DE19738721A1

DE19738721A1 - Vorrichtung zum Plasmabehandeln von Kunststoff und dazu verwendbares Verfahren

Info

Publication number: DE19738721A1
Application number: DE19738721A
Authority: DE
Inventors: Hans-Josef Dr Ing Endres; Ralf Dr Ing Cook; Joerg Dr Rer Nat Krumeich; Klaus Dr Esser; Ulrich Dr Karsch
Original assignee: Buck Chemisch Technische Werke GmbH and Co; Kautex Textron GmbH and Co KG
Current assignee: Buck Chemisch Technische Werke GmbH and Co; Kautex Textron GmbH and Co KG
Priority date: 1997-09-04
Filing date: 1997-09-04
Publication date: 1999-03-11

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Plasmabehandeln von Kunststoff, umfassend eine Vakuumkammer, ein Pump system, ein Gasversorgungssystem und ein Elektroenergiever sorgungssystem, sowie ein dazu verwendbares Verfahren.

Die gattungsgemäße Vorrichtung entspricht einer herkömmli chen Anlage zur Plasmapolymerisation. Bei der Plasmapoly merisation wird ein polymerisierbares Gas, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme eines inerten Trägergases, bei ver mindertem Gasdruck in einem ein elektrisches Wechselfeld aufweisenden Bereich geleitet. Dabei kommt es zu einer Gas entladung, bei der die Gasmoleküle angeregt und dabei auch fragmentiert werden, miteinander reagieren und über eine Oligomerbildung zur Kondensation auf eine zu beschichtende Fläche gebracht werden. Da auf die so aufgebracht werdende Beschichtung ständig weiter die elektrische Entladung mit Elektronen- und Ionenbeschuß sowie UV-Strahlung wirkt, führt dies zu einer weiteren Reaktion und zu einer Vernet zung des Polymerisats.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die gattungs gemäße Vorrichtung zum Plasmabehandeln von Kunststoff und das dazu verwendbare Verfahren derart weiterzuentwickeln, daß die durch plasmatechnische Polymerisation erzeugte Be schichtung eine verbesserte Haftung und größere Vernetzung aufweist, als bislang bekannt.

Der die Vorrichtung betreffende Aufgabenteil wird erfin dungsgemäß dadurch gelöst, daß zum Erzeugen im wesentlichen reproduzierbarer und selektiv homogener Plasmaverhältnisse mit Ionenbeschuß des zu behandelnden Kunststoffs alle elek trisch leitfähigen Teile der Vorrichtung mit Plasmakontakt und/oder alle elektrisch leitfähigen Teile der Vorrichtung innerhalb eines mittels des Elektroenergieversorgungssys tems erzeugten elektromagnetischen Feldes gegenüber Masse elektrisch isoliert und alle elektrisch leitfähigen Teile der Vorrichtung ohne Plasmakontakt außerhalb besagten elektromagnetischen Feldes definiert geerdet sind.

Dabei ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Hohlkörper in der Vakuumkammer angeordnet ist, dessen Innenfläche zumindest zum Teil aus Kunststoff besteht, und ein Plasma im wesent lichen nur innerhalb des Hohlkörpers zündbar ist, um den Kunststoff der Innenfläche des Hohlkörpers zu behandeln.

Die Erfindung schlägt ferner vor, daß ein Steuersystem zur Steuerung von Prozeßparametern, insbesondere zur Auswahl eines Arbeitsgases oder Arbeitsgasgemisches, der Fließrate des Arbeitsgases bzw. Arbeitsgasgemisches, des Drucks in dem Hohlkörper, des Drucks in der Vakuumkammer, der Fre quenz sowie der Amplitude der Anregungsenergie, des Plasmas der Behandlungszeit und/oder der Anlagengeometrie, zwecks Modifikation und/oder Beschichtung des zu behandelnden Kunststoffs installiert ist.

Dabei kann vorgesehen sein, daß das Steuersystem eine Meß einrichtung, umfassend zumindest eines der folgenden Systeme, nämlich ein Massenspektrometer, ein Spektrometer für optische Emission (OES), eine Einfachsonde, eine Zwei fachsonde und/oder eine Dreifachsonde, aufweist.

Auch sieht die Erfindung vor, daß das Steuersystem mit einem Druckmesser zum Bestimmen des Drucks in der Vakuum kammer und/oder mit einem Drucksensor zum Bestimmen des Drucks in dem Hohlkörper verbunden ist.

Ferner kann vorgesehen sein, daß das Steuersystem mit dem Elektroenergieversorgungssystem verbunden ist.

Das Steuersystem kann außerdem eine Recheneinheit umfassen.

