DE60129461T2

DE60129461T2 - Vorrichtung und entsprechendes verfahren zur schnellvernetzung von sol-gel-beschichtungen

Info

Publication number: DE60129461T2
Application number: DE60129461T
Authority: DE
Inventors: Satyabrata Camarillo RAYCHAUDHURI; Trevor Camarillo MERRITT; Zhibang Jim Camarillo DUAN
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2000-12-20
Filing date: 2001-12-19
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2021-12-20
Also published as: CA2432102A1; US6871418B2; ATE367565T1; EP1346182A1; JP4320174B2; JP2004523387A; US20020094385A1; EP1346182B1; DE60129461D1; WO2002061355A1; CA2432102C; AU2002246818B2

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein Dünnfilm-Sol-Gel-Beschichtungen und insbesondere das Härten von Dünnfilm-Sol-Gel-Beschichtungen, die auf Substraten mit einer niedrigen Schmelztemperatur aufgebracht sind.
Sol-Gel-Materialien finden zahlreiche Anwendungen in kommerziellen und industriellen Produkten, beispielsweise einschließlich bei der Ausformung endformnaher Objekte, der Umhüllung von optischen Fasern und der Bereitstellung von Antireflexionsbeschichtungen für Anzeigegeräte. Sol-Gel-Beschichtungen werden typischerweise durch Zusammenmischen eines Alkoxids, eines Alkohols und Wasser formuliert, um eine vorpolymerisierte Lösung oder ein Sol zu erzeugen. Die vorpolymerisierte Lösung wird dann auf das Substrat durch irgendeines diverser Verfahren, einschließlich der Tauchbeschichtung, Rotationsbeschichtung, Sprühbeschichtung, Gravurbeschichtung und Meniskusbeschichtung, aufgebracht. Jede dieser Aufbringungen bewirkt, dass eine vorgeschriebene Menge der Lösung an dem Substrat haftet. Die anhaftende Lösung wird dann gehärtet, um dann eine separate, polymerisierte Schicht auf dem Substrat auszubilden. In vielen Anwendungsfällen, insbesondere im Fall der optischen Beschichtungen, können Mehrfach-Sol-Gel-Schichten, die unterschiedliche Sol-Zusammensetzungen mit unterschiedlichen optischen Indices aufweisen, auf das Substrat aufgebracht werden, um gewünschte optische Eigenschaften zu erreichen. Das U.S.-Patent mit der Nr. 5,856,018, erteilt an Chen et al., welches hierin durch Bezugnahme umfasst ist, beschreibt eine geeignete Verwendung von Sol-Gel-Beschichtungen zur Herstellung einer Antireflexionsbeschichtung.
In allen Fällen ist es notwendig, die feuchte Sol-Schicht sorgfältig zu härten, nachdem sie haftend auf das Substrat aufgebracht wurde. Durch das Härten, was gewöhnlich durch Aufbringen von Wärmeenergie in einem Ofen erreicht wird, werden zurückgebliebene organische und andere Flüssigkeitsverbindungen der Lösung aus der haftenden Schicht verdampft. Das Härteverfahren, das bei erhöhten Temperaturen für eine gewisse Zeitdauer durchgeführt wird, verdichtet die Schichten. Allgemein gesagt: je höher die Temperatur, desto besser das Härten, und je länger das Temperaturaussetzen dauert, desto besser das Härten. Ein Kompromiss existiert zwischen der Dauer, während der die Beschichtung auf erhöhter Temperatur gehalten wird, und dem Wert jener Temperatur. Höhere Temperaturen machen eine kürzere Einwirkdauer erforderlich. Die Temperatur ist bevorzugt so gewählt, dass es sich um die Maximaltemperatur handelt, die das bestimmte Substrat ohne Verformung vertragen kann. Die Temperatur sowie die Dauer des Härtens beeinträchtigen die mechanische Stabilität der erhaltenen Schicht, wie deren Kratzfestigkeit oder deren Haftung. Eine unvollständige Härtung führt zu verschlechterten mechanischen Eigenschaften.
Schwierigkeiten können auftreten, wenn das Substrat aus einem Material mit niedrigem Schmelzpunkt, wie Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC) oder anderen Kunststoffen gebildet ist. In solchen Fällen muss die Härtungstemperatur unter etwa 100 bis 150°C, abhängig von dem bestimmten Substratmaterial, gehalten werden, um das Schmelzen oder Verziehen des Substrats zu vermeiden. Um eine ausreichende Härteenergie bei diesen niedrigen Temperaturen zum Erreichen einer zufrieden stellenden Verdichtung und mechanischen Festigkeit bereitzustellen, sind typischerweise lange Härtezeiten in der Größenordnung von Dekaden an Minuten oder sogar Stunden erforderlich. Dies kann in erheblichem Umfang die Verarbeitungszeit und die Kosten des Produkts erhöhen und manchmal das Produkt in ökonomischer Sicht untragbar machen.
