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Dokumentenidentifikation DE102005059485A1 24.08.2006
Titel Verfahren zum Beschichten von Gegenständen aus Kunststoff
Anmelder Carl Zeiss AG, 73447 Oberkochen, DE
Erfinder Neuffer, Andreas, Dr., 71679 Asperg, DE;
Winter, Karl-Heinz, 73457 Essingen, DE;
Hugenberg, Norbert, Dr., 73430 Aalen, DE
Vertreter Witte, Weller & Partner, 70178 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 08.12.2005
DE-Aktenzeichen 102005059485
Offenlegungstag 24.08.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.08.2006
IPC-Hauptklasse B05D 7/02(2006.01)A, F, I, 20051208, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B05D 3/14(2006.01)A, L, I, 20051208, B, H, DE   
Zusammenfassung Ein Verfahren zum Beschichten von Gegenständen, beispielsweise von optischen Linsen aus Kunststoff, umfasst die Schritte: a) Bereitstellen eines Kunststoffkörpers aus einem vorbestimmten plasmadegradierenden Kunststoff; b) Aufbringen einer flüssigen Primerschicht auf den Kunststoffkörper, wobei die Primerschicht ein Polymer in Lösung enthält; c) Aushärten der Primerschicht durch Trocknen und d) Aufbringen einer Funktionsschicht auf die Primerschicht unter Verwendung eines Plasmas.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Gegenständen aus Kunststoff.

Beim Herstellen von bestimmten Gegenständen aus Kunststoff, beispielsweise von optischen Linsen, insbesondere von Brillengläsern Oder von scheibenförmigen Datenträgern, ist es bekannt, den Gegenstand mit einer Funktionsschicht zu versehen.

Die Funktionsschicht kann bei einer Linse aus Kunststoff, beispielsweise bei einem Kunststoff-Brillenglas, z.B. eine Hartschicht sein, die ein Verkratzen des Brillenglases verhindern soll, oder eine Entspiegelungsschicht, oder eine ein Beschlagen des Brillenglases verhindernde Schicht oder eine leicht zu reinigende Abschlussschicht oder mehrere dieser Schichten übereinander, in welchem Falle die Hartschicht üblicherweise die unterste Schicht ist.

Bei scheibenförmigen Datenträgern aus Kunststoff, beispielsweise einer CD oder einer DVD, kann die Funktionsschicht z.B. eine Metallisierung oder eine Quarzschicht sein.

Die Beschichtungen können mittels unterschiedlicher Verfahren aufgebracht werden. Im Stand der Technik wird bei den vorstehend genannten Anwendungen üblicherweise ein Tauchlackierverfahren eingesetzt. Für Beschichtungen bzw. Beschichtungsmaterialien der hier interessierenden Art wäre jedoch das Aufbringen mittels eines plasmaunterstützten Beschichtungsverfahrens vorteilhaft, beispielsweise PICVD (Plasma induced chemical vapor deposition) oder ähnliche Verfahren, die dem Fachmann bekannt sind.

Gegenstände dieser Art werden mitunter aus bestimmten Kunststoffen hergestellt, die, wie im Rahmen der vorliegenden Erfindung erkannt wurde, von Hause aus plasmadegradierend sind, d.h. unter Einwirkung eines Plasmas in ihrem Gefüge geschädigt werden. Diese Kunststoffe werden wegen besonderer Eigenschaften gewählt, beispielsweise im Falle optischer Linsen wegen ihrer hohen optischen Brechkraft.

Die Erfindung betrifft über die beiden eingangs genannten Anwendungsfälle hinaus alle Gegenstände, die aus einem von Hause aus an sich plasmadegradierenden Kunststoff bestehen. Dazu gehören beispielsweise transparente Scheiben von Displays aller Art und von Fernseh- und Abspielgeräten, Windschutzscheiben in Fahrzeugen, Sucherscheiben in Foto- und Filmgeräten, aber auch Hausgeräte, elektrische Geräte, Geräte mit Kunststoffgehäusen aller Art, und darüber hinaus allgemein Bauteile aus derartigen Kunststoffen. Die Funktionsschicht kann dabei optische Eigenschaften (Entspiegelung), mechanische Eigenschaften (Hartstoffschichten, Antihaftschichten usw.) und/oder elektrische Eigenschaften (Abschirmschichten, Leiterbahnen usw.) und/oder andere physikalische oder chemische Eigenschaften haben.

Damit bei Brillengläsern die Funktionsschicht einerseits besser an dem Linsenkörper anhaftet, und um andererseits eine weiche Zwischenlage herzustellen, ist es bekannt, zunächst eine Zwischenschicht (sog. Primer) auf den Linsenkörper aufzutragen, ehe die Funktionsschicht aufgebracht wird.

