CH707323A2 - Verfahren und Vorrichtung zur Beschichtung von Textilfasern mittels Plasmabehandlung. - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren zur Beschichtung von Textilfasern mittels Plasmabehandlung, wobei die zu beschichtende Textilfaser auf einer ersten Bobine aufgewickelt ist und die Textilfaser auf eine zweite Bobine umgespult wird, wird benutzt, um eine verbesserte Spaltgängigkeit und Beständigkeit der funktionalisierten Oberfläche zu erreichen. Dazu wird die Plasmabehandlung derart durchgeführt, dass das Plasma direkt auf die auf der ersten Bobine aufgewickelte Textilfaser einwirkt und die Textilfaser während der Plasmabehandlung von der ersten auf die zweite Bobine umgespult wird.

Description

Technischer Hintergrund und bekannter Stand der Technik:

[0001] Die Behandlung ganzer Bobinen (auf einen Kern aufgewickelte Fäden bzw. Textilfasern) ist in der Textilbranche seit langem bekannt für nasschemische Färbungs- und Reinigungsschritte (DE 461 456, DE 505 471). Seit den 1990er Jahren wird zudem die Möglichkeit der trockenen Reinigung basierend auf CO2-Reinigung untersucht. Auch hierbei lassen sich Fäden oder Textilien auf einen Kern wickeln und mit guter Tiefenwirkung behandeln (US 5 863 298). Während der Behandlung findet kein Umspulen statt. Für eine trockene Behandlung mittels Plasmatechnologie ist dieses Verfahren jedoch noch nicht in Betracht gezogen worden, da die Eindringung (Spaltgängigkeit) einer Plasmabehandlung begrenzt ist. Alle uns bekannten Patentschriften und Publikationen sehen es als notwendig an, dass die Oberflächen der zu beschichtenden textilen und fadenförmigen Gebilden möglichst frei zugänglich sind (EP 0 695 384 B1, EP 0 451 425 B1). Dies begründet sich dadurch, dass das Plasma ausserhalb des textilen Gebildes erzeugt wird und die Schichtbildenden Spezies an die Oberflächen transportiert werden müssen. Vor allem bei hohen Drücken (nahe Atmosphärendruck) verhindern zahlreiche Stösse ein Eindringen in offene Strukturen.

[0002] US 4 328 324 (1982) beschreibt die Plasmabehandlung von PA-Fasern, die durch eine Plasmakammer (Niederdruck) gezogen werden. Dadurch wird die Haftung in einer Matrix für Kompositmaterialien verbessert. US4606930 (1984) beschreibt eine Bobine im Niederdruck und das Aufwickeln der Fasern an Luft, die Plasmabehandlung wird hingegen durch mehrmaliges Führen des abgezogenen Fadens durch die Plasmazone herbeigeführt (über Rollen).

[0003] Fig. 1 zeigt eine Plasmabeschichtung von Textilfasern nach dem bekannten Stand der Technik.

[0004] US 6 497 954 (2002) beschreibt die Plasmabeschichtung auf Textilien mit partieller Beschichtung der Fasern für textilverstärkte Komposite. Eindringen in Spalten (Spaltgängigkeit von Plasmen) wird bereits in der Literatur beschrieben, ohne die Möglichkeit der Beschichtung einer Bobine im Plasma vorweg zu nehmen. Poll et al. (Surf. Coat. Technol. 142–144, 2001, 489) beschreiben die O2-Plasmabehandlung von bis zu vier Textillagen, wobei die benetzbare Fläche (Kapillareffekte) bereits bei der vierten Lage deutlich abnimmt.

Nachteile des Standes der Technik

[0005] Durch die Verwendung von Plasmabeschichtungen anstelle einer Plasmabehandlung (ohne Schichtbildung) wird eine verbesserte Spaltgängigkeit und Beständigkeit der funktionalisierten Oberfläche erreicht. Zur Plasmabeschichtung auf Fäden ist es derzeit nur bekannt, die Fäden über Rollen durch die Plasmazone zu ziehen. Damit ist ein hoher apparativer Aufwand verbunden und die Fäden können durch Scherwirkung an Festigkeit einbüssen. Die erfindungsgemässe Ausführung in Form der Beschichtung des Fadens direkt auf der Bobine während des Umspulens verringert die mechanische Belastung der Fäden und vereinfacht den experimentellen Aufbau. Dadurch lassen sich sowohl niedrigere Investitions- als auch Produktionskosten erwarten.