Die Erfindung schlägt auch vor, daß das Pumpsystem eine erste Pumpe zum Auspumpen der Vakuumkammer über eine Saugleitung mit einem zwischengeschalteten Ventil, vorzugs weise in Form eines Regelventils, umfaßt.

Es kann erfindungsgemäß weiterhin vorgesehen sein, daß das Pumpsystem eine zweite Pumpe zum Auspumpen des Hohlkör pers über eine Saugleitung mit einem zwischengeschalteten Ventil, vorzugsweise in Form eines Regelventils, umfaßt, oder der Hohlkörper über eine Umwegpumpleitung und eine Saugleitung mit einem Ventil, vorzugsweise in Form eines Regelventils, mit der ersten Pumpe verbunden ist.

Die Erfindung schlägt vor, daß das Gasversorgungssystem zumindest einen Vorratsbehälter für ein Arbeitsgas oder Arbeitsgasgemisch umfaßt, der über ein Ventil, vorzugsweise in Form eines Regelventils, mit einem Gasverteiler verbun den ist, der sich in den Plasmabereich hineinerstreckt.

Erfindungsgemäß kann ein Belüftungssystem, das ein äußeres Belüftungsventil zur Belüftung der Vakuumkammer umfaßt, vorgesehen sein.

Dabei ist bevorzugt, daß das äußere Belüftungsventil mit einem Vorratsbehälter für ein Arbeitsgas oder Arbeitsgas gemisch zur Belüftung und, gegebenenfalls, Nachbehandlung verbunden ist.

Auch kann ein Belüftungssystem, das ein inneres Belüftungs ventil zum Herstellen eines Druckausgleichs zwischen der Vakuumkammer und dem Hohlkörper umfaßt, erfindungsgemäß vorgesehen sein.

Ferner sieht die Erfindung vor, daß eine Belüftung über zumindest eine Saugleitung und/oder die Umwegpumpleitung durchführbar ist.

Dabei kann vorgesehen sein, daß mit der Belüftung eine Nachbehandlung durch ein entsprechendes Gas, wie eine ak tive Nachbehandlung durch Sauerstoff, Kohlendioxid oder Wasserstoff oder eine inerte Nachbehandlung durch Stick stoff oder Argon, durchführbar ist.

Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß auch, daß das Elektro energieversorgungssystem einen Frequenzgenerator umfaßt, der mit Elektroden in der Vakuumkammer verbunden ist.

Erfindungsgemäß ist ferner bevorzugt, daß der Hohlkörper zwischen zwei, vorzugsweise zur Erzeugung eines homogenen elektrischen Felds in dem Hohlkörper an dessen Form ange paßten, Elektroden angeordnet ist.

Eine besonders vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zumindest jeweils ein Iso lator in der Saugleitung, dem Gasverteiler und der Meßein richtung innerhalb der Vakuumkammer angeordnet ist, vor zugsweise in der Saugleitung, dem Gasverteiler und der Meß einrichtung innerhalb der Vakuumkammer angeordnet ist.

Bevorzugt ist erfindungsgemäß ferner, daß die Vakuumkammer und alle Teile außerhalb derselben definiert geerdet sind.

Es ist ferner bevorzugt gemäß der Erfindung, daß der Fre quenzgenerator mit jeder Elektrode elektrisch isoliert von der Vakuumkammer verbunden ist, und, in dem Fall, daß der Frequenzgenerator asymmetrisch ist, derselbe mit der Vaku umkammer über eine Masseverbindung verbunden ist.

Es kann vorgesehen sein, daß mehrere Hohlkörper in der Va kuumkammer anordbar sind, wobei vorzugsweise das Ventil des Pumpsystems, das Ventil des Gasversorgungssystems, der Fre quenzgenerator des Elektroenergieversorgungssystems, der Drucksensor, das innere Belüftungsventil des Belüftungssys tems und/oder die Meßeinrichtung des Steuersystems für jeden Hohlkörper unabhängig von anderen Hohlkörpern betätigbar ist.

Eine erfindungsgemäße Ausführungsform ist dadurch gekenn zeichnet, daß mehrere Vorratsbehälter für Arbeitsgase oder Arbeitsgasgemische angeschlossen sind.

Der das Verfahren betreffende Aufgabenteil wird erfindungs gemäß dadurch gelöst, daß ein Niederdruckplasma mittels eines regelbaren elektromagnetischen Wechselfelds mit Ra diofrequenz in einem Bereich von ungefähr 100 kHz bis un gefähr 500 kHz oder mit Hochfrequenz in einem Bereich von ungefähr 1 MHz bis ungefähr 50 MHz, vorzugsweise bei 6,78 MHz, 13,56 MHz, 27,21 MHz oder 40,68 MHz, am bevorzugtesten bei 13,56 MHz, gezündet wird.

