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Dokumentenidentifikation DE102005020424A1 02.11.2006
Titel Verfahren zur Herstellung einer Folie aus thermoplastischem Kunststoff, Folie und Verwendung der Folie
Anmelder Röhm GmbH, 64293 Darmstadt, DE
Erfinder Guenanten, Claude, 64291 Darmstadt, DE;
Steinfels, Christoph, 64331 Weiterstadt, DE;
Groothues, Herbert, Dr., 64331 Weiterstadt, DE;
Krohmer, Christoph, Dr., 64589 Stockstadt, DE;
Häring, Helmut, 64354 Reinheim, DE;
Birth, Detlef, 64807 Dieburg, DE;
Neuroth, Christopher, 64846 Groß-Zimmern, DE;
Meier-Kaiser, Michael, Dr., 64665 Alsbach-Hähnlein, DE;
Meon, Walter, Dr., 64285 Darmstadt, DE
DE-Anmeldedatum 29.04.2005
DE-Aktenzeichen 102005020424
Offenlegungstag 02.11.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.11.2006
IPC-Hauptklasse B29C 47/88(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B29D 7/01(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   C08J 5/18(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   B29D 11/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   F16C 13/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Folie aus thermoplastischem Kunststoff, wobei der thermoplastische Kunststoff auf einer Extrusionsanlage, enthaltend einen Extruder, eine Extrusionsdüse mit einer Austrittsöffnung in Breitschlitzform und eine gekühlte Walze (Chill-Roll-Walze), die an einem Walzenstuhl befestigt ist, geschmolzen und gefördert wird und in Form einer flächigen Schmelzebahn aus der Austrittsöffnung der Extrusionsdüse austritt, die Schmelzebahn an die gekühlte Walze (Chill-Roll-Walze) angelegt und gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die gekühlte Walze (Chill-Roll-Walze) eine Rundlaufgenauigkeit von ± 10 µm oder weniger aufweist und sich der mittlere Abstand zwischen der Austrittsöffnung Extrusionsdüse und der gekühlten Walze (Chill-Roll-Walze) im Betriebszustand um nicht mehr als ± 25 µm zeitlich variiert. Die Erfindung betrifft weiterhin die Folie selbst sowie deren Verwendungen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Folie aus thermoplastischen Kunststoff, Folie und Verwendung der Folie.

EP 1 117 731 B1 beschreibt optisch nahezu isotrope Polycarbonat-Folien sowie ein Chill-Roll Verfahren zu ihrer Herstellung. Die Folien bestehen aus linearem oder verzweigtem Polycarbonat mit einem mittleren Molekulargewicht Mw von 10.000 bis 40.000. Erfindungsgemäße Folien können z. B. einen Schrumpf von < 1%/< 1% (190°C/30 min Machine-direction (MD)/Traverse-direction (TD)) aufweisen. Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Folie in keinem Bereich der Oberfläche eine Ablenkung linear polarisierten Lichts von größer als 2 Winkelminuten auf. Der Gangunterschied kann z. B. 31 nm betragen, die Doppelbrechung delta n 4 × 10–4. Im Zugversuch wird z. B. eine Reißdehnung nach ISO 527-3 MD/TD von 39 bzw. 35% gemessen. Zur Vermeidung von Düsenlinien bzw. Extrusionsstreifen wird empfohlen, eine Extrusionsdüse zu verwenden, deren innere Oberfläche im Düsenlippenbereich eine Rautiefe nach DIN 4768 von 0,025 bis 0,002 aufweist. Dies kann durch ein Verchromen und Polieren erreicht werden.

EP 1 285 742 A2 beschreibt Folien für optische Anwendungen im Dickenbereich unter 100 &mgr;m mit einer geringen Phasendifferenz von nicht mehr als 10 nm, einer „optical axis deviation" von +/– 10 Winkelminuten und geringen Dickenschwankungen im Bereich von maximal 2,4 &mgr;m pro 2 cm in der Breite. Die Folien werden mittels eines Chill-Roll-Verfahrens hergestellt. Die günstigen Materialeigenschaften sollen insbesondere dadurch erreicht werden können, indem die Temperatur der Polymerschmelze nach dem Austritt aus der Extrusionsdüse bis zum Kontakt mit der Chill-Roll-Walze bei mindestens 30°C oberhalb der Glastemperatur des Kunststoffs gehalten wird. Zu diesem Zweck kann der Weg vom Austritt aus der Extrusionsdüse und dem Aufsetzpunkt auf der Chill-Roll-Walze relativ kurz, z. B. im Bereich von z. B. 30 bis 150 mm, gewählt werden. Der austretende Schmelzefilm kann zudem mittels einer Einhausung thermisch abgeschirmt oder zusätzlich beheizt werden. Das Verfahren eignet sich für eine Vielzahl von Kunststoffen, insbesondere für Norbornen-Kunststoffe.

US 5,476,134 beschreibt mit Chrom-Nitriden beschichtete Strangpressen zur Herstellung von Teilen aus Aluminium-Eisen-Legierungen. Diese eignen sich insbesondere zur Reduzierung der Erosion der Strangpressenteile bei der Herstellung von Aluminium-Legierungen mit geringen Eisenanteilen unter 0,3%.

EP 351 886 (Bayer AG) beschreibt ein Gieß- oder Extrusionsverfahren zur Herstellung von optisch einachsige, doppelbrechende Polycarbonat-Folien, die mittels eines Quarzheizstrahlers beheizt werden. Damit erreicht man eine Reduktion der unerwünschten Doppelbrechung auf nicht mehr störende Werte.

JP 8336883 beschreibt ein Verfahren zur Extrusion von Folien aus thermoplastischen Kunststoff, wobei eine Extrusionsdüse eingesetzt wird, bei der die Kanten der Austrittsöffnung einen Radius von 30 &mgr;m oder weniger bei einer Ungleichmäßigkeit von nicht mehr als +/– 20% aufweisen. Die beschriebene Düsengeometrie wirkt insbesondere der Ausbildung von unerwünschten Ablagerungen entgegen.