Beschreibung der Erfindung

[0006] Überraschenderweise haben wir herausgefunden, dass eine Beschichtung mittels Plasmapolymerisation bei geeigneten Bedingungen viele Lagen in übereinander liegende textile Gebilde eindringen kann. Dabei werden nicht nur offenliegende Oberflächen, sondern auch verdeckte erreicht, vermutlich aufgrund von Stössen der Schicht-bildenden Spezies mit einer mittleren freien Weglänge in der Grössenordnung der Fadenabstände und Oberflächendiffusion. Daher ist es auch möglich, übereinander liegende Fäden direkt zu beschichten. Die der Erfindung zugrunde liegende Idee sieht daher vor, textile oder fadenförmige Gebilde direkt auf der Rolle, auf der diese aufgewickelt sind, zu beschichten. Insbesondere können so Bobinen (aufgespulte Fäden) direkt im Niederdruck-Plasma beschichtet werden, während sie auf eine zweite Rolle umgewickelt werden.

[0007] Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemässe Plasmabeschichtung von Textilfasern. Fig. 3 zeigt eine weitere erfindungsgemässe Plasmabeschichtung von Textilfasern (alternative Lösung).

[0008] Wird eine Bobine direkt mit einer etwa 100 nm dicken hydrophilen Plasmapolymerschicht (Schichtdicke auf den aussen liegenden Fäden) versehen, konnten wir die Funktionalisierung der Fäden bis zu mehr als 10 Lagen tief auf der Bobine nachweisen, was in dem Beispiel ca. 4 km Fadenlänge entspricht. Die Beschichtungsdicke nimmt dabei in etwa exponentiell mit der Tiefe ab. Wird nun der Faden von der Bobine, während diese im Plasma beschichtet wird, abgezogen und auf eine zweite Bobine aufgewickelt (umgespult), wird nicht nur der frei zugängliche Faden (äusserste Lage) beschichtet, sondern auch die darunterliegenden Lagen (mit verminderter Intensität). Es ergibt sich jedoch ein steady State, der in dem angeführten Beispiel dreimal mehr Schicht aufträgt im Vergleich zur Beschichtung nur einer Lage (z.B. frei gespannte Fäden zwischen zwei Rollen oder auf einem Spannrahmen). Dadurch kann die Prozessgeschwindigkeit um den Faktor 3 gesteigert werden.