US 4,535,548 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trocknen von Beschichtungen, die auf wärmeempfindliche Kunststoffsubstrate von Video-Scheiben aufgebracht wurde. Die Vorrichtung beinhaltet passende Paare aus zwangsbelüfteten Heizelementen und zwangsbelüfteten Kühlelementen, zur abwechselnden Erwärmung und Kühlung der Video-Scheiben. Jedes Heizelement sorgt für einen Temperaturgradienten im Kunststoff, welcher, für sich allein genommen, das Kunststoffsubstrat der Video-Scheiben beschädigen würde. Um eine solche Beschädigung zu vermeiden, folgt bei dieser aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung nach jedem Heizschritt ein Kühlzwischenschritt. Eine zusätzliche Kühleinheit ist am Ausgangsende der Trocknungsvorrichtung angeordnet.
Es sollte daher offensichtlich sein, dass ein Bedürfnis nach einer Vorrichtung und einem Verfahren zum schnellen Härten von Sol-Gel-Beschichtungen, die auf Substraten mit niedrigem Schmelzpunkt aufgebracht sind, besteht, ohne dass es zum Verziehen oder andersartiger Beschädigung der Substrate kommt und welche dichte und mechanisch feste Beschichtungen bei einer vergleichsweise kurzen Verarbeitungszeit erzielen. Die vorliegende Erfindung erfüllt dieses Bedürfnis.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung beruht auf einer verbesserten Vorrichtung zum Schnellhärten einer Sol-Gel-Beschichtung, die an einem Substrat haftet, ohne dass es zu einem Verziehen oder einer andersartigen Beschädigung des Substrats kommt. Die Vorrichtung beinhaltet eine Heizquelle, die so ausgestaltet ist, dass sie ein vorgegebenes Heizmuster generiert, und eine Anordnung, die so ausgestaltet ist, dass einzelne Bereiche des beschichteten Substrats dem Heizmuster in ausgewähltem Abstand und für eine ausgewählte Dauer ausgesetzt werden, so dass die Heizenergie die Sol-Gel-Beschichtung ausreichend härtet oder verdichtet, aber das Substrat nicht übermäßig erhitzt, so dass eine Verformung bewirkt wird.
Die Erfindung beruht auf einem Verfahren zum Schnellhärten einer Sol-Gel-Beschichtung, die an einem Substrat haftet. Das Verfahren beinhaltet ein Vorbeiführen des beschichteten Substrats sequenziell an einer Heizquelle, worin die erhaltene Heizenergie die Sol-Gel-Beschichtung ausreichend zum Erreichen deren optimalen physikalischen oder optischen Eigenschaften härtet, aber das Substrat nicht übermäßig erhitzt, dass eine Verformung verursacht wird.
Die Heizquelle beinhaltet bevorzugt zwei Heizbetriebsarten zum Erhitzen der Sol-Gel-Beschichtung für die Verdichtung – IR-Bestrahlung und Heißgas, wodurch die Sol-Gel-Schicht von beiden Seiten, ihrer Innenseite, d.h. der Seite die an das Kunststoffsubstrat angrenzt, und ihrer Außenseite, d.h. der Seite, die zur Umgebung freiliegt, erhitzt wird.
Bei einem Detailmerkmal der Erfindung kann Feuchtigkeit in das Härteverfahren durch Injektion von Dampf oder Wasser in einer anderen Form in den erhitzen Gasstrom eingebracht werden.
Bei einem anderen Detailmerkmal der Erfindung liegt die Temperatur des erhitzen Gasstroms im Bereich von etwa 100 bis etwa 500°C, und die Strömungsgeschwindigkeit des erhitzten Gasstroms liegt im Bereich von etwa 50 bis etwa 10.000 cm³ pro Sekunde.
Bevorzugt wird das beschichtete Substrat sequenziell der Heizquelle in einer vorgegebenen Geschwindigkeit ausgesetzt, die so gewählt ist, dass ausreichend Hitze in die Sol-Gel-Schicht zur Verdichtung des Films und zum Erreichen der besten optischen und mechanischen Eigenschaften einfließt. Bei noch einem anderen Detailmerkmal der Erfindung wird das beschichtete Substrat bei einer Geschwindigkeit im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 50 Zentimeter pro Sekunde der Einwirkung ausgesetzt.