JP 6335949 beschreibt ein Verfahren zur Extrusion von Folien aus thermoplastischem Kunststoff, bevorzugt z. B. Polyethersulfone, Polyphenylenoxide oder Polyetherketone, wobei eine Extrusionsdüse eingesetzt wird, bei der die Kanten der Austrittsöffnung einen Radius von 30 &mgr;m oder weniger bei einer Ungleichmäßigkeit von nicht mehr als +/– 20 aufweisen. Die Extrusionsdüse kann aus Stahl oder Keramik bestehen. Beschichtungen mit Chrom, Nickel, Titan, Kupfer, Zink usw. können eventuelle Wechselwirkungen des Düsenmaterials mit den extrudierten Kunststoffmaterialien entgegenwirken. Die beschriebene Düsengeometrie wirkt insbesondere der Ausbildung von Düsenlinien entgegen.

JP 2002-028941 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Folien aus Polyvinylalkohol, die als Polarisationsfilme verwendet werden können. Filme mit verminderten Dickenschwankungen können erhalten werden, wenn eine Extrusionsdüse eingesetzt wird, bei der die Kanten der Austrittsöffnung einen Radius von 200 &mgr;m oder weniger aufweisen.

JP 2003-267758 beschreibt ein Verfahren zur Beschichtung von optischen Fasern mit einer Kunststoffummantelung. Dabei wird eine Extrusionsdüse eingesetzt, bei der die Kanten der Austrittsöffnung einen Radius von 10 bis 30 &mgr;m aufweisen. Die beschriebene Düsengeometrie wirkt insbesondere der Ausbildung von Kunststoffablagerung im Bereich der Düsenkante entgegen, so dass das Verfahren nunmehr über einen längeren Produktionszeitraum störungsfrei betrieben werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Kunststoffbeschichtung geringere Dickenschwankungen aufweist.

EP 0 547 562 A1 beschreibt ein Verfahren zum Beschichten einer nicht näher bezeichneten flächigen Bahn, die über eine Walze umgelenkt transportiert wird, wobei im Umlenkbereich ein Extrudat aus der einer Breitschlitzextrusionsdüse aufgetragen wird. Um die Reproduzierbarkeit und Genauigkeit des Verfahrens vorteilhaft zu beeinflussen, ist eine Abstandsmessung rechts und links der Extrusionsdüse mit einem Regelkreis installiert. Weicht der Abstand zwischen der Austrittsöffnung der Extrusionsdüse und der Walze von einem Sollwert ab wird die Position der Extrusionsdüse mittels eines Stellmotors entsprechend korrigiert.

EP 1 202 261 A1 optische Speichermedien. Unter anderen wird die vertikale Doppelbrechung von handelsüblichen, extrudierten, im Chill-Roll-Verfahren hergestellten Polycarbonat-Folien und von handelsüblichen, gegossenen Polycarbonat-Folien verglichen. Die extrudierten Folien weisen vertikale Doppelbrechungs-Werte von 0,00029 auf, die gegossenen Folien Werte von 0,00066.

Aufgabe und Lösung

Eine Reihe von Anwendungsgebieten für Kunststofffolien, insbesondere im Bereich optischer Datenträger, verlangen neben einer geringen optischen Doppelbrechung zunehmend weitere Verbesserungen bei der Oberflächenqualität der Folien. Insbesondere werden immer geringere Dickentoleranzen über große Flächen hinweg oder sogar über den gesamten Folienbereich nachgefragt.

EP 1 117 731 B1 und EP 1 285 742 A2 offenbaren bemerkenswerte Lösungen zur Herstellung von Folien mit extrem geringen Doppelbrechungseigenschaften im Bereich weniger Nanometer, die hohen Anforderungen im optischen Bereich genügen. Bei den Oberflächeneigenschaften können gemäß der Lehre der EP 1 117 731 B1 Folien hergestellt werden, die in keinem Bereich der Oberfläche eine Ablenkung linear polarisierten Lichts von größer als 2 Winkelminuten aufweisen. Gemäß der EP 1 285 742 A2 können Dickentoleranzen im Bereich von etwa 2,4 &mgr;m pro 2 cm in der Breite realisiert werden.

Es wurde als Aufgabe gesehen, eine Folie aus Kunststoff bereitzustellen, die zum einem extrem gute Doppelbrechungseigenschaften im Bereich der EP 1 117 731 B1 oder der EP 1 285 742 A2 aufweist und zum anderen eine nochmals verbesserte Oberflächenqualität und insbesondere nochmals geringere Dickentoleranzen über den gesamten Foliebereich aufweist. Die Dickentoleranzen sollen insbesondere hohen Anforderungen für optische Datenträger genügen und sollen sich deshalb auf eine Spezifikation innerhalb einer kreisrunden Fläche mit einem Durchmesser von 12 cm beziehen.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein

Verfahren zur Herstellung einer Folie aus thermoplastischem Kunststoff, wobei der thermoplastische Kunststoff auf einer Extrusionsanlage, enthaltend einen Extruder, eine Extrusionsdüse mit einer Austrittsöffnung in Breitschlitzform und eine gekühlte Walze (Chill-Roll-Walze), geschmolzen und gefördert wird und in Form einer flächigen Schmelzebahn aus der Austrittsöffnung der Extrusionsdüse austritt, die Schmelzebahn an die gekühlte Walze (Chill-Roll-Walze) angelegt und gekühlt wird,

dadurch gekennzeichnet, dass

die gekühlte Walze (Chill-Roll-Walze) eine Rundlaufgenauigkeit von +/– 10 &mgr;m oder darunter aufweist und sich der mittlere Abstand zwischen der Austrittsöffnung Extrusionsdüse und der gekühlten Walze (Chill-Roll-Walze) im Betriebszustand um nicht mehr als +/– 25 &mgr;m zeitlich variiert.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine Folie aus einem thermoplastischem Kunststoff mit einer Dicke von 10 bis 150 &mgr;m und einer In-Plane-Doppelbrechung, die bei senkrechter Durchstrahlung einen optischen Gangunterschied von höchstens 15 nm verursacht, sowie einer vertikalen Doppelbrechung von höchstens 0,0004, herstellbar bzw. erhältlich, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie in keinem Bereich der Oberfläche eine Ablenkung eines senkrecht einfallenden Lichts von größer als einer Winkelminute und eine Dickentoleranz bezogen auf eine kreisrunde Fläche mit einem Durchmesser von 12 cm von nicht mehr als +/– 1% aufweist.

