma coating plastics article in vacuum - comprises using vacuum vessel contg. inlets and outlets for material flow control which forms process atmos., esp. from gaseous hydrocarbon - Google Patents
Plasma coating plastics article in vacuum - comprises using vacuum vessel contg. inlets and outlets for material flow control which forms process atmos., esp. from gaseous hydrocarbonInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer die Grenzflächenenergie von Werkstückoberflächen bestimmenden Schicht, mit einem Vakuum-Rezipienten, in dem die Werkstücke, vorzugsweise von aus Kunststoffen gebildete Scheinwerfer- Reflektoreinsätze, einem Plasmabeschichtungsprozeß ausgesetzt sind und mit Zu- und Abführöffnungen im Rezipienten, durch die unter kontrolliertem Zu- und Abfluß von Stoffen eine den Plasmabeschichtungsprozeß bestimmende Prozeßatmosphäre herstellbar ist.The invention relates to a method for Producing an the interfacial energy of Workpiece surface defining layer, with a Vacuum recipient in which the workpieces, preferably of headlights made of plastics Reflector inserts, a plasma coating process are exposed and with inlet and outlet openings in the Recipients, through the controlled inflow and outflow of substances determines the plasma coating process Process atmosphere can be produced.
Die Frage der Beschaffenheit von Grenzflächenenergien spielt im allgemeinen im Bereich der Oberflächenphysik und insbesondere im Kontaktverhalten von Flüssigkeiten auf Oberflächen eine große Rolle. So unterscheiden sich Flüssigkeiten von Gasen insbesondere dadurch, daß sie freie Oberflächen aufweisen, die einem immanenten Bestreben der Verkleinerung ihrer Oberflächen unterliegen. Treten nun Flüssigkeiten in Kontakt mit beliebigen Oberflächen, so bilden sich in aller Regel, unter Berücksichtigung eines nur geringen Benetzungsgrades, vereinzelte Flüssigkeitstropfen, deren Größe und Gestalt zum einen von der Oberflächenspannung der Flüssigkeit selbst abhängt, zum anderen aber von der Grenzflächenenergie zwischen der Oberfläche und der Flüssigkeit. Zur Beschreibung der spezifischen Grenzflächenenergiewerte eignet sich (neben anderen Verfahren) hierzu der sogenannte Kontaktwinkel, der einen Winkel beschreibt, der durch die Ebene der Oberfläche einerseits und der Tangente an der Flüssigkeitstropfen-Peripherie am Punkt des Tropfenrandes andererseits eingeschlossen wird. Vereinfachend gilt die Regel, je größer die spezifische Grenzflächenspannung umso kleiner ist dem Kontaktwinkel.The question of the nature of interfacial energies generally plays in the field of surface physics and especially in the contact behavior of liquids Surfaces play a major role. So differ Liquids from gases in particular in that they have free surfaces that are immanent Strive to reduce the size of their surfaces. Now liquids come into contact with any Surfaces, as a rule, form under Consideration of a low degree of wetting, isolated drops of liquid, their size and shape on the one hand from the surface tension of the liquid itself depends, but on the other hand on the Interface energy between the surface and the Liquid. To describe the specific Interfacial energy values are suitable (among others Process) the so-called contact angle, which describes an angle through which Plane of the surface on the one hand and the tangent to the Liquid drop periphery at the point of the drop edge on the other hand, is included. To simplify matters As a rule, the greater the specific interfacial tension the smaller the contact angle.
Es gibt technische Bereiche, in denen eine möglichst gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung auf Oberflächen durch aus wünschenswert ist. Hierbei sollte der Kontaktwinkel einen möglichst kleinen Wert einnehmen.There are technical areas in which one is possible uniform liquid distribution on surfaces out is desirable. Here, the contact angle take the smallest possible value.