Dabei kann vorgesehen sein, daß der Druck für die Plasma entladung auf ungefähr 1 Pa bis ungefähr 200 Pa, vorzugs weise ungefähr 3 Pa bis ungefähr 10 Pa, geregelt wird.

Gemäß der Erfindung ist weiterhin bevorzugt, daß der Druck in der Vakuumkammer so eingestellt wird, daß die Zündbedin gungen für ein Radio- oder Hochfrequenzplasma nicht erfüllt werden und die Druckdifferenz zum Druck in jedem Hohlkör per, der zum Plasmazünden geeignet geregelt wird, nicht zu einer Beschädigung des Hohlkörpers führt.

Dabei kann vorgesehen sein, daß der Druck in der Vakuumkam mer auf unter ungefähr 1 Pa oder über ungefähr 500 Pa ge regelt wird.

Ferner wird vorgeschlagen, daß die Leistungsdichte des Plasmas auf ungefähr 0,05 × 10³ W/m³ bis ungefähr 100 × 10³ W/m³, vorzugsweise ungefähr 0,4 × 10³ W/m³ bis ungefähr 5 × 10³ W/m³, geregelt wird.

Auch schlägt die Erfindung vor, daß jeder Gasfluß auf un gefähr 0,5 sccm bis ungefähr 200 sccm, vorzugsweise unge fähr 10 sccm bis ungefähr 50 sccm, geregelt wird. Dabei steht 1 sccm bekanntlich für 1 ccm/min unter Standardbedin gungen, wie 20°C und dergleichen.

Die Behandlungszeit kann auf zwischen ungefähr 3 Minuten und ungefähr 30 Minuten eingestellt werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Arbeitsgas oder Arbeitsgasgemisch geregelt in die Vakuumkammer eingeführt wird, ausgewählt aus:

- einem ersten Gas oder Gasgemisch zur Aktivierung und/oder Vernetzung, das bei Plasmabedingungen reaktive Komponen ten bildet, wie Sauerstoff, Kohlendioxid und/oder Wasser stoff;
- einem zweiten Gas oder Gasgemisch zur Erhöhung der Dichte und/oder Vernetzung über eine Verstärkung des Ionenbe schusses und von UV-Strahlung, das relativ schwer und/oder inert oder reaktionsträge ist, wie Argon und/oder Stickstoff; und/oder
- einem dritten Gas oder Gasgemisch zur Beschichtung, das bei Plasmabedingungen ketten- und/oder verzweigungsbil dende Komponenten aufweist, wie Ethylen, Acetylen, Hexa methyldisiloxan (HMDSO) und/oder Hexamethyldisilazan- (HMDSN).

Schließlich ist ein erfindungsgemäß weiterentwickeltes Ver fahren dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßparameter über eine im wesentlichen kontinuierliche Prozeßkontrolle mit tels des Steuersystems so geregelt werden, daß zu Prozeßbe ginn die Oberfläche des zu behandelnden Kunststoffs durch geregelte Einstellung eines bestimmten Ionenbeschusses und einer bestimmten UV-Strahlung gereinigt und aktiviert wird, dann eine Modifikation, insbesondere Vergrößerung der Ver netzung, der Matrix der zu behandelnden Oberfläche bis in eine Tiefe von ungefähr 100 µm erzielt wird, anschließend eine Schicht mit einer Dicke von ungefähr 50 nm bis un gefähr 5000 nm aufgebracht wird und, gegebenenfalls, beim Belüften eine Nachreaktion der behandelten Oberfläche bewirkt oder verhindert wird.

Der Erfindung liegt somit die überraschende Erkenntnis zu grunde, daß durch konsequente elektrische Isolation aller elektrisch leitfähigen Teile, die in Kontakt mit Plasma kommen und somit bei Behandlung eines Hohlkörpers mit Kunststoffinnenfläche in den Hohlkörper hineinragen, und/oder aller elektrisch leitfähigen Teile, die sich im elektromagnetischen Feld zur Plasmaerzeugung befinden, ge genüber Masse sowie sorgfältige Erdung aller sich außerhalb des Plasmabereiches außerhalb des elektromagnetischen Fel des befindlichen, elektrisch leitfähigen Teilen, also der Vakuumkammer und aller außerhalb derselben angeordneten Teile im Fall der Hohlkörperbehandlung, können reproduzier bare und homogene Plasmaverhältnisse und ein vermehrter Ionenbeschuß der zu behandelnden Kunststoffoberfläche be wirkt werden, da dann das sich wegen der höheren Elektro nenbeweglichkeit aufbauende positive Potential des Plasmas gegenüber dem zu behandelnden Kunststoff und die Energie kopplung des elektromagnetischen Feldes nicht gestört wer den. Dies führt zu einer zusätzlichen Vernetzung des Kunst stoffgrundmaterials unter gleichzeitiger zusätzlicher Ver besserung der Vernetzung der aufzutragenden Polymerschicht.