Die Erfindung erweist sich als besonders vorteilhaft für Sol-Gel-Oxid-Beschichtungen, beispielsweise SiO₂ und TiO₂, die für optische Beschichtungen und für Antireflexionsbeschichtungen verwendet werden. Die Sol-Gel-Beschichtungen an sich können hohe Temperaturen über 500°C ertragen. Bei solch hohen Temperaturen kann eine sehr schnelle Härtung (Verdichtung) bewirkt werden. Jedoch bei Beschichtungen, die auf Substraten mit einer vergleichsweise niedrigen Schmelztemperatur haften, können solch hohe Temperaturen zur einer Beschädigung des Substrats führen. Bevorzugt werden das Substrat und die Sol-Gel-Beschichtung unter Verwendung einer Kombination von Heizbetriebsarten auf eine möglichst hohe Temperatur für eine kurze Zeitdauer erhitzt, um die erforderliche Verdichtung der Sol-Gel-Filme bereitzustellen, aber ohne dass dabei das Substrat beschädigt wird. Das Verfahren kann wiederholt werden, um ein Produkt mit Mehrfachschichten aus Sol-Gel-Beschichtungen herzustellen.
Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung sollten anhand der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen anhand der begleitenden Figuren, welche beispielhaft die Prinzipien der Erfindung veranschaulichen, deutlich werden.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Es werden nun Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung lediglich beispielhaft anhand der beigefügten Figuren beschrieben, in denen:
1 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Transport des Substrats 20 vorbei an einem IR-Lampenfeld und einem Heißgasdüsenfeld gemäß dieser Efindung ist;
die 2A und 2B eine Querschnittsansicht einer Sol-Gel-Beschichtung zeigen, die an einer Seite des Kunststoffsubstrats haftet, wobei auch die nach innen und außen gerichteten Hitzeverläufe während der Verdichtung dargestellt sind;
3 eine schematische Seitenansicht einer IR-Härtevorrichtung mit zwei IR Lampen ist, die jeweils auf die nächstliegende Oberfläche des Substrats fokussiert sind, während dieses rechwinklig zwischen diesen vorbeitransportiert wird; und
die 4A und 4B schematische Darstellungen einer Heißgashärtevorrichtung mit zwei Düsenanordnungen sind, die jeweils auf die nächstliegende Oberfläche des Substrats fokussiert sind, während dieses senkrecht zwischen diesen vorbeitransportiert wird. 4A stellt die Düsenausgestaltung dar, wohingegen 4B das Erhitzen des Gases und die Zugabe von Feuchtigkeit zu dem Gas veranschaulicht.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In diesem Abschnitt wird die vorliegende Erfindung im Detail in Bezug auf die Figuren, welche oben kurz erläutert wurden, beschrieben. Im Folgenden wird auf die anschaulichen Figuren Bezug genommen, insbesondere auf 1, darin ist eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Härtevorrichtung 10 mit einer IR-Anordnung 12 und einer Heißgasanordnung 14 gezeigt, die beim Schnellhärten von Sol-Gel-Beschichtungen auf einem Substrat verwendet werden. Diese Ausführungsform ist ausgestaltet, ein Substrat 16, das mit einem Sol-Gel, der auf beiden Seiten des Substrats haftet, beschichtet ist, zu härten. Genauer, zwei gegenüberliegende IR-Lampen 18 und zwei Heißgasdüsenanordnungen 20 sind sequenziell angeordnet. Das beschichtete Substrat ist an einer Transportanordnung 22 angebracht und wird durch die zwei Hitzequellen hindurchgeführt, um ein Härten der haftenden Sol-Gel-Beschichtung auf jeder Seite zu bewirken. In anderen Ausführungsformen können die Hitzequellen über ein stationäres Substrat auf derartige Weise geführt werden, dass ein Härten bewirkt wird.
