DE3022547A1 - Verfahren zum modifizieren der oberflaecheneigenschaften von acrylharzformstoffen - Google Patents
Verfahren zum modifizieren der oberflaecheneigenschaften von acrylharzformstoffenInfo
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Description
- Beschreibung
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Modifizieren der Oberflächeneigenschaften von Formstoffen aus Acrylharz, insbesondere auf ein Verfahren zur Herabsetzung der elektrostatischen Ladung auf der Oberfläche des Formstoffes und zur Steigerung der Affinität der Oberfläche des Formstoffes eines Acrylharzes gegen Wasser durch Anvenden von kaltem Plasma.
- Wie bekannt, gehören Acrylharze zu einer der vichtigen zulassen thermoplastischer synthetischer Harze vegen ihrer hohen Witterungsbeständigkeit und hohen Durchsichtigkeit, und sie verden veit verbreitet verwendet zum Formen mannigfaltiger Gegenstände wie etwa Windschutzscheiben für Fahrzeuge, Dachfenster und Oberlichter, Linsen für Schlualichter von Kraftfahrzeugen, Abdeckungen für Fernsehbildschirme, Abdeckungen für Maschinen und Instrumente, Sonnenbrillen und dergl.
- Trotz der oben beschriebenen ausgezeichneten Eigenschaften haftet Formstoffen aus Acrylharz eine Unvollkommenheit an, welche die Brauchbarkeit des Harzes in großem Ausmaß einschränkt. Die Oberfläche eines Acrylharzformstoffes besitzt nämlich eine mangelhafte Affinität gegenüber Wasser und wird mit statischer Elektrizität leicht aufgeladen, wodurch niedergeschlagener Staub bis zu einem Verlust der Oberflächenschönheit angezogen wird. Außerdem ist die Oberfläche fur Kratzer ziemlich empfänglich, sodaß die Transparenz des Formstoffes nach einer relativ kurzen Gebrauchsdauer rasch verloren geht.
- Natürlich ist das Problem der Ansammlung elektrostatischer Ladung auf der Oberfläche eines Formstoffes nicht auf die Acrylharze beschränkt, sondern auch die meisten Kunststoffe leiden unter diesem Problem. Daher sind viele Anstrengungen unternommen worden, um dieses Problem zu lösen. Beispielsweise besteht die herkömmlichste Methode darin, die Oberfläche des Formstoffes mit einem Antistatikum zu überziehen oder ein Antistatikum in die Harzmasse einzuverleiben, bevor diese zu Formstoffen verarbeitet wird.
- Diese Methoden sind jedoch weit davon entfernt, befriedigend zu sein. Die erstere Methode des Überziehens mit einem Antistatikum ist unvollkommen hinsichtlich der mangelhaften Dauerhaftigkeit der antistatischen Wirkung, abgesehen von den Nachteilen der Klebrigkeit der Oberfläche und des Blockierens bzw. Zusammenklebens der Formstoffe, welche in Berührung miteinander gehalten werden, obgleich die Methode wirksam ist, wenn eine Sofortige antistatische Wirkung gewttnscht wird.
- Die letztere Methode des Einverleibens eines Antistatikums in die Harzmasse, ist nicht so wirksam hinsichtlich der Steigerung der Affinität der Oberfläche gegenüber Wasser, obgleich der Oberflächenwiderstand bis zu gewissem Ausmaß herabgesetzt werden kann, sodaß die Methode mit ihrer relativ geringen antistatischen Wirkung nicht immer praktisch ist, ungeachtet der Dauerhaftigkeit der Wirkung.
- Wenn die Menge einverleibten Antistatikums gesteigert wird mit dem Ziel, die antistatische Wirkung auf der Oberfläche des Formstoffes zu steigern, so sind etliche überstände unvermeidbar hinsichtlich des klebrigen Anfühlen der Oberfläche, des Ausblühens bzw. Ausschwitzens des zugesetzten Antistatikums und des Blockierens der in Berührung miteinander gehaltenen Gegenstände, einhergehend Mit herabgesetzter Bearbeitbarkeit der Harzmasse sowohl beim Verformen als auch beim Färben der Oberfläche, gesteigerter Empfänglichkeit zur Fleckenbildung und herabgesetzter Wärmebeständigkeit.
