DE68903924T2

DE68903924T2 - Verfahren um ein kunststoffglas reibungsfest zu machen und kunststoffglas das reibungsfest gemacht ist.

Info

Publication number: DE68903924T2
Application number: DE8989402680T
Authority: DE
Inventors: Pierre Perrin
Original assignee: Valeo Vision SAS
Current assignee: Valeo Vision SAS
Priority date: 1988-10-07
Filing date: 1989-09-29
Publication date: 1993-04-22
Anticipated expiration: 2009-09-30
Also published as: RU2060896C1; FR2637607B1; EP0365386B1; EP0365386A1; BR8905086A; JPH02162301A; ES2036824T3; DE68903924D1; FR2637607A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, um ein Kunststoffglas reibungsfest zu machen, sowie nach einem solchen Verfahren hergestelltes Glas.
Bekannt ist, insbesondere im Automobilbereich, daß Interesse an der Herstellung von transparenten Scheiben aus Kunststoff anstelle von Glas zur Erzielung von Gewichtseinsparungen und, soweit es sich um Scheinwerferscheiben handelt, zur präzisen Herstellung komplizierter Formen wie Krümmungen, Rillen. Die verwendeten Kunststoffe, u.a. Polycarbonat, Polymetacrylat, weisen jedoch eine weit geringere Abriebfestigkeit auf als Glas.
Um die Scheiben also auf Dauer benutzbar zu machen, ist man gezwungen, deren Außenfläche mit einem Schutzüberzug zu versehen.
Das Patent FR-A-2.332.313 beschreibt reibungsfeste Überzüge für Kunststoffflächen, die durch Plasmapolymerisation van Organosilanverbindungen hergestellt werden.
Die US-A-4.137.365 sieht dann die Sauerstoffbehandlung, ebenfalls mit Plasma, solcher Überzüge in der Weise vor, daß diese an der Oberfläche eine Zusammensetzung und Härte erhalten, die sich den Werten für Silicium annähern.
Daraus resultiert jedoch eine Diskontinuität in der Zusammensetzung und vor allem in den physikalischen Eigenschaften in der Dicke der mit Überzug versehenen Kunststoffscheibe. Insbesondere ist der große Unterschied zwischen dem Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Härterschicht des Überzugs und dem die Scheibe bildenden thermoplastischen Material die Quelle von Rissen in Höhe der Schnittstelle bei Temperaturschwankungen, wie sie bei Scheinwerferscheiben auftreten können, die üblicherweise einer erheblichen Erwärmung ausgesetzt sind.
Die EP-A-0.177.517 schlägt zur Beseitigung dieser Schwierigkeit ein Verfahren vor, welches die Herstellung eines Scheibenschutzüberzugs ermöglicht, dessen Härte von innen nach außen zunimmt.
Das Verfahren gemäß diesem Patent ist jedoch nicht nur schwierig zu realisieren und erfordert nicht nur besondere Sorgfalt bei der Dosierung der Härtezunahme des Schutzüberzugs, sondern setzt auch voraus, damit dieser allmähliche Übergang das gewünschte Ergebnis zeitigt, daß die Dicke des Schutzüberzugs groß bemessen wird, wodurch das Verfahren wenig wirtschaftlich ist.
Die US-A-4.743.493 schlägt die Einlagerung von Ionen in eine Oberflächenschicht einer Kunststoffscheibe mit Hilfe eines Ionenbeschusses vor, der mit chemisch aktiven Sorten wie Ionen von Aluminium, Magnesium, Silicium, Titan, Yttrium, Fluor oder Chlor in der Weise durchgeführt wird, daß chemische Reaktionen mit dem Scheibenkunststoff bewirkt werden, die zur Bildung von Oxiden wie z.B. Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Titanoxid, Yttriumoxid, Siliciumoxid oder zu Fluorkohlenstoff- oder Chlorkohlenstoffverbindungen führen, die Eigenschaften aufweisen, welche die Beständigkeit der Scheibe gegenüber mechanischen oder chemischen Angriffen verbessern.
Ein derartiges Verfahren, welches an Ort und Stelle zur Erzeugung der Härtersubstanz durch chemische Reaktion führt, bewirkt jedoch einen örtlichen Abbau des Kunststoffs, der durch Erwärmungserscheinungen infolge der chemischen Reaktionen noch verstärkt wird. Dadurch kann es zu Ungleichmäßigkeiten in der Transparenz der Scheibe und zu Diskontinuitäten im Material kommen, die Rißbildungserscheinungen, wie sie bei anderen bekannten Verfahren genannt werden, bewirken können.
Das gleiche gilt für das in der GB-A-2.105.729 beschriebene Verfahren, welches in der Behandlung der Oberfläche eines Substrats mittels eines Plasmas geringer Energie besteht, das mit Hilfe eines HF-Generators hergestellt wird, und welches den Nachteil aufweist, daß es in dem behandelten Kunststoff zu chemischen Vernetzungsreaktionen führt.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, um Kunststoffscheiben reibungsfest zu machen, welches von den Nachteilen der bekannten Verfahren frei ist.
Das Verfahren gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß dabei auf der Scheibe eine Härtersubstanz aufgebracht wird, die gegenüber dem Kunststoff der Scheibe chemisch inert ist, und daß diese durch Ionenbeschuß zum Eindringen in das Innere der Scheibe veranlaßt wird, wobei der Ionenbeschuß mittels einer Ionenkanone mit Ionen aus einer Verbindung vonstatten geht, die gegenüber dem Kunststoff der Scheibe und der Härtersubstanz chemisch inert ist.