Beispielsweise tritt bei der Herstellung und im Betrieb von aus Kunststoffen gebildeten Scheinwerfer- Reflektoreinsätzen das Problem auf, daß auf den spiegelnden Flächen, die z. B. durch Aufdampfverfahren auf den Reflektorgrundkörpern aufgebracht werden, Flüssig keitstropfen gebildet werden, die zum Teil, aufgrund der durchaus hohen Betriebstemperaturen, aus dem Produkt selbst hervortreten, zum anderen Teil aus der umgebenden Luft feuchtigkeit auf den Spiegelflächen kondensieren. Dieser in aller Regel inhomogene Flüssigkeitsfilm, der sich größ tenteils in Form vereinzelter Tropfen bildet, wirkt sich jedoch nachteilig auf die optischen Eigenschaften des Reflektors aus. Einbußen von Lichtstärke bzw. Richtung scharakteristik derartiger Scheinwerfer-Reflektoreinsätze sind die Folge. For example, in manufacturing and operation of headlights made of plastics Reflector inserts the problem that on the reflecting surfaces, the z. B. by vapor deposition the reflector base bodies are applied, liquid drops are formed in part, due to the quite high operating temperatures, from the product itself emerge from the surrounding air condense moisture on the mirror surfaces. This usually inhomogeneous liquid film that grows partly forms in the form of isolated drops, has an effect however, detrimental to the optical properties of the Reflector. Loss of light intensity or direction characteristics of such headlight reflector inserts are the consequence.
Zur Modifikation der Grenzflächenenergien von Substratoberflächen bedient man sich in bekannter Weise mit Beschichtungsverfahren, denen PCVD-Prozesse zugrundeliegen. Mit derartigen plasmaunterstützten Beschichtungsverfahren ist es heutzutage möglich, Schichten in fast beliebiger Zusammensetzung auf Substratoberflächen aufzubringen. Nur kursorisch sei beispielsweise die DE 40 10 663 A1 genannt, in der ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beschichtung von stark gekrümmten Flächenspiegeln beschrieben ist. Man bedient sich hierbei einer Substrathaltevorrichtung, die frequenz- und phasenabgestimmte Plantenbewegungen an einer Beschichtungsquelle vorbei realisiert, um möglichst gleichmäßige Beschichtungsdicken auf der ganzen gekrümmten Oberfläche herzustellen. Wesentlich bei derartigen Verfah ren ist die Verwendung bestimmter Prozeßgase, die die Abscheidung einer die Grenzflächenenergie bestimmenden Schicht ermöglicht. So sind Plasmabehandlungen von Polypropylen-Grundsubstraten bekannt, deren Prozeßatmo sphäre aus O2 und/oder CF4 besteht, mit dem Ziel, die Lackierbarkeit oder Bedruckbarkeit von Polypropylen-Sub straten zu verbessern.To modify the interfacial energies of substrate surfaces, coating methods based on PCVD processes are used in a known manner. With such plasma-assisted coating processes, it is now possible to apply layers of almost any composition to substrate surfaces. DE 40 10 663 A1 is cited only cursively, for example, in which a method and a device for coating strongly curved surface mirrors is described. A substrate holding device is used here which realizes frequency and phase-coordinated planet movements past a coating source in order to produce coating thicknesses that are as uniform as possible on the entire curved surface. What is essential in such processes is the use of certain process gases which enable the deposition of a layer which determines the interfacial energy. Thus, plasma treatments of polypropylene base substrates are known, the process atmosphere of which consists of O 2 and / or CF 4 , with the aim of improving the paintability or printability of polypropylene substrates.
Ferner werden in an sich bekannter Weise Auto- Scheinwerferreflektoren in einer aus Luft und/oder reinem Sauerstoff und/oder Wasser gebildeten Prozeßatmosphäre derart beschichtet, so daß die Oberflächenspannung in der vorgenannten Weise verändert werden kann.Furthermore, auto- Headlamp reflectors in one made of air and / or pure Oxygen and / or water formed process atmosphere coated so that the surface tension in the can be changed above.