Ausführung der Erfindung Verfahren

Wesentlich für die Erfindung ist die Anwendung des Chill-Roll Schmelzegießverfahrens, wie es seit langem bekannt ist (s. z. B. EP 1 117 731 B1 oder EP 1 285 742 A2). Dabei wird ein aus einer Extrusionsdüse austretender Schmelzefilm an eine einzelne Kühlwalze, die Chill-Roll-Walze, angelegt und abgekühlt. Der Schmelzefilm soll dabei besonders bevorzugt nicht oder nur geringfügig, nicht mehr als um den Faktor 5 in Extrusionsrichtung verstreckt werden und keiner aktiven Kühlung ausgesetzt werden, bevor er auf die Chill-Roll-Walze auftrifft. Dies hat den Vorteil, dass kaum molekulare Orientierungen auftreten und die resultierende Folie einen hohen Grad an optischer Isotropie aufweist. Das Chill-Roll Verfahren unterscheidet sich dadurch insbesondere von den so genannten Glättwerksverfahren, bei denen der Schmelzefilm einen von zwei gegenüberliegenden Walzen gebildeten Walzenspalt durchläuft.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Folie.

Der thermoplastische Kunststoff wird auf einer Extrusionsanlage mit einem Extruder, einer Schmelzepumpe und einer Extrusionsdüse mit einer Austrittsöffnung in Breitschlitzform geschmolzen, gefördert und in Form einer flächigen Schmelzebahn aus der Austrittsöffnung der Extrusionsdüse ausgestoßen.

Bevorzugt ist zwischen der Schmelzepumpe und der Extrusionsdüse ein Schmelzefilter vorgesehen, der Verunreinigungen zurückhält. Die Maschenweite des Filtereinsatzes kann z. B. 5 bis 50 &mgr;m, bevorzugt z. B. 10 bis 30 &mgr;m betragen.

Die Extrusionsdüse kann weiterhin im Düsenaustrittsbereich in an sich bekannter Weise mit einem Profilwerkzeug ausgestattet werden. Das Profilwerkzeug dient zur Feinregulierung des austretenden Schmelzeprofils, indem ein dünnwandig gestalteter Austrittsbereich unter Druckausübung von Stellelementen, z. B. Bolzen, Dehnbolzen oder Piezotranslatoren, entsprechend verformt wird. Geeignet ist z. B. die Ausführung des Düsenausgangsbereichs als flexible Lippe oder als so genannte „Superflexlippe" (s. z. B. EP-A 367 022) oder als Membran (s. Groß et al. Kunststoffe 84 (1994) 10, S. 1352 – 1358).

Die Schmelzebahn wird an eine einzelne gekühlte Walze, eine so genannte Chill-Roll-Walze angelegt und gekühlt. Die Chill-Roll-Walze kann dabei z. B. eine Temperatur von 100 bis 200, z. B. von 100 bis 130°C aufweisen.

Wermeidung von Schwingungsübertragungen

Den Vorteilen des Chill-Roll-Verfahrens bei der Herstellung einer niedrig orientierten Folie steht als gewichtiger Nachteil gegenüber, dass die erreichbaren Dickentoleranzen sowohl in, als auch quer zur Extrusionsrichtung deutlich schlechter sind, als bei den Glättwerksverfahren. Bei den Glättwerksverfahren bildet sich im Prozeß vor dem Walzenspalt ein kleiner Schmelzevorrat. Dieser Vorrat und der Druck im Walzenspalt führen zu einer Vergleichmässigung der Foliendicke in allen Richtungen.

Prinzipbedingt sind damit die im Chill-Roll-Prozeß üblicherweise erreichbaren Dickentoleranzen wesentlich schlechter.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass aus dem Bereich des Extruders und insbesondere der Schmelzepumpe Schwingungen auf die Extrusionsdüse übertragen werden können. Diese Schwingungen führen im Betriebszustand zu variierenden Abständen zwischen der Austrittsöffnung der Extrusionsdüse und der Chill-Roll-Walze. Die variierenden Abstände führen ihrerseits zu Stauchungen oder Streckungen der Schmelzebahn, was wiederum zu einer Zunahme der Dickentoleranzen führt.

Der Erfindung liegt weiterhin die Erkenntnis zugrunde, dass die Chill-Roll-Walze durch die eigene Unwucht zu variierenden Abständen zwischen der Austrittsöffnung der Extrusionsdüse und der Chill-Roll-Walze beiträgt. Die variierenden Abstände führen ihrerseits zu Stauchungen oder Streckungen der Schmelzebahn, was wiederum zu einer Zunahme der Dickentoleranzen führt.

Es wird deshalb erfindungsgemäß eine Extrusionsanlage verwendet bzw. eingesetzt, bei der die gekühlte Walze (Chill-Roll-Walze) eine Rundlaufgenauigkeit von +/– 10 &mgr;m oder darunter, bevorzugt von +/– 5 &mgr;m oder darunter, aufweist und sich der mittlere Abstand zwischen der Austrittsöffnung der Extrusionsdüse und der gekühlten Walze (Chill-Roll-Walze) im Betriebszustand um nicht mehr als +/– 25 &mgr;m, bevorzugt um nicht mehr als +/– 15, besonders bevorzugt um nicht mehr als +/– 10 &mgr;m verändert. Diese Maßnahmen führen zu verminderten Dickentoleranzen und verbesserter Oberflächenqualität der resultierenden Folien.