- Kürzlich ist eine Methode vorgeschlagen worden, welche von der Anwendung eines Antistatikums grundsätzlich verschieden ist und bei welcher die Oberfläche eines Formstoffes aus Acrylharz dem kalten Plasma eines Gases unter niedrigem Druck ausgesetzt wird, sodaß die Affinität der Oberfläche gegenüber Wasser verbessert wird und die An-Sammlung elektrostatischer Ladung auf der Oberfläche bis zu gewissem Ausmaß herabgesetzt werden kann. Die Wirksamkeit dieser Methode ist jedoch nicht immer befriedigend.
- Daher soll erfindungsgemäß eine neuartige und verbesserte Methode zur Herabsetzung der elektrostatischen Ladung auf der Oberfläche eines Acrylharz-Formstoffes geschaffen verden, welche so wirksam und dauerhaft ist, daß die oben beschriebenen Mängel der bisherigen Methoden durch sehr ein-Sache Mittel überwunden werden können.
- Das erfindungsgemäße Verfahren gründe sich auf die Uberraschende Feststellung, daß die Oberflächeneigenschaften eines Formstoffes aus Acrylharz durch die folgenden Schritte verbessert werden können: (a) Aussetzen der Oberfläche des Formstoffes dem kalten Plasma eines Gases, welches im Plasmazustand kein Polymerisationsvermögen besitzt, und (b) Inberührungbringen der mit Plasma behandelten Oberfläche des Formstoffes mit einer Flüssigkeit, welche gegenüber Acrylharz inert ist, und welche ggf. ein oberflächenaktives Mittel enthält.
- Trotz der Einfachheit der Methode, bei welcher die gegenüber dem Acrylharz inerte Flüssigkeit bloß Wasser sein kann, ist die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens so bemerkenswert und dauerhaft, daß die Oberfläche des Formstoffes, welche der erfindungsgemäßen Behandlung unterworfen wurde, sogar nach 6 Monaten antistatisch bleibt.
- Die Erfindung beinhaltet ein neuartiges Verfahren zum Verbessern der Oberflächeneigenschaften, insbesondere zum Steigern der Affinität zu Wasser zur Herabsetzung der Ansammlung statischer Elektrizität auf der Oberfläche eines Formstoffes aus Acrylharz.
- Das erfindungsgemäße Verfahren kennzeichnet sich dadurch, daß man zuerst die Oberfläche des Formstoffes dem kalten Plasma eines Gases aussetzt, welches im Plasma kein Polymerisationsvermögen besitzt, und daß man dann die plasmabehandelte Oberfläche in Berührung bringt mit einer gegenüber dem Harz inerten Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, oder einer wässrigen Lösung, welche ein oberflächenaktives Mittel enthält, Die Wirkung der erfindungsgemäßen Methode ist so stark und dauerhaft, daß die behandelte Oberfläche sogar nach 6 Monaten nach der Behandlung antistatisch bleibt.
- Unter dem Ausdruck "Acrylharz" ist hier ein Homopolymerharz oder Copolymerharz eines oder mehrerer Alkylester der Acrylsäure oder Methacrylsäure zu verstehen, vorzugsweise Methylacrylat, Methylmethacrylat, Äthylacrylat, Äthylmethacrylat, Butylacrylat und dergl. Das am verbreitetsten verwendete Acrylharz ist jedoch ein homopolymeres Polymethylmethacrylat oder ein Copolymerharz, von welchem die Hauptkomponente, d.h. 50 Ges.% oder mehr, eine Nethylmethacrylatkomponente ist, welche mit einem oder mehreren Comonomeren copolymerisiert ist wie etwa Alkylacrylaten, Alkylmethacrylaten, welche nicht Methylmethacrylat sind, Acrylnitril, Methacrylnitril, Styrol, Vinylacetat und anderen äthylenisch ungesättigten Monomeren. Die Gestalt der Formstoffe, welche dem erfindungsgemäßen Verfahren unterworfen werden, ist nicht begrenzt insoweit, als deren gesamte Oberfläche einheitlich mit dem kalten Plasma eines Gases behandelt werden kann.
- Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Oberfläche des FormstoÇBes aus Acrylharz zunächst dem kalten Plasma eines Gases ausgesetzt, welches unter Plasmabedingung kein Polymerisationsvermögen besitzt. Die Bedeutung ~kaltes Plasma" ist einschlägig bekannt als eine gasförmige Atmosphäre voller elektrischer Ladungsarten, wo die Temperatur der gasförmigen Atmosphäre nicht Ubermäßig hoch ist im Vergleich zur Umgebungstemperatur, ungeachtet der Energien der Ladungsarten als solchen. Kaltplasma wird hauptsächlich erzeugt durch Glimmentladung einer gasförmigen Atmosphäre eines Druckes im Bereich von etwa o,oo13 bis 13,3 Millibar, wobei die Frequenz der zur Entladung zugeführten elektrischen Energie nicht begrenzt ist und im Bereich von Gleichstrom bis in das Gebiet der Mikrowellen reicht. Insbesondere ist eine Frequenz der sogenannten Hochfrequenz empfehlenswert wegen der Möglichkeit, eine stabile Plasmaentladung zu erzielen. Beispielsweise wird eine Frequenz von 13,56 MHz oder 27,12 MHz empfohlen, weil diese Frequenzen von gesetzlichen Regelungen für Radiovellen relativ frei sind.
- Gestalt und Anordnung der Elektroden für die Plasmaentladun sind nicht eingeschränkt, soweit eine stabile Plasmaentladung innerhalb des Raumes sichergestellt ist, in welchem die Oberfläche des Formstoffes der Plasmaatmosphäre ausgesetzt ist. Somit kann ein Paar äußerer Elektroden und eine gewickelte Elektrode, zusätzlich zu einem Paar innerer Elektroden gemäß bestimmter Arten der Vorrichtungen zur Plasmaerzeugung verwendet werden. Die Elektroden können mit dem Hochfrequenzgenerator verbunden sein entweder durch kapazitive oder durch induktive Kopplung.
- Die Intensität bzw. Energiedichte des kalten Plasmas und die Zeit it der Plasmabehandlung sind gegenseitig in Beziehung stehende Kennwerte, doch man begegnet äußersten Schvierigkeiten, wenn die Energiedichte des kalten Plasmas ausdrücklich bestimmt werden soll. Dies ist auf die sehr komplizierte Natur der Plasmaatmosphäre zurückzuführen, welche jenseits des Verständnisses des gegenwärtigen Standes des Fachwissens liegt. Daher ist es am besten, die Zeit für die Plasmabehandlung vorher durch Versuche mit entsprechender elektrischer Energiexufuhr und den besonderen zu behandelnden Formstoffen zu bestimmen. Bei einer Energiedichte, welche bei den meisten laufend zur Verfügung stehenden Vorrichtungen zur Plasmaerzeugung erzielt wird, ist eine Zeit im Bereich zwischen wenigen Sekunden und einigen 1o Minuten gewöhnlich ausreichend, um die gewünschte Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu erreichen.
- Bei irgendeiner Rate ist es ein Mindesterfordernis, daß die Oberfläche der plasmabehandelten Forinstoffe niemals einem thermischen Abbau durch die Hitze unterliegt, welche durch die Plasmaentladung entwickelt wird.
- Die anderen Kennwerte, welche bei der Plasmabehandlung zu betrachten sind, sind die Art der gasförmigen Bestandteile und der Druck der Gasatmosphäre, in welcher das kalte Plasma erzeugt wird. Um eine Stabilität der Plasmaentladung zu gewährleisten, sollte der Druck der Gas atmosphäre innerhalb der Vorrichtung zur Plasmaerzeugung im Bereich von etwa o,oo13 bis 13,3 Millibar, oder vorzugsweise 0,013 bis 1,3 Millibar, gehalten werden.