Die mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielte, zu sätzliche, reproduzierbare sowie homogene Polymervernetzung wirkt sich insbesondere positiv bei einer folgenden Be schichtung oder Lackierung, bei der Einstellung der Benetz barkeit, bei der Erhöhung der Barrierewirkung, beispiels weise zum Erniedrigen der Permeation, etc. aus.

Beispielsweise kann ein Kunststoffkraftstofftank in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eine derartige Modifikation sowie Beschichtung seiner Innenfläche erhalten, daß die Permeation von Kraftstoff um über eine Größenordnung durch erhöhte Vernetzung reduziert wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbei spiele der Erfindung anhand von schematischen Zeichnungen im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Plasmabehandlungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung für einen Hohlkörper;

Fig. 2 eine Plasmabeschichtungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung für meh rere Hohlkörper; und

Fig. 3 eine Schnittansicht durch einen Oberflächen bereich eines plasmabeschichteten Polymer substrates, erstellt durch eine lichtmikros kopische Aufnahme bei polarisiertem Licht, mit einer Vergrößerung von 350 : 1.

Bei der in Fig. 1 gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungs form ist ein Kunststoffkraftstoffbehälter 1 in einer Vaku umkammer 10 angeordnet. Sowohl der Kunststoffkraftstoffbe hälter 1 als auch die Vakuumkammer 10 sind evakuierbar. Zu diesem Zweck ist eine Pumpe 11 über ein Ventil 12 und eine Saugleitung 14 mit der Vakuumkammer 10 verbunden. Zudem ist entweder eine zusätzliche Pumpe 11 über ein Regelventil 13 und eine Saugleitung 15 mit dem Kunststoffkraftstoffbehäl ter 1 oder die bereits mit der Vakuumkammer 10 verbundene Pumpe 11 über eine Umwegpumpleitung 16, das Regelventil 13 und die Saugleitung 15 mit dem Kunststoffkraftstoffbehälter 1, wie mit gestrichelter Linie in Fig. 1 angedeutet, ver bunden. Der Druck innerhalb des Kunststoffkraftstoffbehäl ters 1 ist über einen Drucksensor 17 meßbar, und über ein inneres Belüftungsventil 18 kann ein Druckausgleich zwi schen dem Kunststoffkraftstoffbehälter 1 und der Vakuumkam mer 10 bewirkt werden. Der Druck innerhalb der Vakuumkammer 10 ist über einen Druckmesser 19 meßbar.

Der optimale Arbeitsdruck zur Plasmabehandlung der Innen fläche des Kunststoffkraftstoffbehälters 1 hängt von einer Vielzahl von Prozeßparametern ab. Der Druck in der Vakuum kammer 10 ist so einzustellen, daß verhindert wird, daß der Kunststoffkraftstoffbehälter 1 aufgrund eines zu großen äußeren Drucks kollabiert und ein Plasma außerhalb des Kunststoffkraftstoffbehälters 1 gezündet wird. Somit muß der Druck in der Vakuumkammer 10 entweder größer oder klei ner als der in dem Kunststoffkraftstoffbehälter 1 sein. Dabei ist es günstiger, einen höheren Druck außerhalb des Kunststoffkraftstoffbehälters 1 aufgrund der geringeren Anforderung an die Pumpleistung einzustellen.

In den Kunststoffkraftstoffbehälter 1 ist ein Gas oder Gasgemisch aus einem Vorratsbehälter 20 über ein Regelven til 21 und einen Gasverteiler 22 zuführbar. Dabei kann vor gesehen sein, daß mehrere Gase oder Gasgemische jeweils aus einem Vorratsbehälter 20 über ein Regelventil 21 zuführbar sind, wie mit gestrichelter Linie und fetten Punkten in Fig. 1 angedeutet.

Zur Belüftung der Vakuumkammer 10 ist ein äußeres Belüf tungsventil 26 vorgesehen. Zur Vermeidung einer Kontamina tion durch Verschmutzung, wie sie in industrieller Umgebung auftreten kann, sowie zur Nachbehandlung der Innenfläche des Kunststoffkraftstoffbehälters 1 kann ferner ein Vor ratsbehälter 25 für ein Belüftungsgas vorgesehen sein, das über das Belüftungsventil 26 in die Vakuumkammer 10 gelan gen kann, wie mit gestrichelter Linie in Fig. 1 angedeutet.