Auf diese Weise reagieren die Beschußionen chemisch nicht mit der Härtersubstanz und mit dem Scheibenmaterial. Vorteilhafterweise wird der Ionenbeschuß mit Argonionen durchgeführt.
Die Erfindung besteht somit im wesentlichen in der Nutzung der kinetischen Energie der Beschußionen, um das Eindringen der Härtersubstanz in das Scheibeninnere zu bewirken.
Dieses Eindringen wird vorteilhafterweise dadurch kontrolliert, daß man auf die Parameter des Ionenbeschusses wie Intensität, Geschwindigkeit einwirkt, was einen wesentlichen Vorteil darstellt, den man bei dem Verfahren gemäß der US-A-4.743.493 deswegen nicht hat, weil es schwierig ist, die chemischen Reaktionen im Innern der Scheibe zu kontrollieren.
Die Verwendung von Argonionen oder allgemeiner von Ionen, die aus einem Inertgas unter Betriebsbedingungen gebildet werden, bietet den Vorteil, daß, wenn letztere ihre elektronische Ladung wiedergewinnen, sie wieder Argonatome im Zustand von Gasen bilden, die in Anbetracht der niedrigen Drücke, welche in der Ionenbeschußumgebung vorherrschen, nach außen abgeleitet werden und somit nicht innerhalb der Scheibe verbleiben.
Die Härtersubstanz wird auf der Scheibe durch Zerstäubung oder Reaktion unter Vakuum abgelagert.
Nach einer Ausführungsvariante bewirkt man das Eindringen der Härtersubstanz in die Scheibe durch Verdampfung der genannten Substanz, gleichzeitig unterstützt durch den Ionenbeschuß.
Damit das Verfahren bessere Resultate zeitigt, wird der die Scheibe bildende Kunststoff vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt, zu der Polymethylmetacrylat oder dessen Derivate gehören, und die Härtersubstanz wird aus der Gruppe ausgewählt, zu der Silicium, Aluminiumoxid oder Zirkonoxid sowie die Mischungen und Legierungen dieser Bestandteile gehören.
Mittels des Verfahrens gemäß der Erfindung erzielt man eine legierungsartige Verwachsung der Härtersubstanz im Kunststoff der Scheibe. Der Anteil der Härtersubstanz nimmt von außen nach innen ab und bewirkt damit eine allmähliche Entwicklung der physikalischen Eigenschaften, insbesondere des Ausdehnungskoeffizienten, was der Scheibe bei Temperaturschwankungen jeder Art eine gute Festigkeit verleiht.
Die nachstehende Beschreibung, die sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht, macht besser verständlich, wie die Erfindung realisiert werden kann, und diese Zeichnungen stellen folgendes dar:
- Figur 1 ist ein vereinfachter Längsschnitt eines Kraftfahrzeug-Scheinwerfers.
- Figur 2 ist eine Vorderansicht der Scheinwerferscheibe aus Figur 1, die insbesondere verschiedene mit Rillen versehene Zonen zeigt.
- Figur 3 ist eine schematische Darstellung der Härtungsanlage für die Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung.
- Die Figuren 4, 5 und 6 zeigen schematisch einen Teil der Scheibe, der den aufeinanderfolgenden Phasen eines Härtungszyklus nach dem Verfahren gemäß der Erfindung ausgesetzt wird.
- Figur 7 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante der Härtungsanlage.
- Figur 8 zeigt schematisch einen Teil der Scheibe, der einem durch die Anlage aus Figur 7 bewirkten Härtungszyklus ausgesetzt ist, nach einer Ausführungsvariante des Verfahrens gemäß der Erfindung.
Ein Scheinwerfer, wie er in Figur 1 dargestellt ist, enthält einen Reflektor 1 mit einer Lampe 2, eine vordere Scheibe 3 und dazwischen ein Zwischenstück 4.
Die Scheibe 3, wie sie in Figur 2 dargestellt ist, enthält auf der vorderen Innenseite verschiedene Zonen 3, die mit Rillen 3a, 3b versehen sind, welche prismenförmige und nicht-prismenförmige Profile aufweisen und die von der Lampe 2 ausgehenden Lichtstrahlen bündeln oder zerstreuen, je nachdem, ob man Lichtkonzentrationen in einem bestimmten Teil des Blickfeldes und verringerte Konzentrationen in anderen Teilen wünscht.
Man wird verstehen, daß sich die Herstellung einer solchen Glasscheibe sowohl in bezug auf die Form als auch die Genauigkeit der Rillen als sehr schwierig erweist.
Diese Schwierigkeiten werden nunmehr dank der Herstellung dieser Scheiben aus Kunststoff überwunden, die einer Härtungsbehandlung gleich derjenigen des Verfahrens gemäß der Erfindung, welches nachstehend beschrieben wird, ausgesetzt werden.
Der Kunststoff der Scheiben wird vorteilhafterweise aus der Gruppe ausgewählt, zu der Polycarbonat, Polymethylmetacrylat und deren Derivate gehören.
Eine erste Anordnung für die Anwendung des Verfahrens ist auf vereinfachte Weise in Figur 3 dargestellt. Sie enthält im wesentlichen ein Gehäuse 10, welches mit einer (nicht dargestellten) Vakuumpumpe verbunden ist, eine Stütze für die zu behandelnden Scheiben 11, Argonionenkanonen bekannter Bauart 12 und 13, die im Gehäuse angeordnet und an die Innenwand desselben angebaut sind, sowie ein zylindrisches Magnetron 14 für die Zerstäubung der Härtersubstanz auf den genannten Scheiben 3.