- Die Gase zur Füllung der Vorrichtung zur Plasmaerzeugung, sollen im Plasmazustand kein Polymerisationsvermögen besitzen, weil eine Abscheidung polymerisierter Substanz auf der Oberfläche des plasmabehandelten Formstoffes unerwünscht ist. In Verbindung hiermit werden die Gase ausgewählt unter solchen anorganischen bzw. inerten Gasen wie Helium, Neon, Argon, Stickstoff, Stickoxydul, Stickstoffdioxyd, Sauerstoff, Luft, Chlor, Chlorvasserstoff, Kohlenmonoxyd, Kohlendioxyd, Wasserstoff und dergl. Diese Gase können entweder einzeln oder als Gemisch zweier oder mehrerer angewandt werden. Von den oben erwähnten Gasen ist Kohlenmonoxydgas bzw. ein Gasgemisch, welches Kohlenmonoxyd enthält, wegen des aus unbekanntem Grund höheren Wirkung grades bevorzugt.
- Die Formstoffe aus Acrylharz, welche dem kalten Plasma ausgesetzt worden sind, werden dann mit einer gegenüber Acrylharz inerten Flüssigkeis in Berührung gebracht, d.h. einer Flüssigkeit, welche das Acrylharz weder auflöst, noch quillt.
- Eine solche inerte Flüssigkeit ist vorzugsweise Wasser, Methylalkohol, Äthylalkohol, Dioxan und dergl., wovon Wasser am meisten bevorzugt ist und zwar nicht nur wegen seiner geringen Kostspieligkeit, sondern auch wegen seiner höchsten Wirksamkeit.
- Die Temperatur der inerten Flüssigkeit in Berührung mit dem plasmabehandelten Formstoff liegt vorzugsweise im Bereich von o bis 50°C, jedoch am zweckmäßigsten wird das Inberührungbringen bei Raumtemperatur durchgeftihrt. Die Berührungsdauer mit der inerten Flüssigkeit liegt im Bereich von wenigen Sekunden bis zu einigen Minuten bzw.
- mindestens 1 Sekunde, obgleich eine übermäßig lange Zeit keine nachteiligen Wirkungen ausübt. Es ist nicht immer erforderlich, daß der Formstoff nach Vollendung der Plasmabehandlung sofort in Berührung mit der inerten Flüssigkeit gebracht wird und die Wirksamkeit ist fast unverändert, wenn der plasmabehandelte Formstoff mit der Flüssigkeit innerhalb von 24 Stunden nach Vollendung der Plasmabehandlung in Berührung gebracht wird.
- Die Wirksamkeit der Behandlung mit der inerten Flüssigkeit, bzw. typisch Wasser, wird weiter gesteigert, wenn als inerte Flüssigkeit eine wässrige Lösung benutzt wird, die ein oberflächenaktives Mittel enthält. Die Art des in diesem Fall verwendeten oberflächenaktiven Mittelsist nicht besonders eingeschränkt und hierzu zählen kationische, anionische, nichtionische und amphotere oberflächenaktive Mittel.
- Die kationischen oberflächenaktiven Mittel, welche zur Verwendung geeignet sind, sind vorzugsweise Salze primärer Amine, Salse sekundärer Amine, Salze tertiärer Amine, quartäre Ammoniumsalze und Pyridiniumsalze; und die anionischen oberflächenaktiven Mittel sind vorzugsweise sulfonierte Öle, Seifen, sulfonierte Esteröle, sulfonierte Amidöle, sulfonierte Estersalze von Olefinen, sulfonierte Estersalze von aliphatischen Alkoholen, Estersalze von Alkylschwefelsä##en, äthylsulfonsaure Salze von Fettsäuren, Salze von Alkylsulfonsäuren, Salze von Alkylnaphthalinsulfonsäuren, Salze von Alkylbenzolsulfonsäuren, Bernsteinsäureestersul£onate und Salze von Phosphorsäureestern. Die nichtionischen oberflächenaktiven Mittel sind vorzugsweise Additionsprodukte von Äthylenoxyd mit Fettsäuren, aliphatischen Amiden, Alkylphenolen, Alkylnaphtholen, Carbonsäureteilester von mehrvertigen Alkoholen und dergl. und Blockcopolymere von Äthylenoxyd und Propylenoxyd; und die amphoteren oberflächenaktiven Mittel sind vorzugsweise Derivate von Carbonsäuren und Derivate von Imidazolinen. Diese oberflächenaktiven Mittel werden in Wasser oder einem gemischten Lösungsmittel von Wasser und einem Alkohol aufgelöst, dispergiert oder emulgiert und zwar in einer Konzentration von etwa o,ol bis 50 GevEg, vorzugsweise 0,01 bis 10 Gear, Es mag keine besondere Erläuterung der Art und Weise erforderlich sein, in welcher der plasmabehandelte Forstoff aus Acrylharz mit der inerten Flüssigkeit in Berührung gebracht wird. Beispielsweise wird der plasmabehandelte FormstoEE mit der inerten Flüssigkeit in Berührung gebracht durch Tauchen, Bürsten, Sprühen, Dämpfen oder einer anderen herkömmlichen Methode und der mit der inerten Flüssigkeit benetzt Formstoff wird, wenn erforderlich, mit Wasser abgespült und bei Raumtemperatur oder erhöhter Temperatur vollständig getrocknet.