Organische Hartschichten enthalten beispielsweise Siloxan oder Methoxysilan. Derartige Hartschichten werden im Stand der Technik bei Verwendung dieser Materialien in flüssigem Zustand auf den Linsenkörper aufgetragen und bei Temperaturen zwischen typischerweise 50° und 150°C ausgehärtet. Die Temperatur bewirkt vor allem eine starke Vernetzung der Hartschicht, die wiederum die notwendigen Eigenschaften wir Härte, Transparenz usw. zur Folge hat. Die Schichtdicke beträgt üblicherweise zwischen 0,5 und 5 &mgr;m. Die Primerschicht bewirkt dabei eine Erhöhung der Schlagfestigkeit (Kugelfalltest) des gesamten Systems, also des mit der oder den Funktionsschichten beschichteten Linsenkörpers.

Aus der EP 0 680 492 B1 ist ein solches Verfahren bekannt, bei dem Brillengläser aus unterschiedlichen Kunststoffen in dieser Weise beschichtet werden.

Bei dem bekannten Verfahren wird als Primer ein Polyurethan in wässriger Lösung verwendet, das in flüssigem Zustand durch Eintauchen aufgetragen und dann bei Raumtemperatur getrocknet und damit ausgehärtet wird. Die Primerschicht hat dann eine Dicke zwischen 0,05 und 5 &mgr;m. Die Funktionsschicht ist eine organische Hartschicht auf der Basis von Siloxan oder Methoxysilan. Sie wird nach dem Aushärten des Primers gleichfalls in flüssigem Zustand durch Eintauchen aufgetragen und dann ebenfalls durch Trocknen bei Raumtemperatur mit einer Schichtdicke von 4 &mgr;m ausgehärtet.

Anschließend wird bei einigen geschilderten Beispielen des bekannten Verfahrens noch eine Entspiegelungsschicht als dritte Schicht aufgetragen. Hierfür wird ein anorganisches Material, nämlich ein Metalloxid, verwendet, das mittels eines Vakuumabscheidungsverfahrens aufgetragen wird.

Ein weiteres Verfahren dieser Art ist in der US 2004/0074261 A1 beschrieben. Dort wird für das Aufbringen der Entspiegelungsschicht auf der Hartschicht ein plasmaunterstütztes Vakuumabscheidungsverfahren eingesetzt.

Bei beiden bekannten Verfahren wird neben anderen Kunststoffen auch der Kunststoff MR7, ein optisch hochbrechender Kunststoff, verwendet.

Es ist nun das Verdienst der Erfinder, im Rahmen der vorliegenden Erfindung erkannt zu haben, dass dieser hochbrechende Kunststoff, aber beispielsweise auch der mit MR7 verwandte Kunststoff MR8 (beides Produktbezeichnungen der Fa. Mitsui Chemical, Co., Japan), zwar in der beschriebenen Weise, also im Tauchbad, beschichtet werden kann, dass aber eine Beschichtung dieses Kunststoffes mit einem plasmaunterstützten Verfahren aus den nachstehend genannten Gründen nicht möglich ist:

Die Erfinder haben nämlich festgestellt, dass insbesondere bei Polythiourethanen und Episulfiden, also bei Schwefelgruppen enthaltenden Kunststoffen, die im Kunststoff vorhandenen Bindungen dieser Schwefelgruppen durch die Anwesenheit eines Plasmas aufgebrochen werden. Es findet eine oxidative Reaktion statt, die bewirkt, dass der Kunststoff degradiert und damit sein Gefüge verliert. Die Degradation des Kunststoffes wird dabei hervorgerufen durch energiereiche Teilchen aus dem Plasma, nämlich Elektronen, Ionen sowie eine energiereichere Strahlung des Plasmas im UV- bzw. VUV-Wellenlängenbereich. Plasmabeschichtungsprozesse finden üblicherweise bei sehr niedrigen Drücken statt. Die energiereiche UV-Strahlung entsteht dann durch Resonanzübergänge der Elektronenniveaus. Diese Strahlung kann dann aufgrund der bei den niedrigen Drücken nicht vorhandenen absorbierenden Atmosphäre auf den Linsenkörper gelangen und diesen an der Oberfläche zerstören.

Dies hat insgesamt zur Folge, dass Schichten, die auf den so degradierten Kunststoff aufgebracht wurden, keine ausreichend haftfeste Verbindung zum Kunststoff besitzen. Wenn ein plasmadegradierender Kunststoff mit einem plasmaunterstützten Beschichtungsverfahren beschichtet und in seinem Gefüge beschädigt wird, verschlechtert dies daher die Haftung der aufgebrachten Beschichtung, die sich unter Umständen leicht wieder ablöst.