Für die Zwecke der Erfindung geeignete kühlbare Walzen (Chill-Roll-Walze) mit einer Rundlaufgenauigkeit von +/– 10 &mgr;m oder darunter, bevorzugt von +/– 5 &mgr;m können in dieser Genauigkeit gefertigt werden und sind bei Herstellern von Teilen für Extrusionsanlagen verfügbar. Die angegebene Rundlaufgenauigkeit bezieht sich auf den eingebauten Zustand bzw. auf den Betriebszustand. Die Walze muss daher sowohl genau gefertigt als auch mit hoher Genauigkeit in der Extrusionsanlage positioniert und zentriert sein.

Der mittlere Abstand bzw. der jeweils minimale Abstand zwischen der Austrittsöffnung der Extrusionsdüse und der gekühlten Walze kann z. B. mittels optischer Messsensoren oder durch Laserwegemessung praktisch zwischen beliebig gewählten Messpunkten bestimmt werden. Es kommt dabei nicht auf den Abstand selbst, sondern auf die zeitliche Variation des Abstands an. Zweckmäßigerweise wird der mittlere Abstand durch zwei temperaturunabhängige Abstands-Sensoren gemessen, die jeweils rechts und links neben der Austrittsöffnung der Extrusionsdüse positioniert sind, so dass sie von dort aus, bevorzugt den jeweils kürzesten Abstand bzw. die kürzesten Abstände zur gekühlten Walze erfassen können.

Die Begrenzung der zeitlichen Variation bzw. Veränderung des mittleren Abstands zwischen der Austrittsöffnung Extrusionsdüse und der gekühlten Walze (Chill-Roll-Walze) im Betriebszustand kann auf unterschiedliche Weise erreicht werden.

Eine technische Maßnahme kann sein, den Walzenstuhl, der die gekühlte Walze hält (Chill-Roll-Walze), an einem oder mehreren Punkten z. B. über Verstrebungen, z. B. aus Stahl, fest mit der Extrusionsdüse, z. B. durch Verschrauben oder Nieten, zu verbinden. Durch diese einfache Maßnahme werden den mittleren Abstand zwischen der Austrittsöffnung Extrusionsdüse und der gekühlten Walze negativ beeinflussende Schwingungen bereits deutlich reduziert.

Eine weitergehende technische Maßnahme kann sein, den Walzenstuhl, der die gekühlte Walze hält (Chill-Roll-Walze), mit der Extrusionsdüse über mindestens zwei Aktuatoren zu verbinden, wobei die Aktuatoren über einen Regelkreis gesteuert werden, so dass sie aktiv Abstandsänderungen zwischen der Austrittsöffnung der Extrusionsdüse und der gekühlten Walze entgegenwirken. Durch diese Maßnahme werden den mittleren Abstand zwischen der Austrittsöffnung der Extrusionsdüse und der gekühlten Walze negativ beeinflussende Schwingungen nochmals weitergehend reduziert. Die Aktuatoren, z. B. Piezo-Aktuatoren, können z. B. rechts und links neben der Walze installiert werden und an Punkten rechts und links der Austrittöffnung der Extrusionsdüse mit dieser verbunden werden. Es können gegebenenfalls auch noch zusätzliche feste Verstrebungen zwischen dem Walzenstuhl und der Extrusionsdüse angebracht werden.

Schmelzepumpe

Ein gewisser Effekt, wenn auch nicht im Umfang der zuvor beschriebenen Maßnahmen, kann zusätzlich erzielt werden, wenn die Extrusionsanlage zwischen dem Extruder und der Extrusionsdüse eine Schmelzepumpe aufweist. Die Schmelzepumpe bewirkt eine Nivellierung des ansonsten schwankenden Schmelzedrucks aus dem Extruder in die Extrusionsdüse hinein und trägt so ebenfalls zur Verringerung von Schwingungsübertragungen bei.

Bevorzugt wird eine Extrusionsanlage verwendet, bei der die Schmelzepumpe von der Extrusionsdüse zur Vermeidung von Schwingungsübertragungen entkoppelt ist. Die Entkopplung kann mechanisch bewerkstelligt werden, z. B. über flexible, hochtemperaturfeste Leitungen für die Schmelze.

Eine Verminderung oder Vermeidung der Schwingungsübertragung von der Schmelzepumpe auf die Extrusionsdüse hat den Vorteil, dass Folien mit nochmals verminderten Dickentoleranzen und verbesserter Oberflächenqualität erhalten werden können.

Kantenradius der Austrittsöffnung der Extrusionsdüse

Ein weiteres Merkmal, das in einer bevorzugten Ausführungsform zu geringen Dickentoleranzen der erfindungsgemäßen Folien beitragen kann, ist der Radius der Kanten der Austrittsöffnung der Extrusionsdüse von höchstens 50 &mgr;m, bevorzugt von höchstens oder kleiner 30 &mgr;m, insbesondere von höchstens oder kleiner 25 &mgr;m. Die Radien der Kanten der Austrittsöffnung der Extrusionsdüse weisen bevorzugt über der Breite der Austrittsöffnung eine Ungleichmäßigkeit von höchstens oder kleiner +/– 5% auf. Die vergleichsweise scharfen und sehr gleichmäßigen Kanten führen vermutlich zu einer besonders guten Ablösung der Schmelzebahn, was zum Erhalt von Folien mit geringen Dickentoleranzen beitragen kann. Bevorzugt weist die Kante bzw. beide Kanten der Austrittsöffnung einen Winkel von 45 bis 100°, üblicherweise von 90° auf.

Die Rauhigkeit der inneren Oberfläche des Düsenlippenbereichs kann die Oberflächenqualität der hergestellten Folien beeinflussen. Die innere Oberfläche des Düsenlippenbereichs ist der Bereich hinter dem Verteilerkanal und einer gegebenenfalls vorhandenen Stauinsel. Die innere Oberfläche des Düsenlippenbereichs reicht, je nach Beschaffenheit der Extrusionsdüse, etwa 0,5 bis 5 cm von der Austrittsöffnung an gemessen ins Innere der Extrusionsdüse hinein. Die innere Oberfläche des Düsenlippenbereichs soll bevorzugt Rauhtiefen Ra nach DIN 4768 von 0,01 &mgr;m bis 0,002 &mgr;m oder darunter, Rz von 0,08 &mgr;m bis 0,015 &mgr;m und Rmax 0,10 &mgr;m bis 0,025 &mgr;m aufweisen.