Im Folgenden wird die Bezugnahme auf 1 fortgesetzt. Sowohl die IR-Energie und der Heißgasstrom, die von der IR-Anordnung 12 beziehungsweise der Heißgasanordnung 14 emittiert werden, sind allgemein rechtwinklig auf die Oberflä che der Beschichtung gerichtet, was bedeutet, dass sie auch rechtwinklig zur Bewegungsrichtung des Substrats während des Härtens sind. Es ist wichtig, dass das Substrat mit daran haftender Sol-Gel-Beschichtung während dieser Härtephase kontinuierlich bewegt wird. In anderen Ausführungsformen kann das Härten auch in einer fortlaufenden, mitlaufenden Bearbeitung erfolgen. Vorteilhaft ist, dass der Effekt des Härtens eine Sache von Sekunden ist, was um den Faktor 100 bis 1000 schneller als die vorher bekannten Ofenhärtungen ist. Da die Ofenhärtung statisch ist, muss das gesamte Substrat der höheren Temperatur für die gesamte Härtezeit ausgesetzt sein, wodurch die Möglichkeit des Verformens erhöht wird.
Wie es in den 2A und 2B gezeigt ist, ist es von Vorteil, die Hitze auf die Sol-Gel-Beschichtung 24 von beiden Seiten, d.h. von der Innenseite 26, d.h., der Seite die das Kunststoffsubstrat 28 berührt, und von der Außenseite 30, d.h. der Seite die zur Umgebung freiliegt, zu übertragen. Im Folgenden wird auf 2A Bezug genommen, die IR-Energie 32 aus den IR-Lampen 18 wird ohne weiteres in das Kunststoffsubstrat eingekuppelt und erwärmt dieses schnell. Dieses überträgt die Hitze effektiv auf die Sol-Gel-Schichten von der Innenseite nach außen. Die Sol-Gel-Schicht erwärmt sich selbst auch, aufgrund der teilweisen Absorption einiger der IR-Energie aus den Lampen. Im Folgenden wird auf 2B Bezug genommen. Der Heißgasstrom 34, der auf die äußere Oberfläche der Sol-Gel-Beschichtung auftrifft, bringt Hitze von der Außenseite nach innen auf. Aufgrund dieser Kombination von Hitzequellen erhält die Sol-Gel-Schicht ausreichende Wärmeenergie, um schnell zu verdichten. Bei irgendeinem Moment während des Härtens ist lediglich eine schmale Breite des Kunststoffsubstrats mit der Sol-Gel-Beschichtung den Hitzequellen ausgesetzt, da sich das Substrat rechtwinklig an den Hitzequellen mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit vorbeibewegt. Daher wird unzureichende Hitze durch das Kunststoffsubstrat absorbiert, um dessen Temperatur anzuheben, was bewirkt, dass das Substrat weich wird oder verformt wird.
Faktoren, die die IR-Wärmeenergie beeinflussen, die der haftenden Sol-Gel-Beschichtung 24 auferlegt wird, beinhalten: die Leistung der Lampen, den Abstand von den Lampen zum Substrat und die Geschwindigkeit, mit welcher das Substrat die Lampe kreuzt. Diese Parameter können experimentell so gewählt werden, dass die IR-Energie die Beschichtung schnell und effektiv erhitzt und härtet, ohne dass diese in erheblichem Umfang in das Substrat eindringt.
Entsprechend beinhalten die Faktoren, die die Wärmeenergie des Heißgases beeinflussen, die der haftenden Sol-Gel-Beschichtung 24 auferlegt wird: die Temperatur des Gases, die Strömungsgeschwindigkeit des Gases, den Abstand zwischen der Düse und der beschichteten Oberfläche und die Geschwindigkeit, mit welcher das Substrat die Düse kreuzt. Falls Feuchtigkeit dem Gas zugesetzt wird, wird die Menge des Wassers auch die Wärmeenergie beeinträchtigen. Diese Parameter können experimentell so ausgewählt werden, dass die Energie im Gas die Beschichtung schnell und effektiv erhitzt und härtet, ohne dass diese in erheblichem Umfang in das Substrat eindringt. Somit, selbst für den Fall, dass das beschichtete Substrat aus einem Kunststoffmaterial mit einer vergleichsweise niedrigen Schmelztemperatur gebildet ist, verzieht sich oder schmilzt das Substrat nicht während des Härteprozesses.
3 stellt die IR-Anordnung dar, die zwei kommerziell erhältliche IR-Lampen 18, Modell-Nr. 5193-10, hergestellt von Research Inc., aus Eden Prairie, Minnesota, nutzt, in welche jeweils ein fokussierender Standard-Parabolreflektor 36 eingearbeitet ist. Optimal ist jede IR-Lampe 10 so angeordnet, dass die mit Sol-Gel beschichtete Oberfläche auf der an das Substrat angrenzenden Seite auf dem Fokuspunkt des Parabolreflektors angeordnet ist. Jede Lampe weist eine Brennweite von 5,08 cm (2 Zoll) auf, und der Abstand zwischen den zwei Lampen beträgt typischerweise 10,16 cm (4 Zoll) plus der Dicke des Substrats. Die Lampen weisen einen Ausgangsleistungsbereich von 0 bis 80 Watt pro Zentimeter auf. Die Lampen sind fest an Ort und Stelle angebracht, und die Transportanordnung 22, an der das Substrat angebracht ist, führt das beschichtete Substrat rechtwinklig zwischen ihnen hindurch, wie es in 1 gezeigt ist. Die Transportanordnung kann einen Lineargeschwindigkeitsbereich von 0,5 bis 50 cm/s aufweisen.