Die Stütze 11 besteht auf bekannte Weise aus mehreren Elementen 15, 16, die satellitenförmig angebracht und woran die Scheiben 3 angeordnet sind, wobei die zu behandelnden Oberflächen nach außen gerichtet sind. Die Elemente 15, 16 drehen sich um sich selbst und um eine Achse mit gleichem Abstand zu den genannten Elementen, symbolisiert durch den Pfeil 17.
Die verschiedenen Drücke, die während der Anwendung des Verfahrens in dem Gehäuse vorherrschen müssen, werden durch eine Druckvorrichtung 22 kontrolliert.
Das Gehäuse 10 kann das Argon und im Bedarfsfalle Sauerstoff durch einen Stutzen 18 aufnehmen.
Das Härten der Scheiben umfaßt nachstehende aufeinanderfolgende Phasen:
- Abfall des atmosphärischen Drucks im Gehäuse von 10 auf 10&supmin;&sup4; - 10&supmin;&sup5; mbar;
- Wiederansteigen des Drucks unter Argon auf 10&supmin;² - 5.10&supmin;² mbar bei einem Sauerstoffteildruck von 4 bis 6.10&supmin;³ mbar und Zerstäubung der Härtersubstanz im zylindrischen Magnetron 14, zum Beispiel bei HF (13,56 MHz), zur Erzielung einer Härtersubstanzschicht 19 von 500 bis 5000 Å (Figur 4);
- neuerlicher Druckabfall auf 1 bis 3.10&supmin;³ mbar und Einarbeitung der Härtersubstanzschicht durch Ionenbeschuß bei 100-150 KeV.
Als Härtersubstanz kann man sich einer Substanz bedienen, die aus der Gruppe ausgewählt wurde, zu der Silicium, Aluminiumoxid oder Zirkonoxid sowie Mischungen und Legierungen dieser Bestandteile gehören.
Es ist möglich, auf der so behandelten Scheibe eine zweite Härtersubstanzschicht 21 aufzubringen. Dazu senkt man den Druck wieder auf 10&supmin;&sup4; - 10&supmin;&sup5; mbar ab und bewirkt wieder einen Druckanstieg unter Argon auf 1 bis 3.10&supmin;² mbar bei einem Sauerstoffteildruck von 4 bis 6.10&supmin;³ mbar, woraufhin man die Härtersubstanz pulverisiert, um eine Schicht 20 mit einer Dicke von 0,5 bis 5 um zu erzielen (Figur 6).
Nach Beendigung des Zyklus wird das Gehäuse wieder unter atmosphärischen Druck gesetzt.
Man sieht die Anwendung von Mitteln zur Veränderung der Eigenschaften der Ionenkanonen vor, die es ermöglichen, das Eindringen der Härtersubstanz in den Kunststoff der Scheibe zu verändern.
Die in Figur 7 dargestellte Anlage weicht von der zuvor beschriebenen insofern ab, als die Scheinwerfer-Scheibenstütze die Form einer rotierenden Trommel 11A hat und man neben Ionenkanonen 12A, 13A über Elektronenkanonen 14 verfügt, die die Härtersubstanz aus dem Gehäuse 10 der Anlage verdampfen.
Figur 8 zeigt schematisch einen Härtungszyklus der Kunststoffscheiben, wie er durch Anwendung der Verfahrensvariante gemäß der Erfindung auf die letztgenannte Anlage erzielt wird, deren aufeinanderfolgende Phasen wie folgt lauten:
- Nach einem Druckabfall im Gehäuse vom atmosphärischen Druck auf 10&supmin;&sup4; - 10&supmin;&sup5; mbar bewirkt man den Wiederanstieg des Drucks unter Argon auf 10&supmin;² - 5.10&supmin;² mbar.
- Anschließend bewirkt man einen neuerlichen Druckabfall auf Vakuum bei 10&supmin;&sup4; - 10&supmin;&sup5; mbar.
- Gleichzeitig wird die Verdampfung der Härtersubstanz (Si 02) bewirkt, die man mit Argonionenkanonen (0,5 bis 5 KeV) beschießt.
Im Innern des Gehäuses haben die Argonionen Ar&spplus;, die schwerer und stärker beschleunigt sind, da die Massen und die Geschwindigkeitsvektoren der Argonionen Ar&spplus; und der verdampften Siliciumteilchen unterschiedlich sind, eine größere kinetische Energie als die Siliciumteilchen. Daraus resultiert der Aufprall der Ionen auf die Siliciumteilchen, die bewirken, daß die von den genannten Ionen entwickelte kinetische Energie an die Teilchen der Härtersubstanz weitergegeben wird, die dann mehr oder weniger tief in die Dicke E der Kunststoffscheibe eindringen, he nach Aufprallkraft und -weg derselben.
Wie aus den letzten Ansichten des in Figur 8 dargestellten Prozesses ersichtlich, gelangt man zur Ablagerung einer Übergangsschicht e in der Dicke E der Scheibe, worin die Siliciumteilchen mehr oder weniger voneinander entfernt sind, gefolgt von einer harten Oberflächenschicht e1, wobei e + e1 im wesentlichen gleich 0,5 bis 5 um sind.
Anstelle der Verwendung von Argonionen können Ionen jeder anderen Art verwendet werden, die chemisch nicht mit dem Scheibenmaterial reagieren.
Eine der Besonderheiten der Erfindung besteht somit in der Verwendung der Ionen nur wegen ihrer kinetischen Energie und dazu, zu bewirken, daß ein Härtermaterial in den Kunststoff der Scheibe eindringt.
Eine weitere Besonderheit besteht darin, auf der Scheibe ein Härtermaterial in seiner endgültigen Form abzulagern, d.h. ohne dieses zur Übertragung seiner mechanischen und chemischen Eigenschaften und Festigkeiten einer Behandlung unterwerfen zu müssen.