Reibungsvermindernde Beschichtungen

Bevorzugt ist die innere Oberfläche des Düsenlippenbereichs der Extrusionsdüse mit einer reibungsvermindernden Beschichtung ausgestattet. Dies hat den Vorteil, dass die Prozesssicherheit, insbesondere im Langzeitbetrieb erhöht wird. Nach längeren Betrieb der Extrusionsanlage, z. B. nach 20 bis 60 Stunden Dauerbetrieb, können sich unerwünschte Ablagerungen im Düsenlippenbereich ausbilden, die Düsenlinien auf der Folienoberfläche verursachen können. Diese können entscheidend vermindert oder sogar ganz vermieden werden, wenn die innere Oberfläche des Düsenlippenbereichs der Extrusionsdüse mit einer reibungsvermindernden Beschichtung ausgestattet wird. Um die Elastizität des Düsenlippenbereichs nicht zu beeinträchtigen, soll die Beschichtung nicht zu dick sein. Günstig sind Beschichtungen mit einer Gesamtdicke im Bereich von 10 bis 30, bevorzugt von 15 bis 25 &mgr;m.

Der Lippenbereich der Düse wird bevorzugt in zerlegbare Elemente unterteilt und ermöglicht somit eine bessere Zugänglichkeit bei der Bearbeitung der inneren Oberfläche.

Der bevorzugte Rautiefenbereich kann durch Polieren oder durch Beschichten der inneren Oberfläche des Düsenlippenbereichs erreicht werden. Gemäß der EP 1 117 731 B1 kann die innere Oberfläche des Düsenlippenbereichs z. B. mit einer Verchromung ausgestattet werden, die zusätzlich noch poliert werden kann.

Die Beschichtung kann bevorzugt aus Ni, CrN, TiCN, TiC, TiAIN, DLC (Diamond-Like-Carbon) oder einer anderen diamantähnlichen Kohlenstoffbeschichtung bestehen. Diese Beschichtungen haben gegenüber einer Chrombeschichtung wie sie in der EP 1 117 731 B1 beschrieben wird, den Vorteil höherer, um bis zu zehnfach verlängerter Standzeiten. Entsprechende Beschichtungen und deren Aufbringung auf Stahloberflächen sind dem Fachmann im Prinzip bekannt z. B. aus US 5,476,134 oder US 4,637,477.

Ein geeignetes Verfahren zur Aufbringung einer entsprechenden Beschichtung auf die innere Oberfläche des Düsenlippenbereichs ist z. B. das „physical vapour deposition"-Verfahren (PVD-Verfahren, s. z. B. US 5,476,134 oder US 4,637,477). Die Beschichtung kann ein- oder bevorzugt mehrlagig ausgeführt sein. Bei der mehrlagigen Beschichtung kann auf den vergleichsweise weichen Stahl bzw. die Stahllegierung der Extrusionsdüse bevorzugt zunächst eine harte Schicht, z. B. eine 10 bis 20 &mgr;m dicke Schicht Nickel aufgetragen werden, die dann mit einer noch härteren Schicht, z. B. einer 2 bis 5 &mgr;m dicken Schicht TiN, CrN oder DLC überzogen wird. Eine mehrlagige Beschichtung der inneren Oberfläche des Düsenlippenbereichs mit innerer Nickel-Schicht und einer darauf aufgetragenen Schicht aus TiN, CrN oder DLC ist insbesondere für die Extrusion von Folien aus Polycarbonat von Vorteil.

Im Falle der Wahl von Polyethylentherephthalat als thermoplastischem Kunststoff ist insbesondere eine Wolfram-Carbid Beschichtung als reibungsvermindernde Beschichtung für die innere Oberfläche des Düsenlippenbereichs bevorzugt, die auf dem Wege der Plasmabeschichtung aufgebracht werden kann.

Die innere Oberfläche der Extrusionsdüse im Extrusionsdüsenlippenbereich kann metallurgisch oder chemisch verändert oder dotiert sein.

Die innere Oberfläche der Extrusionsdüse im Extrusionsdüsenlippenbereich kann mit einer ein- oder mehrlagigen Beschichtung aus einer Fluorverbindung versehen sein.

Beheizung des austretenden Schmelzefilms

Bevorzugt wird die Schmelzebahn auf dem Weg zwischen dem Austritt aus der Extrusionsdüse und dem Aufsetzpunkt auf der Chill-Roll-Walze beheizt. Dies hat den Vorteil, dass innere molekulare Spannungen nur vermindert auftreten. Günstig ist es, die Schmelzebahn so zu beheizen, dass sie im oder kurz vor dem Aufsetzpunkt auf die Chill-Roll-Walze eine Temperatur von mindestens 30, mindestens 40, mindestens 50, mindestens 60 oder mindestens 80°C oberhalb der Glastemperatur des extrudierten Kunststoffs aufweist.

Unter Glastemperatur wird hier insbesondere die midpoint temperature Tmg nach ISO 11357-2, Punkt 3.3.3, verstanden. Die Messung erfolgt ohne Weichmacherzusatz, bei Restmonomergehalten (REMO) von weniger als 100 ppm, bei einer Aufheizrate von 10°C/min und unter Stickstoffatmosphäre.