Die optimale Härteenergie wird durch die Kombination aus IR-Lampen-Leistung und Substratgeschwindigkeit bestimmt. Falls die Lampenleistung zu hoch ist oder falls die Transportgeschwindigkeit zu niedrig ist, wird in erheblichem Umfang Wärmeenergie in das Substrat eindringen und ein Verziehen oder Schmelzen verursachen. Umgekehrt, wenn die Lampenleistung zu niedrig ist oder die Transportgeschwindigkeit zu hoch ist, kommt es zu einer unzureichenden Härtung und die Beschichtung wird schlechte mechanische Eigenschaften aufweisen. Um das schnellste Härten zu erreichen, wird typischerweise die Lampe mit der höchsten Leistung in Verbindung mit einer Transportgeschwindigkeit, die empirisch ermittelt wird, verwendet, um eine vollständige Härtung aber ohne Erweichen des Kunststoffsubstrats bereitzustellen.
4A stellt zwei, gegenüberliegend angeordnete Heißgasdüsenanordnungen 20 wieder zum Härten von Sol-Gel-Beschichtungen, die auf beiden Seiten des Substrats haften, dar. Irgendeines aus einer Anzahl an Gasen kann verwendet werden, einschließlich zum Beispiel Luft, Stickstoff (N₂), Argon (Ar), Helium (He) oder einer Kombination solcher Gase. Das tatsächlich gewählte Gas bzw. die tatsächlich gewählten Gase hängen von solchen Faktoren wie der Wirtschaftlichkeit des Gases, der spezifischen Wärme des Gases und der Natur der zu härtenden Sol-Gel-Beschichtung ab. Gas kann aus einem Druckzylinder zugeführt werden, oder es kann unter Verwendung einer Gebläseanordnung zirkuliert werden. Es ist wichtig, dass das Gas frei von Partikeln ist, so dass keine Fremdobjekte oder Fehlstellen in die Sol-Gel-Beschichtungen eingebracht werden. Hochreines Gas kann gekauft werden, oder es kann durch Filtern vor der Verwendung hergestellt werden.
Das Gas kann durch diverse alternative Mittel erhitzt werden. Bei einer besonders einfachen Herangehensweise zum Erhitzen und Regeln der Gastemperatur erfolgt dies mittels eines Heißdrahtfadens 38, der in 4B dargestellt ist. Elektrischer Strom wird geregelt dem Faden zugeführt, um die Gastemperatur auf einem gewählten Wert, wie durch ein Thermoelement 40 bestimmt, zu halten. Die Gastemperaturen können auf einen beliebig gewählten Wert im Bereich von 100 bis über 500°C geregelt werden. Ein besonders nützlicher Temperaturbereich ist 300 bis 400°C. Falls es erwünscht wird, dass Feuchtigkeit während des Härteprozesses zugeführt wird, kann Dampf oder eine andere Form von Feuchtigkeit über einen Feuchtigkeitsinjektionskanal 42 in den Gasstrom injiziert werden.
Die Düsen für das Heißgas sollten für eine gleichförmige, lineare Verteilung des Gases über die Sol-Gel-Beschichtung sorgen. 4A zeigt eine dafür geeignete Ausgestaltung, die Reihen aus gleichförmig beabstandeten Löchern 44 beinhaltet, die in eine Kupferrohrleitung 46 gebohrt sind, die an ihrem distalen Ende 48 abgedichtet ist. Die Fachleute werden leicht erkennen, dass zahlreiche, alternative Düsenausgestaltungen den gewünschten, gleichförmigen Gasstrom bereitstellen könnten. Die Gasströmungsgeschwindigkeit kann von weniger als 50 cm³/s bis mehr als 10.000 cm³/s variiert werden. Ein zufrieden stellender Strömungsgeschwindigkeitsbereich für die dargestellte Ausgestaltung liegt im Bereich von 250 bis 2500 cm³/s. Der Gasstrom wird bevorzugt im Laminarströmungsmodus für eine optimale Gleichförmigkeit bei der Zuführung von Wärmeenergie gehalten, um die Sol-Gel-Beschichtung zu härten. Parameter zum Erreichen einer Laminarströmung werden durch die Geometrie der Düsen den Abstand des Düsenfeldes vom Substrat, und die Gasströmungsgeschwindigkeit bestimmt.
