CH707323A2 - Method and apparatus for coating of textile fibers by means of plasma treatment. - Google Patents
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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.A process for coating textile fibers by plasma treatment, wherein the textile fiber to be coated is wound on a first bobbin and the textile fiber is rewound onto a second bobbin, is used to achieve improved fissile property and durability of the functionalized surface. For this purpose, the plasma treatment is carried out such that the plasma acts directly on the wound on the first bobbin textile fiber and the textile fiber is rewound during the plasma treatment of the first to the second reel.
Description
Technischer Hintergrund und bekannter Stand der Technik:Technical Background and Prior Art:
[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. The treatment of whole bobbins (wound on a core threads or textile fibers) has long been known in the textile industry for wet-chemical dyeing and cleaning steps (DE 461 456, DE 505 471). Since the 1990s, the possibility of dry cleaning based on CO2 purification has also been investigated. Again, threads or textiles can be wound on a core and treated with good depth effect (US 5,863,298). During the treatment no rewinding takes place. For a dry treatment by plasma technology, however, this method has not yet been considered because the penetration (fissuring) of a plasma treatment is limited. All patents and publications known to us consider it necessary that the surfaces of the textile and thread-like structures to be coated are as freely accessible as possible (EP 0 695 384 B1, EP 0 451 425 B1). This is due to the fact that the plasma is generated outside the textile structure and the layer-forming species must be transported to the surfaces. Especially at high pressures (near atmospheric pressure), numerous impacts prevent penetration into open structures.
[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). US 4,328,324 (1982) describes the plasma treatment of PA fibers drawn through a plasma chamber (low pressure). This improves adhesion in a matrix for composite materials. US4606930 (1984) describes a bobbin in low pressure and the winding of the fibers in air, the plasma treatment is, however, brought about (by rolling) several times by passing the drawn thread through the plasma zone.
[0003] Fig. 1 zeigt eine Plasmabeschichtung von Textilfasern nach dem bekannten Stand der Technik. Fig. 1 shows a plasma coating of textile fibers according to the known prior art.
[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. US Pat. No. 6,497,954 (2002) describes the plasma coating on textiles with partial coating of the fibers for textile-reinforced composites. Penetration in columns (fissuring of plasmas) is already described in the literature, without anticipating the possibility of coating a bobbin in the plasma. Poll et al. (Surf. Coat, Technol., 142-144, 2001, 489) describe the O 2 plasma treatment of up to four textile layers, wherein the wettable surface (capillary effects) clearly decreases already in the fourth layer.
Nachteile des Standes der TechnikDisadvantages of the prior art
[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. By the use of plasma coatings instead of a plasma treatment (without layer formation) an improved fissile property and durability of the functionalized surface is achieved. For plasma coating on threads, it is currently only known to pull the threads over rollers through the plasma zone. This is associated with a high expenditure on equipment and the threads can lose strength due to shearing. The inventive design in the form of the coating of the thread directly on the reel during rewinding reduces the mechanical stress on the threads and simplifies the experimental design. This can be expected both lower investment and production costs.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
[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. Surprisingly, we have found that a coating by plasma polymerization under suitable conditions many layers can penetrate into superimposed textile structure. Not only exposed surfaces are reached, but also hidden ones, presumably due to collisions of the layer-forming species with a mean free path in the order of the thread distances and surface diffusion. Therefore, it is also possible to coat directly overlying threads. The idea underlying the invention therefore provides for textile or thread-like structures to be coated directly on the roll on which they are wound. In particular, bobbins (wound-up filaments) can be coated directly in the low-pressure plasma while being wound on a second roll.
[0007] Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemässe Plasmabeschichtung von Textilfasern. Fig. 3 zeigt eine weitere erfindungsgemässe Plasmabeschichtung von Textilfasern (alternative Lösung). Fig. 2 shows an inventive plasma coating of textile fibers. FIG. 3 shows a further plasma coating of textile fibers according to the invention (alternative solution).
[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. If a bobbin provided directly with a about 100 nm thick hydrophilic plasma polymer layer (layer thickness on the outside threads), we could prove the functionalization of the threads up to more than 10 layers deep on the reel, which in the example about 4 km thread length corresponds. The coating thickness decreases approximately exponentially with the depth. If the thread is then pulled off the reel while it is plasma-coated and wound on a second reel (rewound), not only the freely accessible thread (outermost layer) is coated, but also the underlying layers (with reduced intensity). However, a steady state results which, in the example given, applies three times more layer compared to the coating of only one layer (e.g., freely tensioned threads between two rolls or on a tenter). This can increase the process speed by a factor of 3.
[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. Furthermore, the plasma system can be made compact and the thread does not have to be deflected. At each deflection shear forces occur, which affect the strength of the thread, which is particularly in high-strength thread materials such u.a. Carbon fiber, UHMWPE, Aramid, Vectran and PBO represents a problem. In the direct coating of the reel only a minimum deflection (a few degrees) is required by two rollers, as the thread when pulling on the width of the bobbin wanders (charged) and is led out centrally through an opening in the plasma chamber. The winding can then be carried out by known methods in air. Furthermore, the thread can also be removed overhead or from the inside with a coreless winding. In the latter embodiment, the plasma can be generated inside the coil. Consideration must be given to crossing points at which the threads on the reel lie in contact one above the other. An ideal cross winding (90 ° between the threads) in the bobbin production results in a coverage of 25% per layer (crossing points), but also an open area of 25%. In practice, the fraction of open area can be affected by the type of winding: typically between 35% (through multiple crossing points) and near 0% (in a parallel winding). In essence, the open area allows the coating of the lower layers. The crossing points, however, receive less coating. Since these points are stable until the thread is pulled off, results in this method, an uneven layer thickness along the thread. For many applications (e.g., hydrophilic, hydrophobic, adhesion mediation, friction reduction) this is insignificant, e.g. however, in the area of electrical conductivity or barrier effect are impaired. It has been found experimentally that the splitting action actually increases with the angle of the crossing threads on the bobbin. In addition to the plasma coating during the removal of the thread - which is a preferred embodiment, since this is easily possible in low pressure - but also the plasma coating during winding on a bobbin is equally possible. Thus, a two-stage system is also possible, which provides for two plasma treatments when rewinding from one reel to a second reel, whereby in each case according to the invention the reel is treated, e.g. Combination of 2 coatings or 1x plasma cleaning + 1x plasma coating. Other combinations with the treatment of the thread on the bobbin and with a further treatment on the withdrawn thread (according to the prior art) is also possible. Also, the pressure range (low pressure to atmospheric pressure) is not limited in principle. However, there is an optimal pressure range (in low pressure) depending on the textile structure and the type of plasma treatment. Independently of this, however, an atmospheric plasma treatment according to the invention could also be of interest, as a result of which vacuum technology is eliminated. By different types of winding and unwinding can continue to influence the density of the thread-like structures and thus the open area and the penetration of the plasma treatment.
Gewerbliche Anwendbarkeit der Erfindung:Industrial Applicability of the Invention:
[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. High-strength thread materials such as carbon fibers, UHMWPE, aramid, Vectran, PBO, etc. obtained their properties essentially by high crystallinity (alignment of polymer chains). As a result, however, these thread materials contain no functional (terminal) groups on the surface and are thus inert. The binding of chemical or biological groups on the surface or the incorporation into a matrix is thus difficult. Wet-chemical activation usually leads to a significant decrease in strength. The plasma coating reduces these disadvantages and allows surface functional groups to be stable even in an aqueous environment. In addition, plasma technology is a dry technology. Possible commercial use therefore arises in fiber-reinforced composites and in medical technology.
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