Einhausung/Inertgasatmossphäre

Bevorzugt wird eine Extrusionsanlage verwendet bzw. eingesetzt, bei der die Schmelzebahn zwischen dem Austritt aus der Extrusionsdüse und dem Aufsetzpunkt auf der Chill-Roll-Walze von einer Einhausung umgeben ist. Dies ermöglicht einerseits eine effektive Beheizung der Schmelzebahn und eröffnet zugleich die Möglichkeit, die Schmelzebahn auf dem Weg zwischen dem Austritt aus der Extrusionsdüse und dem Aufsetzpunkt auf der Chill-Roll-Walze mit einem Inertgas, z. B. Stickstoff, zu umgeben. Letzteres hat den Vorteil, dass Oxidationsvorgänge im Kunststoffmaterial, die zu unerwünschten Verfärbungen oder Trübungen führen können, vermindert oder vermieden werden.

Folie

Die Erfindung betrifft eine Folie aus einem thermoplastischem Kunststoff mit einer Dicke von 10 bis 150, bevorzugt 20 bis 120, insbesondere 30 bis 100 &mgr;m.

In-Plane-Doppelbrechung

Die In-Plane-Doppelbrechung (In-plane birefringence) der Folie wird aus dem optischen Gangunterschied berechnet. Der optische Gangunterschied aufgrund der Doppelbrechung eines, bezogen auf die Folienoberfläche senkrecht einfallenden Lichtstrahls kann z. B. nach dem Prinzip der Polarisationsmikroskopie (Polarimeter) bestimmt werden. Die Methodik ist dem Fachmann geläufig (s. z. B. ISO 11455).

Die Folie weist eine Doppelbrechung (In-Plane-Doppelbrechung) auf, die bei senkrechter Durchstrahlung einen optischen Gangunterschied von höchstens 15 nm, bevorzugt höchstens 5 nm, er kann z. B. 2 bis 10 nm oder 2 bis 5 nm verursacht. Folien mit diesen Werten werden als optisch und mechanisch isotrop bzw. nahezu isotrop bezeichnet und eignen sich für optische Anwendungen mit hohen Anforderungen.

Vertikale Doppelbrechung

Die erfindungsgemäße extrudierte Folie unterscheidet sich unter anderen von gegossenen Folien (s. z. B. EP 351 886) durch eine deutlich geringere vertikale Doppelbrechung (Vertical Birefringence s. dazu z. B. EP 1 202 261 A1). Die vertikale Doppelbrechung der erfindungsgemäßen Folie beträgt höchstens 0,0004, bevorzugt höchstens 0,0003. Eine geeignete Meßmethode zur Bestimmung der vertikalen Doppelbrechung ist z. B. ausführlich in EP 1 202 261 A1, S. 11, Zeile 44–S.12, Zeile 24, beschrieben. Das Prinzip beruht im Gegensatz zur In-Plane-Doppelbrechungsmessung auf einem Lichteinfallswinkel von 45°.

Ein niedriger Wert in der vertikalen Doppelbrechung ist insbesondere von Vorteil wenn die erfindungsgemäße Folie in optischen Datenträgern verwendet wird. Je höher die numerische Apertur der Laseroptik zur Abtastung des Datenträgers, umso größer ist der Anteil an schräg einfallender Laserstrahlung. Insbesondere bei Optiken mit hoher numerischer Apertur wird das Signal/Rausch-Verhältnis mit zunehmender vertikaler Doppelbrechung schlechter.

Oberflächenqualität

Die Folie weist in keinem Bereich der Oberfläche, bezogen auf eine kreisförmige Fläche mit einem Durchmesser von 12 cm, bevorzugt bezogen auf eine Fläche von 1 m2, besonders bevorzugt bezogen auf eine Fläche von 10 m2 eine Ablenkung eines senkrecht einfallenden Lichtstrahls von größer als einer Winkelminute, bevorzugt nicht mehr als 0,5 Winkelminuten auf.

Die Messung erfolgt mittels der Registrierung des Ablenkungswinkels, den ein Laserstrahl erfährt, der die Folie durchdringt. Hierzu wird die sogenannte Laser-Deflektions-Methode eingesetzt. Über die gesamte Extrusionsbreite wird, mittels eines mit einem Schrittmotor betriebenen Verschiebetisches, die Winkelabweichung gemessen, welche ein Laserstrahl bei senkrechtem Durchstrahlen der Folie erfährt. Um die erfindungsgemäß geforderte Oberflächenqualität der Folie zu verifizieren, können ausgestanzte Stücke mit einer kreisförmige Fläche mit einem Durchmesser von 12 cm oder Abschnitte bzw. Ausschnitte der Folienbahn von jeweils 1 oder 10 m2 vermessen werden.

Dickentoleranz

Die Folie weist insbesondere eine Dickentoleranz bzw. Unterschiede in der Dicke der Folie, bezogen auf eine kreisförmige Fläche mit einem Durchmesser von 12 cm, von nicht mehr als +/– 1%, bevorzugt nicht mehr als 0,5% auf. Die prozentuale Abweichung bezieht sich dabei auf das Mittel des maximalen und des minimalen Dickenwertes innerhalb der kreisförmigen Fläche mit einem Durchmesser von 12 cm. Diese Spezifikation stellt sicher, dass die Folie z. B. für die Herstellung von optischen Datenspeichern mit hoher Speicherdichte von z. B. 25 Gigabite (GB) oder mehr geeignet ist. Bezogen auf eine 100 &mgr;m dicke Folie beträgt die Dickenabweichung vom Mittelwert demnach nicht mehr als +/– 1 &mgr;m innerhalb einer kreisförmigen Fläche mit einem Durchmesser von 12 cm.

Die Ermittlung der Dickentoleranz kann durch interferometrische Schichtdickenmessung bestimmt werden, die dem Fachmann bekannt ist.

Für die interferometrische Schichtdickenmessung kann z. B. ein achromatischer Messkopf eingesetzt werden. Die Schichtdickenmessung beruht auf der Überlagerung des an beiden Grenzflächen der Folie reflektierten Lichtes. Bei bekannter Brechzahl des Materials kann aus dem Spektrum des reflektierten Lichtes die Schichtdicke bestimmt werden.

Kunststoffe

Die Folie besteht aus einem thermoplastischen, bevorzugt aus transparentem thermoplastischen Kunststoff. Bevorzugt weist die Folie einen Lichttransmissionsgrad für Tageslicht (Normlichtart D65) &tgr;D65 s. z. B. DIN 5033/5036 im Bereich von mindestens 60%, bevorzugt von 65 bis 92% auf.