Die Erfindung stellt einen effizienten Weg zum schnellen Härten der Sol-Gel-Beschichtung nach deren Aufbringung auf das Substrat bereit, was die Herstellung des Produkts in ökonomischer Hinsicht durchführbar macht. Es sollte erkannt werden, dass die Filmanforderungen von Anwendung zu Anwendung variieren. Folglich kann es nicht notwendig sein, beide Härteverfahren zu verwenden. In solchen Fällen können die Verfahren des Erhitzens dieser Erfindung einzeln, entweder nur die IR-Lampen oder nur die Heißluft, in Abhängigkeit der erwünschten Resultate verwendet werden. Es kann auch ratsam sein; eine Feuchtigkeit geregelte Umgebung während des Härtens zu verwenden.
Auch sollte den Fachleuten klar sein, dass, wenn lediglich eine Seite des Substrats mit Sol-Gel, wie durch Anwendung eines Rotationsbeschichtungs-verfahrens, beschichtet ist, die Hitzequellen lediglich aus einer Hitzelampe und einem Gasdüsenfeld, die auf der beschichteten Seite des Substrats angeordnet sind, bestehen müssen. In diesem Fall werden die Härteparameter für die IR-Lampe und die Heißgasdüse wieder so gewählt werden, dass die Wärmeenergie ein rapides Härten bewirkt, um die Sol-Gel-Schicht zu verdichten, ohne dass es zur Beschädigung des Substratmaterials kommt.
Diese Erfindung kann in der Praxis besser anhand des nachfolgenden, anschaulichen Beispiels verstanden werden:
BEISPIEL
Eine SiO₂-Sol-Gel-Lösung wird aus einem Alkoxid, einem Alkohol und Wasser gemäß den im U.S.-Patent mit der Nr. 5, 856,018 angegebenen Formulierungen hergestellt. Ein PMMA-Substrat mit einer Erweichungstemperatur von 100° wird in der Sol-Gel-Lösung tauchbeschichtet und dann an einem Transportarm, wie dem der in 1 dargestellt ist, zum Transport vorbei an einem Paar von IR-Lampen und einem Heißgasdüsenfeld befestigt. Die Lampen werden so mit Energie versorgt, dass deren Leistung 50 Watt pro Zentimeter beträgt. Die Düsen sind symmetrisch etwa 0,5 bis 2,0 Zentimeter von den Substratoberflächen angeordnet. Ein Heizdrahtfaden erhitzt das Gas, in diesem Fall gereinigte Luft, auf eine Temperatur in Bereich von 300 bis 350°C, und das erhitzte Gas wird dann den Substratoberflächen mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 500 to 1000 cm³/s zugeführt.
Das Substrat wird an den Wärmequellen mit etwa 1,2 cm/s vorbeitransportiert. Es wird gemessen, dass das Substrat vorübergehend eine Temperatur im Bereich von 110 bis 150°C erreicht, aber es verzieht oder verformt sich nicht. Die Gesamtzeit, die erforderlich ist, ein 40 cm langes, beschichtetes Substrat zu härten, beträgt etwa 35 Sekunden. Die Sol-Gel-Beschichtung wird im selben Umfang gehärtet, wie es zuvor bei einer 12-stündigen Ofenhärtung bei 84°C erreicht wurde. Die IR-gehärtete Sol-Gel-Beschichtung wird hinsichtlich ihrer mechanischen Stabilität untersucht, und es wird festgestellt, dass sie sowohl einen 5H Bleistift-Kratztest als auch einen 10.000 Zyklen-Trockenabriebtest besteht. Wieder entsprechen diese Werte den Ergebnissen, die zuvor während der 12-stündigen Ofenhärtung bei 84°C erhalten wurden.
Obwohl die Erfindung lediglich in Bezug auf ein bevorzugtes Verfahren beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass diverse Modifikationen an den bevorzugten Parameterkombinationen vorgenommen werden können, ohne dass dabei von der Erfindung abgewichen wird. Folglich ist die Erfindung lediglich durch die folgenden Ansprüche definiert.