Schließlich ist das Abscheiden von einer SiOx-Schicht auf durch DC-Plasmapolymerisation schutzbeschichteten Auto- Scheinwerferreflektoren bekannt. Eine derartig oberflächliche Oxidation, d. h. SiOx-Bildung, führt jedoch zu einer Schutzschicht, die zwar anfänglich zum Spreiten, d. h. Auseinanderfließen, von z. B. Wasser führt, d. h. der Kon taktwinkel der Wassertropfen auf der Substratoberfläche nimmt einen gegen 0° strebenden Winkel an. Diese Schichten liefern u. a. nicht den gewünschten Korrosionsschutz. Der genannte Effekt klingt jedoch im Laufe von Tagen ab und ein Kontaktwinkel von ca. 45° stellt sich unveränderlich ein. Zudem ist bei der Herstellung einer solchen Schicht eine zusätzliche Beschichtungsquelle notwendig, die die Prozeßdauer verlangsamt und die Herstellung verteuert.Finally, the deposition of a SiO x layer on car headlight reflectors coated with DC plasma polymerization is known. Such a superficial oxidation, ie SiO x formation, however, leads to a protective layer, which initially spreads, ie flows apart, from e.g. B. water leads, ie the con tact angle of the water drops on the substrate surface assumes a 0 ° striving angle. Among other things, these layers do not provide the desired corrosion protection. However, the above-mentioned effect wears off over the course of days and a contact angle of approx. 45 ° is invariable. In addition, the production of such a layer requires an additional coating source, which slows down the process time and increases the cost of production.
Alle derzeit bekannten Oberflächenmodifikationen, die möglichst kleine Kontaktwinkel beim Auftreten von oberflächigen Flüssigkeitsdepositionen ermöglichen, weisen keine Langzeitstabilität auf. Zusätzlich ist die Beschich tungsdauer bei den vorgenannten Verfahren nicht unbe trächtlich, so daß die Herstellkosten ein wesentlicher Faktor im Produktendpreis darstellen.All currently known surface modifications that contact angles as small as possible when allow superficial fluid deposition, point no long-term stability. In addition, the Beschich duration of the above-mentioned procedures is not inconsiderable pregnant so that the manufacturing cost is a substantial Show factor in final product price.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer die Grenzflächenenergie von Werkstückoberflächen bestimmenden Schicht, mit einem Vakuum-Rezipienten, in dem die Werkstücke, vorzugsweise von aus Kunststoffen gebildete Scheinwerfer- Reflektoreinsätze, einem Plasmabeschichtungsprozeß ausgesetzt sind, mit Zu- und Abführöffnungen im Rezipienten durch die unter kontrolliertem Zu- und Abfluß von Stoffen eine den Plasmabeschichtungsprozeß bestimmende Prozeßatmosphäre herstellbar ist, derart weiter zu ent wickeln, daß die auf der Substratoberfläche abgeschiedene Schicht die Oberflächenenergie in einer Weise verändert, daß auf ihr abgeschiedene Flüssigkeitsmengen einen minima len Kontaktwinkel einnehmen und daß die Wirkung der, die Grenzflächenenergie bestimmenden Schicht, langzeitstabil ist. Darüberhinaus soll das erfindungsgemäße Verfahren in einem einzigen Verfahrensschritt mit nur kurz gehalte nen Prozeßzeiten und zu einer möglichst kostengünstigen Herstellung führen.The invention has for its object a method to produce an interfacial energy of Workpiece surface defining layer, with a Vacuum recipient in which the workpieces, preferably of headlights made of plastics Reflector inserts, a plasma coating process are exposed, with inlet and outlet openings in the Recipients through the controlled inflow and outflow of substances determines the plasma coating process Process atmosphere is producible, such as ent wrap that deposited on the substrate surface Layer changes the surface energy in a way that a minimal amount of liquid separated on it len contact angle and that the effect of the Interface energy determining layer, long-term stable is. In addition, the inventive method in a single process step with just short hold NEN process times and at the least possible cost Lead manufacture.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.An inventive solution to this problem is in Claim 1 specified. Developments of the invention are Subject of the subclaims.