Die Folie kann z. B. aus Polymethylmethacrylat-Kunststoff, schlagzäh modifiziertem Polymethylmethacrylat, Polycarbonat-Kunststoff, Polystyrol-Kunststoff, Styrol-Acryl-Nitril-Kunststoff, Polyethylentherephthalat-Kunststoff, glykolmodifiziertem Polyethylentherephthalat-Kunststoff, Polyvinylchlorid-Kunststoff, Polyolefin-Kunststoff, Cycloolefinische Copolymere (COC), PPS-Kunststoff oder PPSU-Kunststoff, Acrylnitril-Butadien-Stryrol (ABS)-Kunststoff oder Mischungen (Blends) verschiedener thermoplastischer Kunststoffe bestehen.

Die Folie besteht bevorzugt aus einem linearen oder verzweigten Polycarbonat mit einem mittleren Molekulargewicht Mw (Gewichtsmittel) von 10.000 bis 45.000, bevorzugt von 12.000 bis 25.000, besonders bevorzugt von 15.000 bis 20.000 besteht.

Die Bestimmung des Molekulargewichts Mw (Gewichtsmittel) kann beispielsweise per Gelpermeationschromatographie oder per Streulichtmethode erfolgen (siehe z. B. H. F. Mark et al., Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, 2nd. Edition, Vol. 10, Seiten 1 ff., J. Wiley, 1989).

Verwendungen

Die erfindungsgemäße Folie kann z. B. zum Aufbau von transparenten Schichten in optischen Datenträgern, als Abdeckfolie von optischen Datenträgern, als Abdeckfolie zum Verkratzschutz von optischen Datenträgern, als Trägermaterial für die Informationsschicht von optischen Datenträgern oder als funktionale Folie in Flüssigkristallbildschirmen verwendet werden.

Beispiel 1

Herstellung einer erfindungsgemäßen Folie durch Chill-Roll-Extrusion einer Polycarbonat-Formmasse mit einem mittleren Molekulargewicht Mw (Gewichtsmittel) von ca. 20.000 (Dalton).

Die Extrusionsanlage besteht aus einem Einschneckenextruder, einer Schmelzepumpe und einer Breitschlitzextrusionsdüse mit einer Austrittsöffnung von 680 mm × 0,4 mm. Die Breitschlitzextrusionsdüse ist als Superflexlippe (s. EP-A 367 022) ausgeführt.

Die innere Oberfläche der Extrusionsdüse im Lippenbereich ist poliert, so dass eine Rauhigkeit Ra von 0,002 &mgr;m, Rz von 0,015 &mgr;m und Rmax von 0,025 &mgr;m erreicht wird. Die innere Oberfläche der Extrusionsdüse wird mit einer Duplex-Beschichtung von 15 &mgr;m Nickel und 5 &mgr;m CrN versehen.

Der Radius der Düsenlippe im Austrittsbereich beträgt zwischen ca. 100 und 200 &mgr;m und besitzt eine Radius-Gleichmäßigkeit von +/– 50 &mgr;m über die Breite.

Im Abstand von 25 mm zur Austrittsöffnung der Breitschlitzextrusionsdüse ist eine Chill-Roll-Walze mittig positioniert. Die Walze hat einen Durchmesser von 400 mm und eine Breite von 700 mm. Die Walzenoberfläche weist eine Rauhigkeit Ra <= 0,003 &mgr;m, und Rmax < 0,25 &mgr;m gemessen nach DIN 4768, auf. Die Walze besitzt eine Rundlaufgenauigkeit <= 3 &mgr;m.

Die Extrusionsdüse ist mit dem Walzenstuhl an zwei Punkten rechts und links der Austrittsöffnung der Extrusionsdüse über Stahlprofilträger mit einem Querschnitt von 5 cm × 1 cm fest verbunden.

Die Temperatur der Chill-Roll Walze wird zwischen 100°C und 130°C eingestellt, bevorzugt 110°C bis 120°C.

Die Temperatur des Schmelzestroms beträgt ca. 240°C. Der Schmelzefilm legt sich annähernd tangential an die Walzenoberfläche an und umschlingt die Walze um ca. 180°.

Die Strecke zwischen dem Austritt der Schmelze aus der Düse und dem Anlegepunkt an die Chill-Roll-Walze ist eingehaust, die innere Temperatur beträgt ca. 120°C. Diese Einhausung kann beheizt werden oder unter Schutzgasatmosphäre, z.B. aufgeheiztem und gefiltertem (Reinraumklasse 100) Stickstoff, gefüllt sein.

Nach Umschlingung weiterer Walzen wird die Dicke der Folienbahn durch ein traversierend angeordnetes, berührungsloses Meßsystem ermittelt und mittels elektronisch verarbeiteter Informationen die Schmelzeverteilung der Düse mittels eines Dehnbolzensystems über die Breite geregelt.

Vergleichsbeispiel 1

Das Vergleichsbeispiel 1 unterscheidet sich von Beispiel 1 dadurch, dass keine feste Verbindung zwischen dem Walzenstuhl und der Extrusionsdüse vorliegt.

Beispiel 2

Das Beispiel 2 unterscheidet sich von Beispiel 1 dadurch, dass die Extrusionsdüse mit dem Walzenstuhl an zwei Punkten rechts und links der Austrittsöffnung der Extrusionsdüse über Piezo-Aktuatoren verbunden ist. Die Piezo-Aktuatoren werden über einen, in die optische Abstandsmessung integrierten Regelkreis gesteuert und wirken Abstandsänderungen zwischen der Austrittsöffnung Extrusionsdüse und der gekühlten Walze (Chill-Roll-Walze) aktiv entgegen.

Beispiel 3

Das Beispiel 3 unterscheidet sich von Beispiel 2 dadurch, dass der Radius der Düsenlippe im Austrittsbereich ca. 25 &mgr;m beträgt und eine Radius-Gleichmäßigkeit von +/– 1 &mgr;m über die Breite aufweist (Scharfe Kante).