Aus der EP 0 667 541 B1 sind ein optischer Entspiegelungsfilm sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt. Dabei wird auf einen transparenten Substratfilm (Triacetylzellulose) eine Primerschicht (Harz) und darauf im CVD-Verfahren eine Funktionsschicht (SiOx) aufgetragen.

Bei dem eingangs geschilderten bekannten Verfahren gemäß der US 2004/0074261 A1 wird zwar die Entspiegelungsschicht mit einem plasmaunterstützten Vakuum-Abscheidungsverfahren aufgetragen, unter anderem auch auf den Kunststoff MR7, allerdings erst als insgesamt dritte Schicht oberhalb der Primerschicht und der Hartschicht. Der Effekt der Plasmadegradation konnte daher bei diesen Ausführungsbeispielen nicht auftreten, weil der plasmadegradierende Kunststoff MR7 durch die beiden unteren Schichten hinreichend geschützt war.

Andererseits ist man bestrebt, z.B. bei Brillengläsern aus Kunststoff auch die Hartschicht aus einem im Vergleich zu organischen Materialien härteren anorganischen Material auszubilden, was jedoch nur bei Verwendung eines Plasmas möglich ist.

Entsprechendes gilt für die anderen Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung, beispielsweise die funktionelle Beschichtung von CDs und DVDs.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, das es gestattet, auch untere Funktionsschichten unter Verwendung eines Plasmas auf Gegenstände aus einem Kunststoff aufzubringen, der an sich plasmadegradierend ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den folgenden Schritten gelöst:

  • a) Bereitstellen eines Kunststoffkörpers aus einem vorbestimmten plasmadegradierenden Kunststoff;
  • b) Aufbringen einer flüssigen Primerschicht auf den Kunststoffkörper, wobei die Primerschicht ein Polymer in Lösung enthält;
  • c) Aushärten der Primerschicht durch Trocknen;
  • c) Aufbringen einer Funktionsschicht auf die Primerschicht unter Verwendung eines Plasmas.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde nämlich überraschend festgestellt, dass es bereits ausreicht, einen aus einem plasmadegradierenden Kunststoff bestehenden Kunststoffkörper mit einer Primerschicht auf der Basis eines Polymers zu beschichten, um ihn gegen die schädlichen Effekte eines Plasmas zu immunisieren. Damit eröffnet die Erfindung erstmals die Möglichkeit, bestimmte Kunststoffe, die beispielsweise wegen ihrer hohen Brechkraft oder anderer spezieller Eigenschaften an sich bevorzugt verwendet würden, jedoch plasmadegradierend sind, trotzdem mit einem Plasma-Beschichtungsverfahren zu beschichten, ohne dass zuvor eine erste Funktionsschicht in einem Verfahren ohne Plasmaunterstützung, also z.B. im Tauchlackierverfahren, unterlegt werden muss.

Es ist daher beispielsweise möglich, Brillengläser in dieser Weise zu beschichten, die als alleinige oder als untere Funktionsschicht eine hochfeste, anorganische Schicht, insbesondere Hartschicht, besitzen. Das war mit den bekannten Verfahren nicht möglich.

Entsprechend gestattet es die Erfindung, scheibenförmige Datenträger wie CDs oder DVDs mit einer Metallisierung und/oder einer Quarzschicht zu versehen.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Erfindungsgemäß wird für die Beschichtung von einem Kunststoffkörper aus einem plasmadegradierenden Kunststoff ausgegangen. Derartige Kunststoffe sind dem Fachmann bekannt. Sie stehen in unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung als handelsübliche Kunststoffe, beispielsweise für den ophthalmischen Einsatzbereich, zur Verfügung. Beispiele sind Polythiourethane und Episulfide. Ferner können Kunststoffe der allgemeinen Bezeichnung MRx verwendet werden, beispielsweise MR7 und MR8 der Fa. Mitsui Chemicals Inc. Co. (Japan). Der Kunststoff MR7 ist eine Mischung aus den Monomeren MR-7A (Isocyanat) und MR-7B (Thiol), der Kunststoff MR8 eine Mischung aus den Monomeren MR-8A (Isocyanat), MR-8B1 und MR-8B2 (jeweils Thiol). Aber auch Polymethylmethacrylate (PMMA) und Polyisobuthylene kommen in Betracht.

Die Erfindung soll nachstehend im wesentlichen anhand des Anwendungsfalls von optischen Linsen, insbesondere Brillengläsern aus Kunststoff beschrieben werden, ohne dass dies jedoch den Rahmen der Erfindung einschränkt.

Auf den Linsenkörper aus einem plasmadegradierenden Kunststoff wird zunächst im Tauchlackverfahren ein Primer auf der Basis eines Polymers in Lösung aufgetragen. Vorzugsweise wird dabei ein Polymer in einer Wasser-Lösung verwendet, alternativ ein Polymer in einer Methanol-Lösung. Der Polymer wird vorzugsweise aus der Gruppe: Polyurethane, Polypropylene, Polyethylene und Polycarbonate ausgewählt.