Claims

Vorrichtung (10) zur Schnellhärtung von Sol-Gel-Beschichtungen, die an einem Substrat (16) haften, wobei die Vorrichtung (10) umfasst: eine tragende Struktur zum Tragen eines gegebenen Substrats (16); eine Heizquelle (12, 14), die an der tragenden Struktur angebracht ist; und eine Transferieranordnung (22), die ausgestaltet ist, das beschichtete Substrat der Hitze der Hitzequelle (12, 14) in einem gewählten Abstand davon für eine gewählte Dauer auszusetzen, wobei die Hitzequelle (12, 14) so ausgestaltet ist, dass sie ein vorgegebenes Heizmuster zum Härten lediglich eines Bereichs des gegebenen Substrats (16) zu irgendeinem Moment generiert, und die Transferieranordnung (22) so ausgestaltet ist, dass sequenziell verschiedene Bereiche der Substratbeschichtung dem Heizmuster ausgesetzt sind, um die Beschichtung zu härten, wodurch, während irgendein Bereich des Substrats (16) dem Heizmuster ausgesetzt wird, unzureichende Hitze durch das Kunststoffsubstrat (16) absorbiert wird, dass eine Substraterweichung oder Deformation bewirkt wird.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, worin die Heizquelle (12, 14) eine IR-Quelle (18) ist, die ausgestaltet ist, eine IR-Strahlung in einem vorgegebenen Muster zu emittieren.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 2, worin die IR-Quelle (18) die IR-Strahlung mit einer Leistungsstärke im Bereich von etwa 40 bis etwa 80 Watt pro Zentimeter emittiert.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, worin die Heizquelle (12, 14) eine Gasdüse (20) ist, die mit einer Quelle erhitzten Gases verbunden ist und ausgestaltet ist, einen Strom erhitzten Gases in einem vorgegebenen Muster auszustoßen.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 4, worin ferner das Gas aus der Gruppe, bestehend aus Luft, Stickstoff, Argon, Helium und Kombinationen davon ausgewählt ist.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 4, worin die Quelle erhitzten Gases (12, 14) so gestaltet ist, dass die Injektion von Dampf oder anderen Formen von Wasser in den Strom erhitzten Gases gestattet ist
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 4, worin die Temperatur des Stromes erhitzten Gases im Bereich von etwa 100 bis etwa 500°C liegt, und die Strömungsgeschwindigkeit des Stromes erhitzten Gases im Bereich von etwa 50 bis etwa 10.000 cm³ pro Sekunde liegt.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, worin die Heizquelle (12, 14) eine IR-Quelle (18), die an der tragenden Struktur angebracht ist und ausgestaltet ist eine IR-Strahlung in einem vorgegebenen Muster zu emittieren, und eine Gasdüse (20) beinhaltet, die an der tragenden Struktur in beabstandetem Verhältnis zur IR-Quelle (18) angebracht ist, verbindbar mit einer Quelle erhitzten Gases und ausgestaltet, einen Strom erhitzten Gases in einem vorgegebenen Muster auszustoßen.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 8 oder Anspruch 1, worin die Transferieranordnung (22) so ausgestaltet ist, dass das beschichtete Substrat (16) an der IR-Quelle und der Gasdüse (20) vorbei transportiert wird und das Substrat (16) mit einer Geschwindigkeit im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 50 Zentimeter pro Sekunde transportiert wird.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 8, worin die IR-Quelle (18) die IR-Strahlung mit einer Leistungsstärke im Bereich von etwa 40 bis etwa 80 Watt pro Zentimeter emittiert.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 8, worin die IR-Quelle (18) zwei IR-Lampen sind, die in gegenüberliegender Relation zueinander angeordnet sind, dass das beschichtete Substrat (16) dazwischen in einem gewählten Abstand zu beiden passieren kann.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 8, ferner beinhaltend eine zwei Gasdüse (20), die in gegenüberliegender Relation zur ersten Gasdüse (20) angeordnet ist, so dass das beschichtete Substrat (16) dazwischen in einem gewählten Abstand zu beiden passieren kann.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 8, worin das Substrat (16) ein Kunststoffmaterial mit einem niedrigen Schmelzpunkt ist , worin das Kunststoffmaterial aus der Gruppe, bestehend aus Polymethylmethacrylat, Polycarbonat, Polyester und CR-39, ausgewählt ist.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 8, ferner beinhaltend eine Quelle erhitzten Gases, die mit der Gasdüse (20) verbunden ist.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 14, worin das Gas aus der Gruppe, bestehend aus Luft, Stickstoff, Argon, Helium und Kombinationen davon ausgewählt ist.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 14, worin die Quelle erhitzten Gases so gestaltet ist, dass die Injektion von Dampf oder anderen Formen von Wasser in den Strom erhitzten Gases gestattet ist
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 14, worin die Temperatur des Stromes erhitzten Gases im Bereich von etwa 100 bis etwa 500°C liegt, und die Strömungsgeschwindigkeit des Stromes erhitzten Gases im Bereich von etwa 50 bis etwa 10.000 cm³ pro Sekunde liegt.