Die relevanten Messgrößen der im Vergleichsbeispiel 1 und in den Beispielen 1 bis 3 erhaltenen Folien werden anhand ausgestanzter kreisrunder Flächenstücke mit einem Durchmesser von 12 cm bestimmt und sind der folgenden Tabelle zusammengefasst.

  • (– : ohne, + mit)


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung einer Folie aus thermoplastischem Kunststoff, wobei der thermoplastische Kunststoff auf einer Extrusionsanlage, enthaltend einen Extruder, eine Extrusionsdüse mit einer Austrittsöffnung in Breitschlitzform und eine gekühlte Walze (Chill-Roll-Walze), die an einem Walzenstuhl befestigt ist, geschmolzen und gefördert wird und in Form einer flächigen Schmelzebahn aus der Austrittsöffnung der Extrusionsdüse austritt, die Schmelzebahn an die gekühlte Walze (Chill-Roll-Walze) angelegt und gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die gekühlte Walze (Chill-Roll-Walze) eine Rundlaufgenauigkeit von +/– 10 &mgr;m oder weniger aufweist und sich der mittlere Abstand zwischen der Austrittsöffnung Extrusionsdüse und der gekühlten Walze (Chill-Roll-Walze) im Betriebszustand um nicht mehr als +/– 25 &mgr;m zeitlich variiert. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gekühlte Walze (Chill-Roll-Walze) an einem Walzenstuhl befestigt ist, der mit der Extrusionsdüse fest verbunden ist. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gekühlte Walze (Chill-Roll-Walze) an einem Walzenstuhl befestigt ist, der mit der Extrusionsdüse über mindestens zwei Aktuatoren verbunden ist, wobei die Aktuatoren über einen Regelkreis gesteuert werden, so dass sie Abstandsänderungen zwischen der Austrittsöffnung der Extrusionsdüse und der gekühlten Walze aktiv entgegenwirken. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanten der Austrittsöffnung der Extrusionsdüse einen Radius von höchstens 50 &mgr;m bei einer Ungleichmäßigkeit von nicht mehr als +/– 5% aufweisen. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Extrusionsanlage zwischen dem Extruder und der Extrusionsdüse eine Schmelzepumpe aufweist. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Oberfläche des Düsenlippenbereichs der Extrusionsdüse mit einer reibungsvermindernden Beschichtung ausgestattet ist. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus einer ein- oder mehrlagigen, gegebenenfalls modifizierten Beschichtung aus Ni, CrN, TiCN, TiC, TiAIN, DLC oder einer diamantähnlichen Kohlenstoffbeschichtung besteht. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Oberfläche der Extrusionsdüse im Extrusionsdüsenlippenbereich metallurgisch oder chemisch verändert oder dotiert ist. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Oberfläche der Extrusionsdüse im Extrusionsdüsenlippenbereich mit einer ein- oder mehrlagigen Beschichtung aus einer Fluorverbindung versehen ist. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzebahn auf dem Weg zwischen dem Austritt aus der Extrusionsdüse und dem Aufsetzpunkt auf der Chill-Roll-Walze beheizt wird. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Extrusionsanlage verwendet wird, bei der die Schmelzebahn zwischen dem Austritt aus der Extrusionsdüse und dem Aufsetzpunkt auf der Chill-Roll-Walze von einer Einhausung umgeben ist. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzebahn auf dem Weg zwischen dem Austritt aus der Extrusionsdüse und dem Aufsetzpunkt auf der Chill-Roll-Walze mit einem Inertgas umgeben wird. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Oberfläche des Düsenlippenbereichs Rautiefen Ra nach DIN 4768 von 0,01 &mgr;m bis 0,002 &mgr;m oder darunter, Rz von 0,08 &mgr;m bis 0,015 &mgr;m und Rmax 0,10 &mgr;m bis 0,025 &mgr;m aufweist. Folie aus einem thermoplastischem Kunststoff mit einer Dicke von 10 bis 150 &mgr;m und einer In-Plane-Doppelbrechung, die bei senkrechter Durchstrahlung einen optischen Gangunterschied von höchstens 15 nm verursacht, sowie einer vertikalen Doppelbrechung von höchstens 0,0004,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Folie in keinem Bereich der Oberfläche, bezogen auf eine kreisrunde Fläche mit einem Durchmesser von 12 cm, eine Ablenkung eines senkrecht einfallenden Lichtstrahls von größer als einer Winkelminute und

eine Dickentoleranz, bezogen auf eine kreisrunde Fläche mit einem Durchmesser von 12 cm, von nicht mehr als +/– 1% aufweist.
Folie nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem transparenten thermoplastischen Kunststoff besteht. Folie nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus Polymethylmethacrylat-Kunststoff, schlagzäh modifiziertes Polymethylmethacrylat, Polycarbonat-Kunststoff, Polystyrol-Kunststoff, Styrol-Acryl-Nitril-Kunststoff, Polyethylentherephthalat-Kunststoff, glykolmodifiziertem Polyethylentherephthalat-Kunststoff, Polyvinylchlorid-Kunststoff, Polyolefin-Kunststoff, Cycloolefinische Copolymere (COC), PPS-Kunststoff oder PPSU-Kunststoff, Acrylnitril-Butadien-Stryrol (ABS)-Kunststoff oder Mischungen (Blends) verschiedener thermoplastischer Kunststoffe besteht. Folie nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem linearen oder verzweigten Polycarbonat mit einem mittleren Molekulargewicht Mw von 10.000 bis 45.000 besteht. Verwendung einer Folie nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 17 zum Aufbau von transparenten Schichten in optischen Datenträgern, als Abdeckfolie von optischen Datenträgern, als Abdeckfolie zum Verkratzschutz von optischen Datenträgern, als Trägermaterial für die Informationsschicht von optischen Datenträgern oder als funktionale Folie in Flüssigkristallbildschirmen.






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