Claims

1.- Verfahren, um ein Kunststoffglas mit Hilfe einer Härtersubstanz reibungsfest zu machen, dadurch gekennzeichnet, daß dabei auf die Scheibe eine Härtersubstanz aufgetragen wird, die gegenüber dem Kunststoff der Scheibe chemisch inert ist, und daß die Substanz durch Ionenbeschuß zum Eindringen in die genannte Scheibe veranlaßt wird, wobei die Durchführung mittels einer Ionenkanone mit Ionen aus einer Verbindung erfolgt, die gegenüber dem Kunststoff der Scheibe und der Härtersubstanz chemisch inert ist.

2.- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Ionenbeschuß mit Argonionen (Ar+) stattfindet.

3.- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Härtersubstanz auf der Scheibe durch Kathodenzerstäubung oder durch Vakuumreaktion vor dem genannten Ionenbeschuß aufgetragen wird.

4.- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Härtersubstanz durch Verdampfung auf die Scheibe aufgebracht wird und daß sie gleichzeitig Gegenstand eines Ionenbeschusses ist.

5.- Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfung der Härtersubstanz mit der Elektronenkanone erfolgt.

6.- Mittels des Verfahrens nach einem der voherigen Ansprüche hergestelltes Glas, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunstoff, woraus das Glas besteht, aus der Gruppe von Polymethylmetacrylat und seinen Derivaten ausgewählt wird und kaß die Härtersubstanz aus der Gruppe, bestehend aus Silicium, Aluminiumoxid, Zirkonoxid und den Mischungen und Legierungen aus diesen Bestandteilen, ausgewählt wird.

7.- Glas nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Härtersubstanzschicht auf die erste aufgebracht wird.