Erfindungsgemäß ist das Verfahren zur Herstellung einer die Grenzflächenenergie von Werkstückoberflächen bestimmenden Schicht, mit einem Vakuum-Rezipienten, in dem die Werkstücke, vorzugsweise von aus Kunststoffen gebildete Scheinwerfer-Reflektoreinsätze, einem Plasmabeschichtungsprozeß ausgesetzt sind und mit Zu- und Abführöffnungen im Rezipienten, durch die unter kontrolliertem Zu- und Abfluß von Stoffen eine den Plasmabeschichtungsprozeß bestimmende Prozeßatmosphäre herstellbar ist, derart angegeben, daß die aus der Prozeßatmosphäre auf die Werkstückoberfläche abgeschiedene Schicht im wesentlichen aus Kohlenstoff und Wasserstoff besteht.According to the invention, the method for producing a the interfacial energy of workpiece surfaces determining layer, with a vacuum recipient in which the workpieces, preferably of plastics formed headlight reflector inserts, one Plasma coating process are exposed and with feed and Drainage openings in the recipient, through the under controlled inflow and outflow of substances Process atmosphere determining the plasma coating process can be produced, indicated in such a way that from the Process atmosphere deposited on the workpiece surface Layer essentially made of carbon and hydrogen consists.
Scheinwerfer-Reflektoreinsätze, wie sie aus der Fahrzeug technik weitgehend bekannt sind, werden in aller Regel in mehrfachen Beschichtungsschritten hergestellt. Als zuletzt auf das Endprodukt aufgebrachte Schicht soll die erfin dungsgemäße Abscheidung zur möglichst gleichmäßigen Ver teilung von auf ihr aufgebrachten Flüssigkeiten dienen. Darunter sind nicht nur Wasser oder aus dem Re flektorgrundkörper austretende Ausdünstungen zu verstehen, sondern auch Klebstoffe, die gezielt auf Randbereiche der Reflektoren aufgebracht werden, um die Scheinwerfer frontscheiben darauf zu fixieren. Hierdurch soll u. a. auch eine bessere Kleb- und Haftwirkung der zu verbinden den Scheinwerferbestandteile erzielt werden.Headlight reflector inserts, such as those found in the vehicle technology are widely known, are usually in multiple coating steps. As the last the layer applied to the end product should be invented Deposition according to the invention for the most uniform possible Ver division of liquids applied to it. Among them are not just water or from the Re to understand the evaporation of the but also adhesives that are targeted to the peripheral areas of the Reflectors are applied to the headlights to fix windscreens on it. This should u. a. also a better adhesive and adhesive effect of the join the headlight components can be achieved.
Wie bereits erwähnt, bedient man sich beim erfindungs wesentlichen Verfahren einem plasmaunterstützten CVD-Pro zeß, der mit Prozeßdrücken innerhalb des Vakuumrezipienten, auch Prozeßkammer genannt, zwischen 0,01 Pa und 100 Pa arbeitet. Vorzugsweise bedient man sich der Mikrowelleneinspeisung in den Plasmabereich innerhalb der Prozeßkammer. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Beschichtungsverfahren denkbar, beispielsweise Aufdampf verfahren oder, Sputtertechnik um nur einige zu nennen.As already mentioned, one makes use of the invention essential process of a plasma-assisted CVD-Pro zeß with process pressures within the Vacuum recipients, also called process chamber, between 0.01 Pa and 100 Pa works. It is preferable to use it the microwave feed into the plasma area within the process chamber. Basically, however, there are others Coating processes conceivable, for example vapor deposition process or, sputtering technology to name just a few.
Die erfindungsgemäße Prozeßatmosphäre wird vorwiegend aus Kohlenstoff und Wasserstoff gebildet. Darüberhinaus können den Prozeßgasen Sauerstoff und/oder Stickstoff und/oder Wasser und/oder Halogene bzw. Halogenide und/oder ein Inertgas beigemischt werden.The process atmosphere according to the invention is predominantly made up of Carbon and hydrogen formed. Furthermore, you can the process gases oxygen and / or nitrogen and / or Water and / or halogens or halides and / or a Inert gas can be added.
Die zur Plasmaherstellung und -Aufrechterhaltung einge brachte Mikrowellenleistung beträgt in der Regel zwischen 1 kW und 50 kW pro 1 m3 Plasmavolumen. Der Hintergrund druck für Stickstoff, Sauerstoff und Wasser beträgt je weils zwischen 0 und 1 Pa.The microwave power introduced for plasma production and maintenance is generally between 1 kW and 50 kW per 1 m 3 of plasma volume. The background pressure for nitrogen, oxygen and water is between 0 and 1 Pa.