- Der Formstoff aus Acrylharz, welcher wie oben beschrieben er£indungsgemäß-behandelt ist, ist, wie vorstehend erwähnt, mit ganz bemerkenswert verbesserten Oberflächeneigenschaften ausgestattet, sodaß das Anwendungsgebiet der FormstofEe aus Acrylharz bis zu großem Ausmaß weiter vergrößert ist.
- Die folgenden Beispiele veranschaulichen das erfindungsgemL3e Verfahren ausführlicher. In den Beispielen wird die Affinität der Oberfläche gegen Wasser durch den Kontaktwinkel des Wassers bewertet, und die Abnahme der @lektrostatischen Oberflächenl adung wird bewertet durch den Zigarettenasche-Anziehungstest, bei welchem die Oberfläche des Arrylharxformstoffes nach der Behandlung 10 al mit einem Baumwolltuch gerieben und 3 ca im Abstand oberhalb einer kleinen Ablagerung von Zigarettenasche bei 25°C in einer Atmosphäre von 60 % relativer Feuchtigkeit gehalten wird, um festzustellen, ob die Zigarettenasche an die Oberfläche des Formstoffes angezogen oder nicht angezogen wird.
- Beispiel 1 Eine transparente Platte aus Polyme thylme thacryl atharz von 1 mm Dicke bringt man in eine Plasmaerzeugungskammer, in welcher kaltes Plasma erzeugt wird durch Anlegen elektrischer Hochfrequenzenergie von 300 Watt und 13,56 MHz an die Elektroden, wobei man die Qasatmosphäre in der Daher unter einem Druck von 0,53 Millibar hält, indem man Kohlenmonoxydgas unter vermindertem Druck hindurchgehen läßt, sodaß die Oberfläche der Harzplatte der Plasmaatmosphäre lo Minuten lang ausgesetzt ist.
- Die so plasmabehandelte Harzplatte taucht man in eine wässrige Lösung, welche ein oberflächenaktives Mittel eines Natrium-alkylbenzolsul£onats höheren Alkohols in einer Konzentration von 1 % enthält. Das Eintauchen dauert 1 Minute, wonach man die Oberfläche mit Wasser spült und an der Luft trocknet.
- Die antistatische Wirkung dieser Harzplatten wird bewertet durch Bestienung des Kontaktwinkels des Wassers und durch den Zigarettenasche-Anziehungstest; die Bewertung erfolgt mit der plasmabehandelten Harzplatte und mit der Harzplatte, welche mit der Lösung des oberflächenaktiven Mittels nach der Plasmabehandlung behandelt wurde. Die Tests werden entweder sofort nach der Behandlung oder nach Lagerung bis zu 6 Monaten durchgeführt. Die Ergebnisse sind nachstehend in Tabelle I angegeben.