[0009] Weiterhin kann die Plasmaanlage kompakt gebaut werden und der Faden muss nicht umgelenkt werden. Bei jeder Umlenkung entstehen Scherkräfte, die die Festigkeit des Fadens beeinträchtigen, was besonders bei hochfesten Fadenmaterialien wie u.a. Carbonfasern, UHMWPE, Aramid, Vectran und PBO ein Problem darstellt. Bei der direkten Beschichtung der Bobine wird nur eine minimale Umlenkung (wenige Grad) durch zwei Rollen benötigt, da der Faden beim Abziehen über die Breite der Bobine wandert (chargiert) und zentral durch eine Öffnung aus der Plasmakammer herausgeführt wird. Das Aufwickeln kann anschliessend mit bekannten Methoden an Luft durchgeführt werden. Weiterhin kann der Faden auch über Kopf abgezogen werden oder von innen bei einer kernlosen Wicklung. In letzterer Ausführung kann das Plasma im Inneren des Wickels generiert werden. Berücksichtigt werden müssen Kreuzungspunkte, an denen die Fäden auf der Bobine in Kontakt übereinander liegen. Eine ideale Kreuzwicklung (90° zwischen den Fäden) bei der Bobinenherstellung ergibt pro Lage eine Überdeckung von 25% (Kreuzungspunkte), aber dadurch auch eine offene Fläche von 25%. In Praxis kann der Anteil der offenen Fläche durch die Art der Wicklung beeinflusst werden: typischerweise zwischen 35% (durch mehrfache Kreuzungspunkte) und nahe 0% (bei einer parallelen Wicklung). Im Wesentlichen ermöglicht die offene Fläche die Beschichtung der tieferliegenden Lagen. Die Kreuzungspunkte hingegen erhalten weniger Beschichtung. Da diese Stellen stabil sind bis der Faden abgezogen ist, ergibt sich bei diesem Verfahren eine ungleichmässige Schichtdicke entlang des Fadens. Für viele Anwendungen (z.B. hydrophil, hydrophob, Haftungsvermittlung, Reibungsminderung) ist dies unerheblich, Anwendungen z.B. im Bereich elektrische Leitfähigkeit oder Barrierewirkung werden hingegen beeinträchtigt. Experimentell hat sich gezeigt, dass die Spaltgängigkeit tatsächlich mit dem Winkel der sich kreuzenden Fäden auf der Bobine zunimmt. Neben der Plasmabeschichtung während des Abziehens des Fadens – was eine bevorzugte Ausführung ist, da dies einfach im Niederdruck möglich ist – ist aber auch die Plasmabeschichtung während dem Aufwickeln auf eine Bobine gleichermassen möglich. Somit ist auch ein zweistufiges System möglich, dass 2 Plasmabehandlungen beim Umspulen von einer Bobine auf eine zweite vorsieht, wobei jeweils erfindungsgemäss die Bobine behandelt wird, z.B. Kombination aus 2 Beschichtungen oder 1x Plasmareinigung + 1x Plasmabeschichtung. Weitere Kombinationen mit der Behandlung des Fadens auf der Bobine und mit einer weiteren Behandlung am abgezogenen Faden (gemäss dem Stand der Technik) ist ebenfalls möglich. Auch ist der Druckbereich (Niederdruck bis Atmosphärendruck) nicht prinzipiell eingeschränkt. Es gibt aber einen optimalen Druckbereich (im Niederdruck) abhängig von der textilen Struktur und der Art der Plasmabehandlung. Unabhängig davon könnte aber auch eine Atmosphärenplasmabehandlung gemäss der Erfindung von Interesse sein, wodurch die Vakuumtechnologie wegfällt. Durch unterschiedliche Arten des Auf- und Abwickelns kann weiterhin die Dichte der fadenförmigen Gebilde beeinflusst werden und damit auch die offene Fläche und die Penetration der Plasmabehandlung.

Gewerbliche Anwendbarkeit der Erfindung:

[0010] Hochfeste Fadenmaterialien wie Carbonfasern, UHMWPE, Aramid, Vectran, PBO etc. erhalten ihre Eigenschaften im Wesentlichen durch hohe Kristallinität (Ausrichtung von Polymerketten). Dadurch enthalten diese Fadenmaterialien allerdings keine funktionalen (endständigen) Gruppen an der Oberfläche und sind somit reaktionsträge. Das Anbinden von chemischen oder biologischen Gruppen an der Oberfläche bzw. das Einbinden in eine Matrix ist somit erschwert. Nasschemische Aktivierung führt in der Regel zu einer deutlichen Abnahme der Festigkeit. Die Plasmabeschichtung verringert diese Nachteile und ermöglicht funktionale Gruppen an der Oberfläche, die auch in wässriger Umgebung stabil sind. Zudem stellt die Plasmatechnologie eine trockene Technologie dar. Mögliche kommerzielle Nutzung ergibt sich daher bei faserverstärkten Kompositen und in der Medizinaltechnik.

Claims (4)

1. Verfahren zur Beschichtung von Textilfasern mittels Plasmabehandlung, wobei die zu beschichtende Textilfaser auf einer ersten Bobine aufgewickelt ist und die Textilfaser auf eine zweite Bobine umgespult wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Plasmabehandlung das Plasma direkt auf die auf der ersten Bobine aufgewickelte Textilfaser einwirkt und dass die Textilfaser während der Plasmabehandlung von der ersten auf die zweite Bobine umgespult wird.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umspulen auf die zweite Bobine mit nur einem einzigen Führungsrollenpaar ohne Mehrfachumlenkung erfolgt.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Textilfasern hochfeste Fadenmaterialien wie Carbonfasern, UHMWPE, Aramid, Vectran oder PBO sind.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1 mit einer ersten Bobine zur Aufnahme der zu beschichtenden Textilfaser und einer zweite Bobine zur Aufnahme der fertig beschichteten Textilfaser, wobei die Textilfaser von der ersten Bobine auf die zweite Bobine umspulbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur direkten Plasmaeinwirkung auf die auf der ersten Bobine aufgewickelten Textilfaser während des Umspulens ausgebildet ist.