Die Behandlung des Kunststoffkraftstoffbehälters 1 erfolgt mit Hilfe eines Niederdruckplasmas, welches im Inneren des Kunststoffkraftstoffbehälters 1 mittels eines elektromagne tischen Wechselfeldes gezündet wird. Zu diesem Zweck ist ein Frequenzgenerator 30 vorgesehen, der mit zwei sich ge genüberliegenden Elektroden 31 in der Vakuumkammer 10 ver bunden ist.

Ferner ist ein Steuersystem 40 zur Prozeßkontrolle vorgese hen. Das Steuersystem 40 kann ein nicht gezeigtes Massen spektrometer und nicht gezeigte Dreifachsonden umfassen. Die Dreifachsonden dienen dabei der Optimierung des Prozes ses und der Geometrie des Aufbaus, da mit ihnen die Homo genität eines Plasmas und damit die Homogenität eines Schichtwachstums orts- und zeitaufgelöst in situ beobachtet werden kann. Das Steuersystem kann ferner mit dem Drucksen sor 17, dem Druckmesser 19, den Regelventilen 13 und 21, sowie dem Frequenzgenerator 30 verbunden sein.

Die Homogenität des Plasmas kann auch durch ein möglichst homogen ausgelegtes elektrisches Feld durch Anpassung der Form der Elektroden 31 an die Form des dazwischen ange ordneten Kunststoffkraftstoffbehälters 1 gesteigert werden.

Zentrales Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dabei die völlige Isolation aller elektrisch leitfähigen Teile mit Plasmakontakt von den restlichen elektrisch leit fähigen Teilen, weshalb die Saugleitung 15, der Gasver teiler 22 und das Steuersystem 40 mit Isolatoren 5 inner halb der Vakuumkammer 10 ausgerüstet sind. Zusätzlich zu dieser Isolation müssen auch alle nicht mit Plasma in Kon takt kommenden elektrisch leitfähigen Teile definiert geer det sein, wie für die Vakuumkammer 10 in Fig. 1 explizit dargestellt. Da der Frequenzgenerator 30 sowohl symmetrisch als auch asymmetrisch ausgestaltet sein kann, muß im Falle einer asymmetrischen Ausgestaltung zusätzlich eine Masse verbindung 32 zu der Vakuumkammer 10, wie in Fig. 1 ge strichelt dargestellt, bereitgestellt werden. Zudem ist die Verbindung des Frequenzgenerators 30 zu den Elektroden 31 elektrisch isoliert durch die Vakuumkammer 10 über Iso latoren 5 geführt.

Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung unterscheidet sich nicht grundsätzlich von der in Fig. 1 dargestellten, so daß gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Anstatt eines Kunststoffkraftstoffbehälters 1, wie in Fig. 1 darge stellt, können nunmehr mehrere Kunststoffkraftstoffbehälter 1, von denen zwei in Fig. 2 explizit dargestellt sind, in der Vakuumkammer 10 angeordnet werden. Dabei ist jedem Kunststoffkraftstoffbehälter 1 ein Regelventil 13, eine Saugleitung 15, ein Drucksensor 17, ein inneres Belüf tungsventil 18, ein Regelventil 21, ein Gasverteiler 22, ein Frequenzgenerator 30, zwei Elektroden 31 und gegeben enfalls eine Masseverbindung 32 sowie ein Steuersystem 40 zugeteilt, wobei jede Funktionseinheit für jeden Kunst stoffkraftstoffbehälter 1 unabhängig betätigbar ist. Jedoch genügt eine Pumpe 11 zum Evakuieren aller Kunststoff kraftstoffbehälter 1 und ein Vorratsbehälter 20 zum Zufüh ren eines Arbeitsgases oder Arbeitsgasgemisches zu allen Kunststoffkraftstoffbehältern 1. Es können auch mehrere Pumpen 11 und Vorratsbehälter 20, insbesondere für unterschiedliche Arbeitsgase bzw. Arbeitsgasgemische, vor gesehen sein, was für die Vorratsbehälter 20 gestrichelt in Fig. 2 angedeutet ist.

Für einen Kunststoffkraftstoffbehälter 1 aus Polyethylen mit einem Volumen von ungefähr 65 l hat sich folgendes als günstig herausgestellt:
Als Arbeitsgas dient ein Gemisch aus Ethylen, ca. 40%, und Acetylen, ca. 60%, zur Bildung einer Plasmapoly merschicht, die als Barriere wirkt, wobei der gesamte Gasfluß 20 sccm beträgt. Eine Beimengung von Argon, mit bis zu 10 sccm, erhöht den Ionenbeschuß und die UV-Be strahlung des zu behandelnden Kunststoffs und führt zu einer Verbesserung der Vernetzung und somit der Barrierewirkung.