Als Prozeßgase kommen sowohl gasförmige Kohlenwasserstoffe wie z. B. Methan, Äthan, Ätin oder Butan als auch unter Normalbedingungen flüssige Kohlenwasserstoffe, wie z. B. Cyclopentan, Hexan oder Benzol zum Einsatz. Der Prozeßgasmassenfluß beträgt hierbei zwischen 50 und 23 000 hPA*l/min pro 1 m3 Plasmalänge. Das Saugvermögen der den Stoffabfluß regelnden Pumpen betragen zwischen 400 und 400 000 l/sec Stickstoff pro 1 m3 Plasmavolumen. As process gases come both gaseous hydrocarbons such. B. methane, ethane, aetine or butane as well as liquid hydrocarbons under normal conditions, such as. B. cyclopentane, hexane or benzene are used. The process gas mass flow is between 50 and 23,000 hPA * l / min per 1 m 3 plasma length. The pumping speed of the pumps regulating the material flow is between 400 and 400,000 l / sec nitrogen per 1 m 3 plasma volume.
Ohne den erfindungsgemäßen Gedanken einzuschränken wurde zur Beschichtung der Scheinwerfer-Reflektoreinsätze bei spielsweise die in der DE 40 10 663 A1 beschriebene Vor richtung verwendet. Hierbei wurden zunächst verschiedene Vorbeschichtungen des Substrats vorgenommen, wie z. B. Vorbeschichtung, Aluminisierung und Schutzbeschichtung bevor die erfindungsgemäße Abscheidung mit einem Prozeß druck von 0,07 Pa, einem Prozeßgasmassenfluß von 240 hPa*l/min pro 1 m3 Plasmavolumen mit dem Prozeßgas Äthin, einer Mikrowellenleistung von 1 kW pro 1 m3 Plasmavolumen und einer Prozeßzeit von 20 sec. vorgenommen wurde.Without restricting the idea of the invention, the coating described in DE 40 10 663 A1 was used to coat the headlight reflector inserts in example. Here, various precoatings of the substrate were first carried out, such as. B. Pre-coating, aluminization and protective coating before the deposition according to the invention with a process pressure of 0.07 Pa, a process gas mass flow of 240 hPa * l / min per 1 m 3 plasma volume with the process gas ethine, a microwave power of 1 kW per 1 m 3 plasma volume and a process time of 20 seconds.
Überraschenderweise erfüllt die mit den oben angegebenen Prozeßparametern erzeugte Schicht die gewünschten Eigen schaften. Sowohl geschlossene Schichten mit Schichtdicken größer als 100 Å, als auch die Substratoberfläche nicht vollständig bedeckende Schichten mit Schichtdicken unter 20 Å, bewirken eine vorteilhafte Veränderung der Oberflächenspannung, wie sie eingangs erwünscht wurde. Im letztgenannten Fall handelt es sich weniger um eine Beschichtung im wörtlichen Sinn, als vielmehr um eine Oberflächenmodifikation, wodurch nach der Oberflächenbehand lung die Natur der energetischen Verhältnisse auf der Substratoberfläche zusammen mit dem dünnen Schichtüberzug die Grenzflächenenergie bestimmen.Surprisingly, that complies with those given above Process parameters generated layer the desired Eigen create. Both closed layers with layer thicknesses larger than 100 Å, as well as the substrate surface not completely covering layers with layer thicknesses below 20 Å, cause a beneficial change the surface tension, as was initially desired. In the latter case, it is less a question of one Coating in the literal sense, rather than one Surface modification, whereby after the surface treatment the nature of the energetic conditions on the Substrate surface together with the thin layer coating determine the interfacial energy.
Die extrem geringen Schichtdicken ermöglichen darüberhin aus sehr kurze Prozeßzeiten, die im Falle der statischen Beschichtung unter 1 Sekunde betragen können. Das erfin dungsgemäße Verfahren ist somit schneller als die im Stand der Technik genannten.The extremely thin layers also allow from very short process times, which in the case of static Coating can be less than 1 second. That invented The method according to the invention is therefore faster than that in the state the technology mentioned.