Besonders bevorzugt wird der Polymer so ausgewählt, dass er in seiner Brechzahl an die Brechzahl des Kunststoffes angepasst ist.

Die Primerschicht wird dann insbesondere bei Raumtemperatur, d.h. bei einer Temperatur im Bereich zwischen 10 und 30°C, vorzugsweise bei 21°C, getrocknet und damit ausgehärtet. Höhere Temperaturen bis beispielsweise 130°C sind aber je nach verwendetem Primer ebenfalls möglich. Die Primerschicht wird beispielsweise in einer Dicke von 0,1 und 2 &mgr;m aufgebracht.

Sobald die Primerschicht ausgehärtet ist, wird die Funktionsschicht aufgebracht. Hierzu wird ein plasmaunterstütztes Verfahren verwendet, beispielsweise plasmaunterstützte CVD (Chemical Vapor Deposition), auch PICVD genannt. Dabei wird der plasmadegradierende Kunststoff überraschenderweise nicht beeinträchtigt, weil bereits die Primerschicht einen ausreichenden Schutz des Kunststoffes gegen das Plasma darstellt.

Bevorzugt wird als Funktionsschicht eine Hartschicht aufgebracht. Da zum Beschichten ein plasmaunterstütztes Verfahren eingesetzt wird, kann für die Hartschicht ein anorganisches Material, beispielsweise ein Metalloxid, verwendet werden.

Alternativ kann als Funktionsschicht auch eine Entspiegelungsschicht aufgebracht werden oder, als weitere Alternative zunächst eine Hartschicht und dann auf die Hartschicht eine Entspiegelungsschicht.

Auch das Aufbringen einer ein Beschlagen des Brillenglases verhindernden Schicht oder einer leicht zu reinigenden Abschlussschicht, ist möglich.

Im Falle der Herstellung eines scheibenförmigen Datenträgers (CD, CD-ROM, MINI-CD, CD-Card, DVD usw.) wird üblicherweise ein Kunststoff-Rohling im Spritzgießverfahren hergestellt, wobei ein metallisierter Glasmaster als Matrize (Stamper) verwendet wird. Die Rohlinge werden nach der Entnahme aus dem Spritzgießwerkzeug metallisiert und mit einer Lackschicht versiegelt. Hier kann die Erfindung beispielsweise im Bereich der Metallisierung der Rohlinge eingesetzt werden.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Beschichten von Gegenständen aus Kunststoff mit den Schritten:

    a) Bereitstellen eines Kunststoffkörpers aus einem vorbestimmten plasmadegradierenden Kunststoff;

    b) Aufbringen einer flüssigen Primerschicht auf den Kunststoffkörper, wobei die Primerschicht ein Polymer in Lösung enthält;

    c) Aushärten der Primerschicht durch Trocknen; und

    d) Aufbringen einer Funktionsschicht auf die Primerschicht unter Verwendung eines Plasmas.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffkörper ein Linsenkörper für eine optische Linse, insbesondere Brillenglas, ist und aus einem optisch hochbrechenden Kunststoff besteht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffkörper ein scheibenförmiger Datenträger ist.
  4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) ein Kunststoff aus der Gruppe: Polythiourethane, Episulfide, Polymethylmethacrylate, Polyisobuthylene verwendet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) ein Kunststoff aus der Gruppe MRx, insbesondere MR7, MR8, verwendet wird.
  6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) als Primer das Polymer in einer Wasser-Lösung verwendet wird.
  7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) als Primer das Polymer in einer Methanol-Lösung verwendet wird.
  8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) das Polymer aus der Gruppe: Polyurethane, Polypropylene, Polyethylene und Polycarbonate ausgewählt wird.
  9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymer in seiner Brechzahl an die Brechzahl des Kunststoffes angepasst ist.
  10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die Primerschicht bei einer Temperatur im Bereich zwischen 10 und 130°C, vorzugsweise zwischen 10 und 30°C, insbesondere bei bei 21°C getrocknet wird.
  11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Primerschicht in einer Dicke von 0,1 und 2 &mgr;m aufgebracht wird.
  12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d) als Funktionsschicht eine Hartschicht aufgebracht wird.
  13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d) als Funktionsschicht eine Entspiegelungsschicht aufgebracht wird.
  14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d) als Funktionsschicht zunächst eine Hartschicht und dann auf die Hartschicht eine Entspiegelungsschicht aufgebracht wird.
  15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d) als Funktionsschicht eine Metallisierung aufgebracht wird.
  16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d) als Funktionsschicht eine Quarzschicht aufgebracht wird.
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