Verfahren zum Schnellhärten einer Sol-Gel-Beschichtung, die an einem Substrat (16) haftet, umfassend sequenzielles Aussetzen verschiedener Bereiche des beschichteten Substrats (16) einer Hitze einer Hitzequelle (12, 14) in einem gewählten Abstand davon für eine gewählte Dauer; um die Beschichtung zu härten, wobei die Energie der Hitze, die jedem Bereich zugeführt wird, den Bereich ausreichend für dessen optimalen physikalischen und optischen Eigenschaften härtet oder verdichtet, aber diese unzureichend ist, die Temperatur des Substrats (16) zu erhöhen, dass ein Erweichen oder Verformen des Substrats bewirkt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 18, worin die Heizquelle (12, 14) eine IR-Quelle (18) ist, die ausgestaltet ist, eine IR-Strahlung in einem vorgegebenen Muster zu emittieren.
Verfahren gemäß Anspruch 18, worin die IR-Quelle (18) die IR-Strahlung mit einer Leistungsstärke im Bereich von etwa 40 bis etwa 80 Watt pro Zentimeter emittiert.
Verfahren gemäß Anspruch 18, worin die Heizquelle (12, 14) eine Gasdüse (20) ist, verbindbar mit einer Quelle erhitzten Gases und ausgestaltet, einen Strom erhitzten Gases in einem vorgegebenen Muster auszustoßen.
Verfahren gemäß Anspruch 21, worin das Gas aus der Gruppe, bestehend aus Luft, Stickstoff, Argon, Helium und Kombinationen davon ausgewählt ist:
Verfahren gemäß Anspruch 21, worin die Quelle erhitzten Gases so gestaltet ist, dass die Injektion von Dampf oder anderen Formen von Wasser in den Strom erhitzten Gases gestattet ist
Verfahren gemäß Anspruch 21, worin die Temperatur des Stromes erhitzten Gases im Bereich von etwa 100 bis etwa 500°C liegt, und die Strömungsgeschwindigkeit des Stromes erhitzten Gases im Bereich von etwa 50 bis etwa 10.000 cm³ pro Sekunde liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 18, worin die Heizquelle (12, 14) eine IR-Quelle (18) und einen Strom erhitzten Gases beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 25, worin das Verfahren wiederholt wird, um ein Produkt herzustellen, dass Mehrfachschichten aus Sol-Gel-Beschichtungen aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 25, worin das Substrat (16) ein Kunststoffmaterial mit einem niedrigen Schmelzpunkt ist, worin das Kunststoffmaterial aus der Gruppe, bestehend aus Polymethylmethacrylat, Polycarbonat, Polyester und CR-39, ausgewählt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 25, worin das erhitzte Gas aus der Gruppe, bestehend aus Luft, Stickstoff, Argon, Helium und Kombinationen davon ausgewählt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 25, und ferner umfassend das Einbringen von Feuchtigkeit in das Härteverfahren durch Injektion von Dampf oder anderen Formen von Wasser in den Strom erhitzten Gases.
Verfahren gemäß Anspruch 25, worin die Temperatur des Stromes erhitzten Gases im Bereich von etwa 100 bis etwa 500°C liegt, und die Strömungsgeschwindigkeit des Stromes erhitzten Gases im Bereich von etwa 50 bis etwa 10.000 cm³ pro Sekunde liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 25, worin das Substrat (16) sequenziell der IR-Quelle (18) und dem Strom erhitzten Gases bei einer Geschwindigkeit im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 50 Zentimeter pro Sekunde ausgesetzt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 25, worin die IR-Quelle (18) die IR-Strahlung mit einer Leistungsstärke im Bereich von etwa 40 bis etwa 80 Watt pro Zentimeter emittiert.
Verfahren gemäß Anspruch 25, worin die Sol-Gel-Beschichtung eine optische Beschichtung und/oder eine Abriebbeschichtung bildet.
Verfahren gemäß Anspruch 33, worin die optische Beschichtung ein optischer Mehrfachschichtstapel ist, welches eine Antireflexionsbeschichtung erzeugt.