Im Gegensatz zu den nichtbeschichtenden Oberflächenmodi fikationsverfahren, die in aller Regel aufgrund von zunehmender Absättigung von im Beschichtungsprozeß gebildeten Radi kalen auf der Substratoberfläche ein deutliches Abklingverhalten zeigen, ist die Veränderung der Grenzflächenenergie mit dem hier dargestellten Verfahren langzeitstabil. Über einen Beobachtungszeitraum von mehr als einem Jahr konnten keine signifikanten Veränderungen spezifischer Grenzflächenenergien (polarer und disperser Anteil) festgestellt werden. Als Maß für die Grenzflächenenergie wurde der bereits erwähnte Kontaktwinkel von bestimmten Flüssigkeiten auf der Schichtoberfläche verwendet. Für die Messungen wurde eine polare Flüssigkeit, Wasser, und eine unpolare, Cis-Decahydronaphthalin verwendet. Direkt nach der erfindungsgemäßen Beschichtung spreitet das Cis-De cahydronaphtalin, während Wasser einen Kontaktwinkel von kleiner-gleich 45° aufweist. Beide Effekte blieben über einen Beobachtungszeitraum von mehr als einem Jahr stabil.In contrast to the non-coating surface modes fiction procedures, which are usually due to increasing Saturation of Radi formed in the coating process scale clearly on the substrate surface Show decay behavior is the change in Interfacial energy with the procedure shown here long-term stable. Over an observation period of more than one year, no significant changes could be more specific Interface energies (polar and disperse fraction) be determined. As a measure of the interfacial energy the contact angle already mentioned was determined by certain Liquids used on the layer surface. For the Measurements were made of a polar liquid, water, and one non-polar, cis-decahydronaphthalene used. Right after the coating according to the invention spreads the cis-de cahydronaphtalin, while water has a contact angle of less than or equal to 45 °. Both effects remained a stable observation period of more than one year.
Im Vergleich dazu führt eine oberflächliche Oxidation durch SiOx-Bildung, wie bereits erwähnt zum Spreiten von Wasser, aufgrund der an der Oberfläche erzeugten Radikale. Dieser Effekt klingt jedoch im Laufe von Tagen ab und ein Kon taktwinkel von stabil 40° bis 45° stellt sich ein. Der Kontaktwinkel von Cis-Decahydronaphtalin liegt hier An fangs bei etwa 20° und sinkt innerhalb von Tagen auf etwa 10°. Ein Spreiten von Cis-Decahydronaphtalin wird nicht erreicht. Darüberhinaus liegen die notwendigen Prozeßzei ten bei einigen Minuten und sind damit um den Faktor 100 länger als mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird damit erstmalig eine Schichtbildung zur Beeinflussung der Oberflächenspannung ermöglicht, die über verbesserte Spreiteigenschaften für polare und nichtpolare Flüssigkei ten verfügt, kurze Prozeßzeiten ermöglicht und dadurch erheblich verminderte Produktionskosten verursacht sowie zur Verbesserung der Verklebbarkeit des Reflektorsystems beiträgt.In comparison, a surface oxidation by SiO x formation leads, as already mentioned, to the spreading of water due to the radicals generated on the surface. However, this effect subsides over days and a contact angle of stable 40 ° to 45 ° is established. The contact angle of cis-decahydronaphthalene is initially around 20 ° and drops to around 10 ° within days. Spreading of cis-decahydronaphthalene is not achieved. In addition, the necessary process times are a few minutes and are therefore a factor of 100 longer than with the method according to the invention, for the first time a layer formation for influencing the surface tension is made possible, which has improved spreading properties for polar and non-polar liquids, enables short process times and thereby causes significantly reduced production costs and contributes to improving the adhesiveness of the reflector system.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OM8 | Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: BALZERS UND LEYBOLD DEUTSCHLAND HOLDING AG, 63450 |
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8141 | Disposal/no request for examination |