- Tabelle I
anfäng- nach 1 nach 3 nach 6 lich Monat Monaten Monaten Mit Plasma kontaktwinkel behandelt des Wassers 27° 30° 35° 45° Zigaretten- ascheanzie- keine keine etwas ja ja hung Mit Plasma Kontaktwinkel 150 180 220 250 und ober- des Wassers flächen- aktivem Zigaretten- Mittel ascheanzie- keine keine keine keine behandelt hung - Die plasmabehandelte Harzplatte taucht man 30 Sekunden in eine 3%ige wässrige Lösung von oberflächenaktivem Mittel aus Triäthanolaminlaurylsulfat, wonach man die Oberfläche mit Wasser abspült und an der Luft vollständig trocknet. Der Test auf antistatische Wirkung wird in der gleichen Weise vorgenommen wie in Beispiel 1 und die Ergebnisse sind nachstehend in Tabelle II dargelegt: Tabelle II
anfäng- nach 1 nach 3 nach 6 lich Monat Monaten Monaten Mit Plasma Kontaktwinkel 250 280 330 400 behandelt des Wassers Zigaretten- Zigaretten- keine keine etwas j ja ascheanzie- hung mit Plasma Kontaktvinkel 180 20° 25° 280 und ober- des Wassers flächenak- Zigaretten- tivem ascheanzie- keine keine keine eine Mittel hung behandelt t - Die plasmabehandelte Harzplatte taucht man 30 Sekunden in eine ziege wässrige Lösung eines oberflächenaktiven Mittels aus Polyoxyäthylen-alkylamin, wonach man die Oberfläche mit Wasser abspült und an der Luft vollständig trocknet. Der Test auf antistatische Wirkung wird in der gleichen Weise vorgenommen wie in Beispiel 1 und die Ergebnisse sind nachstehend in Tabelle III auf geführt: Tabelle III
anfang nach 1 nach 3 nach 6 lich Monat Monaten Monaten Mit Plasma Kontaktwinkel 27° 32° 35° 48° behandelt des Wassers Zigaretten- ascheanzie- keine etwas ja etwas ja ja hung Mit Plasma Kontaktwinkel 0 0 0 0 und ober- des Wassers 18 20 25 26 fl ächenak- tivem Zigaretten- Mittel ascheanzie- keine eine keine keine behandelt hung
Claims (7)
- Verfahren zum Modifizieren der Oberflächeneigenschaften von Acrylharzformstoffen Patentansprache 1. Verfahren zum Modifizieren der Oberflächeneigenschaften eines Formstoffes aus Acrylharz, dadurch gekennzeichnet, daß man (a) die Oberfläche des Formstoffes dem kalten Plasma eines Gases aussetzt, welches unter Plasmabedingung kein Polymerisationsvermögen besitzt, und (b) die plasmabehandelte Oberfläche des Formstoffes in Beruhrung mit einer Fldssigkeit bringt, welche gegenüber dem Acrylharz inert ist.
- 2. Verfahren zum Modifizieren der Oberflächeneigenschaften eines Formstoffes aus Acrylharz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man (a) die Oberfläche des Formstoffes dem kalten Plasma eines Gases aussetzt, welches unter Plasmabedingung kein Polymerisationsvermögen besitzt, und (b) die plasmabehandelte Oberfläche des Formstoffes in BerUhrung mit einer wässrigen Lösung bringt, welche ein oberflächenaktives Mittel enthält.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas, welches unter Plasmabedingung kein Polymerisationsvermögen besitzt, Kohlenmonoxyd oder ein kohlenmonoxydhaltiges Gasgemisch ist.
- 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gegen Acrylharz inerte Fltissigkeit Wasser ist.
- 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer, welche die plasmabehandelte Oberfläche des Formstoffes sich in Beruhrung mit der gegen Acrylharz inerten Flüssigkeit befindet, mindestens 1 Sekunde beträgt.
- 6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer, welche die plasmabehandelte Oberfläche des Formstoffes sich in Beruhrung ein oberflächenaktives Mittel enthaltenden wässrigen Lösung befindet, mindestens 1 Sekunde beträgt.
- 7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lonzentration des oberflächenaktiven Mittels in der wässrigen Lösung im Bereich von o,ol bis lo Gew.% liegt.
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