Die Leistungsdichte der elektrischen Energie wird auf etwa 0,5 × 10³ W/m³ geregelt, d. h. eine Leistung von 30 W wird eingekoppelt.

Der Druck im Kunststoffkraftstoffbehälter 1 beträgt ca. 6 Pa und innerhalb der Vakuumkammer 10 ca. 1200 bis 1500 Pa.

Die Behandlungsdauer liegt zwischen 15 und 30 Minuten.

Die Behandlung läuft nach Plasmazündung dabei wie folgt ab:
An der Oberfläche der Kunststoffmatrix der Innenfläche des Kunststoffkraftstoffbehälters 1 erfolgt zu Prozeßbeginn eine Reinigung sowie Aktivierung, die durch das sich ein stellende Ionenbombardement und die UV-Strahlung, die eben falls aus dem Plasma stammt, hervorgerufen wird. Dieses Bombardement findet dabei auch während des gesamten folgen den Prozesses statt, da sich das Plasma wegen der höheren Elektronenbeweglichkeit gegenüber der Behälterwand des Kunststoffkraftstoffbehälters 1 auf positivem Potential befindet. Der ungestörte Aufbau dieser Potentialdifferenz ist der elektrischen Isolierung aller Teile 15, 22, 40 in nerhalb der Vakuumkammer 10 über die Isolatoren 5 einer seits und dem definierten Erden der Vakuumkammer 10 sowie aller außerhalb derselben liegenden Vorrichtungsteile an dererseits zu verdanken. Zusammen mit der UV-Strahlung führt dieser gezielt erhöhte Ionenbeschuß zu einer Modifi kation der Matrix des Kunststoffs, was zu einer Verdichtung der Oberfläche durch höhere Vernetzung führt. Beim an schließenden Beschichten sorgt das Ionenbombardement eben falls für eine erhöhte Vernetzung.

Auch kann als Belüftungsgas ein reaktives Gas gewählt wer den, so daß Reaktionszentren der behandelten Oberfläche ab gesättigt werden. Wenn allerdings keine reaktiven Zentren in der behandelten Oberfläche vorhanden sind oder weitere Reaktionen vermieden werden sollen, kann ein inertes oder reaktionsträges Gas verwendet werden.

In Fig. 3 ist ein Endprodukt, nämlich ein plasmabe schichtetes Polymersubstrat 100, einer Plasmabehandlung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, nach Fig. 1 oder 2, dargestellt. Dabei besteht das plasmabeschichtete Polymer substrat 100 aus dem ursprünglichen Polymersubstrat 101, das eine Modifikationsschicht 102 mit einer Dicke von un gefähr 60 µm und eine aufgebrachte Plasmapolymerschicht 103 mit einer Dicke von ungefähr 6 µm aufweist. Die Modifi kationsschicht 102 sowie die Plasmapolymerschicht 102 sind hochvernetzt, was der Haftung dient und eine Permeation insbesondere von Kraftstoff erheblich reduziert, nämlich von 1 g/Tag auf 0,05 g/Tag.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Bezugszeichenliste

1

Kunststoffkraftstoffbehälter

5

Isolator

10

Vakuumkammer

11

Pumpe

12

Ventil

13

Regelventil

14

Saugleitung

15

Saugleitung

16

Umwegpumpleitung

17

Drucksensor

18

inneres Belüftungsventil

19

Druckmesser

20

Vorratsbehälter

21

Regelventil

22

Gasverteiler

25

Vorratsbehälter

26

äußeres Belüftungsventil

30

Frequenzgenerator

31

Elektrode

32

Masseverbindung

40

Steuersystem

100

plasmabeschichtetes Polymersubstrat

101

Polymersubstrat

102

Modifikationsschicht

103

Plasmapolymerschicht

Claims

1. Vorrichtung zum Plasmabehandeln von Kunststoff, umfassend eine Vakuumkammer, ein Pumpsystem, ein Gasversorgungssystem und ein Elektroenergieversorgungssystem, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen im wesentlichen reproduzierbarer und selektiv homogener Plasmaverhältnisse mit Ionenbeschuß des zu behandelnden Kunststoffs alle elektrisch leitfähigen Teile der Vorrichtung mit Plasmakontakt und/oder alle elektrisch leitfähigen Teile der Vorrichtung innerhalb eines mittels des Elektroenergieversorgungssystems (30, 31, 32) erzeugten elektromagnetischen Feldes gegenüber Masse elektrisch isoliert und alle elektrisch leitfähigen Teile der Vorrichtung ohne Plasmakontakt außerhalb besagten elektromagnetischen Feldes definiert geerdet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Hohlkörper (1) in der Vakuumkammer (10) angeordnet ist, dessen Innenfläche zumindest zum Teil aus Kunststoff besteht, und ein Plasma im wesentlichen nur innerhalb des Hohlkörpers (1) zündbar ist, um den Kunststoff der Innenfläche des Hohlkörpers (1) zu behandeln.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Steuersystem (40) zur Steuerung von Prozeßparametern, insbesondere zur Auswahl eines Arbeitsgases oder Arbeitsgasgemisches, der Fließrate des Arbeitsgases bzw. Arbeitsgasgemisches, des Drucks in dem Hohlkörper (1), des Drucks in der Vakuumkammer (10), der Frequenz sowie der Amplitude der Anregungsenergie des Plasmas, der Behandlungszeit und/oder der Anlagengeometrie, zwecks Modifikation und/oder Beschichtung des zu behandelnden Kunststoffs.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersystem (40) eine Meßeinrichtung, umfassend zumindest eines der folgenden Systeme, nämlich ein Massenspektrometer, ein Spektrometer für optische Emission (OES), eine Einfachsonde, eine Zweifachsonde und/oder eine Dreifachsonde, aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersystem (40) mit einem Druckmesser (19) zum Bestimmen des Drucks in der Vakuumkammer (10) und/oder mit einem Drucksensor (17) zum Bestimmen des Drucks in dem Hohlkörper (1) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersystem (40) mit dem Elektroenergieversorgungssystem (30, 31, 32) verbunden ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersystem (40) eine Recheneinheit umfaßt.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpsystem (11, 12, 13, 14, 15, 16) eine erste Pumpe (11) zum Auspumpen der Vakuumkammer (10) über eine Saugleitung (14) mit einem zwischengeschalteten Ventil (12), vorzugsweise in Form eines Regelventils, umfaßt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
das Pumpsystem (11, 12, 13, 14, 15, 16) eine zweite Pumpe (11) zum Auspumpen des Hohlkörpers (1) über eine Saugleitung (15) mit einem zwischengeschalteten Ventil (13), vorzugsweise in Form eines Regelventils, umfaßt, oder
der Hohlkörper (1) über eine Umwegpumpleitung (16) und eine Saugleitung (15) mit einem Ventil (13), vorzugsweise in Form eines Regelventils, mit der ersten Pumpe (11) verbunden ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasversorgungssystem (20, 21, 22, 25, 26) zumindest einen Vorratsbehälter (20) für ein Arbeitsgas oder Arbeitsgasgemisch umfaßt, der über ein Ventil (21), vorzugsweise in Form eines Regelventils, mit einem Gasverteiler (22) verbunden ist, der sich in den Plasmabereich hineinerstreckt.

11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Belüftungssystem (18, 25, 26), das ein äußeres Belüftungsventil (26) zur Belüftung der Vakuumkammer (10) umfaßt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Belüftungsventil (26) mit einem Vorratsbehälter (25) für ein Arbeitsgas oder Arbeitsgasgemisch zur Belüftung und, gegebenenfalls, Nachbehandlung verbunden ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Belüftungssystem (18, 25, 26), das ein inneres Belüftungsventil (18) zum Herstellen eines Druckausgleichs zwischen der Vakuumkammer (10) und dem Hohlkörper (1) umfaßt.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Belüftung über zumindest eine Saugleitung (14, 15) und/oder die Umwegpumpleitung (16) durchführbar ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Belüftung eine Nachbehandlung durch ein entsprechendes Gas, wie eine aktive Nachbehandlung durch Sauerstoff, Kohlendioxid oder Wasserstoff oder eine inerte Nachbehandlung durch Stickstoff oder Argon, durchführbar ist.

16. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektroenergieversorgungssystem (30, 31, 32) einen Frequenzgenerator (30) umfaßt, der mit Elektroden (31) in der Vakuumkammer (10) verbunden ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (1) zwischen zwei, vorzugsweise zur Erzeugung eines homogenen elektrischen Felds in dem Hohlkörper (1) an dessen Form angepaßten, Elektroden (31) angeordnet ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest jeweils ein Isolator (5) mit der Saugleitung (15), dem Gasverteiler (22) und der Meßeinrichtung (40) innerhalb der Vakuumkammer (10) verbunden ist, vorzugsweise in der Saugleitung (15), dem Gasverteiler (22) und der Meßeinrichtung (40) innerhalb der Vakuumkammer (10) angeordnet ist.

19. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumkammer (10) und alle Teile außerhalb derselben definiert geerdet sind.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß
der Frequenzgenerator (30) mit jeder Elektrode (31) elektrisch isoliert von der Vakuumkammer (10) verbunden ist, und,
in dem Fall, daß der Frequenzgenerator (30) asymmetrisch ist, derselbe mit der Vakuumkammer (10) über eine Masseverbindung (32) verbunden ist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Hohlkörper (1) in der Vakuumkammer (10) anordbar sind, wobei vorzugsweise das Ventil (13) des Pumpsystems (11, 12, 13, 14, 15, 16), das Ventil (21) des Gasversorgungssystems (20, 21, 22), der Frequenzgenerator (30) des Elektroenergieversorgungs systems (30, 31, 32), der Drucksensor (17), das innere Belüftungsventil (18) des Belüftungssystems (18, 25, 26) und/oder die Meßeinrichtung des Steuersystems (40) für jeden Hohlkörper (1) unabhängig von anderen Hohlkörpern (1) betätigbar ist.

22. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Vorratsbehälter (20, 25) für Arbeitsgase oder Arbeitsgasgemische angeschlossen sind.

23. Verfahren zum Plasmabehandeln von Kunststoff in einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Niederdruckplasma mittels eines regelbaren elektromagnetischen Wechselfelds mit Radiofrequenz in einem Bereich von ungefähr 100 kHz bis ungefähr 500 kHz oder mit Hochfrequenz in einem Bereich von ungefähr 1 MHz bis ungefähr 50 MHz, vorzugsweise bei 6,78 MHz, 13,56 MHz, 27,21 MHz oder 40,68 MHz, am bevorzugtesten bei 13,56 MHz, gezündet wird.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck für die Plasmaentladung auf ungefähr 1 Pa bis ungefähr 200 Pa, vorzugsweise ungefähr 3 Pa bis ungefähr 10 Pa, geregelt wird.

25. Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in der Vakuumkammer so eingestellt wird, daß die Zündbedingungen für ein Radio- oder Hochfrequenzplasma nicht erfüllt werden und die Druckdifferenz zum Druck in jedem Hohlkörper, der zum Plasmazünden geeignet geregelt wird, nicht zu einer Beschädigung des Hohlkörpers führt.

26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in der Vakuumkammer auf unter ungefähr 1 Pa oder über ungefähr 500 Pa geregelt wird.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsdichte des Plasmas auf ungefähr 0,05 × 10³ W/m³ bis ungefähr 100 × 10³ W/m³, vorzugsweise ungefähr 0,4 × 10³ W/m³ bis ungefähr 5 × 10³ W/m³, geregelt wird.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Gasfluß auf ungefähr 0,5 sccm bis ungefähr 200 sccm, vorzugsweise ungefähr 10 sccm bis ungefähr 50 sccm, geregelt wird.

29. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlungszeit auf zwischen ungefähr 3 Minuten und ungefähr 30 Minuten eingestellt wird.

30. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß ein Arbeitsgas oder Arbeitsgasgemisch geregelt in die Vakuumkammer eingeführt wird, ausgewählt aus:

- einem ersten Gas oder Gasgemisch zur Aktivierung und/oder Vernetzung, das bei Plasmabedingungen reaktive Komponenten bildet, wie Sauerstoff, Kohlendioxid und/oder Wasserstoff;
- einem zweiten Gas oder Gasgemisch zur Erhöhung der Dichte und/oder Vernetzung über eine Verstärkung des Ionenbeschusses und von UV-Strahlung, das relativ schwer und/oder inert oder reaktionsträge ist, wie Argon und/oder Stickstoff; und/oder
- einem dritten Gas oder Gasgemisch zur Beschichtung, das bei Plasmabedingungen ketten- und/oder verzweigungsbildende Komponenten aufweist, wie Ethylen, Acetylen, Hexamethyldisiloxan (HMDSO) und/oder Hexamethyldisilazan (HMDSN).

31. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßparameter über eine im wesentlichen kontinuierliche Prozeßkontrolle mittels des Steuersystems so geregelt werden, daß zu Prozeßbeginn die Oberfläche des zu behandelnden Kunststoffs durch geregelte Einstellung eines bestimmten Ionenbeschusses und einer bestimmten UV-Strahlung gereinigt und aktiviert wird, dann eine Modifikation, insbesondere Vergrößerung der Vernetzung, der Matrix der zu behandelnden Oberfläche bis in eine Tiefe von ungefähr 100 µm erzielt wird, anschließend eine Schicht mit einer Dicke von ungefähr 50 nm bis ungefähr 5000 nm aufgebracht wird und, gegebenenfalls, beim Belüften eine Nachreaktion der behandelten Oberfläche bewirkt oder verhindert wird.