DE102014103025A1

DE102014103025A1 - Verfahren zur Beschichtung eines Substrates, Verwendung des Substrats und Vorrichtung zur Beschichtung

Info

Publication number: DE102014103025A1
Application number: DE102014103025.7A
Authority: DE
Inventors: Daniel Hupel; Rainer Hippler; Christiane A. Helm
Original assignee: Ernst Moritz Arndt Universitaet Greifswald
Current assignee: Alethia Group De GmbH
Priority date: 2014-03-07
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2015-09-10
Also published as: WO2015132006A3; EP3114247A2; WO2015132006A2

Abstract

Das vorliegende Beschichtungsverfahren dient der Pufferung, Isolierung, Dosierung und gezielten Ableitung der Wärme, damit temperaturempfindliche Substrate, wie beispielsweise Holz, Natur(faser)produkte oder auch Beton durch verfahrensbedingt zugeführte Wärme (bzw. thermische Energie) nicht zerstört werden. Aufgabe der Erfindung ist es, einen dauerhaften Schutz von Holz mit den Eigenschaften einer dünnen Glasschicht zu realisieren, so dass dieses resistent gegenüber chemischen Stoffen und Umwelteinflüssen wird. Die dünnen Glasschichten sollen nicht spröde sein (vergl. die Biegsamkeit von Glasfasern) und preiswert, umwelt- und gesundheitsfreundlich hergestellt werden können. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine thermische Zerstörung von Substraten, beispielsweise auch anderen thermisch empfindlichen Materialien als Holz, beim Aufsprühen einer Schmelze zu verhindern. Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren zur thermischen Beschichtung eines thermisch zu schützenden Substrats durch Wärmeableitung durch ein nichtthermisches Plasma und/oder durch Wärmepufferung in thermodynamischen Phasenübergängen einer Dispersion und/oder eines Gels und/oder einer Glas- bzw. glasartige Schicht.

Description

Das vorliegende Beschichtungsverfahren dient der Pufferung, Isolierung, Dosierung und gezielten Ableitung der Wärme, damit temperaturempfindliche Substrate, wie beispielsweise Holz, Natur(faser)produkte oder auch Beton durch verfahrensbedingt zugeführte Wärme (bzw. thermische Energie) nicht zerstört werden.
Thermische Beschichtungsverfahren in denen das Beschichtungsmaterial als Schmelze oder in angeschmolzender Form, wie es zum Beispiel beim Plasmaspraying üblich ist, aufgetragen wird, sind allgemein bekannt und Stand der Technik.
Die Pulverlackierung ist ein weiteres thermisches Verfahren. Hier wird das Beschichtungsmatrial als noch ungeschmolzendes Pulver auf die zu beschichtende Oberfläche aufgetragen und erst dann unter Wärmezufuhr aufgeschmolzen.
Diese thermischen Beschichtungsverfahren können nur auf Substrate angewendet werden, die der entsprechend auf ihnen erzeugten Oberflächentemperatur standhalten und deren thermische Ausdehnungskoeffizienten zu dem jeweiligen Schichtmaterial hinsichtlich der Ausbildung von Spannungen kompatibel sind. Ein unterschiedlich starkes Zusammenziehen der Schicht gegenüber dem Substrat bei der Abkühlung birgt die Gefahr der Rissbildung.
Reine Sol-Gel-Beschichtungen sind porös und daher als Barriere oder Schutzschicht eher ungeeignet, jedoch können plasmagestütze Sol-Gel-Synthesen kompakte Schichten erzeugen. (DE-Patentanmeldung DE 10 2012 111 710.1 )
Die plasmagestützen Sol-Gel-Synthesen sind sehr aufwendig zu realisieren (Verwendung einer Plasmaquelle mit vergleichsweise hohem Trägergasverbrauch). Die Langzeitstabilität von glasartigen Schichten, die auf diese Art hergestellt wurden, ist durch kostenintensive Präkursoren zu erreichen, welche größtenteils umweltbelastend sind.
In JP H03230095 A wird eine Plasmabeschichtung offenbart, bei der Metallpartikel auf eine Oberfläche gebracht werden sollen. Dies erfolgt unter Gleichstrom-Bogenentladung, wobei extreme Hitze erzeugt wird. Um einen Teil der Hitze abzuschirmen und somit eine Zerstörung der zu beschichtenden Oberfläche zu vermeiden, ist eine Schutzplatte mit einer Durchgangsbohrung vor der Oberfläche angeordnet.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, einen dauerhaften Schutz von Holz mit den Eigenschaften einer dünnen Glasschicht zu realisieren, so dass dieses resistent gegenüber chemischen Stoffen und Umwelteinflüssen wird. Die dünnen Glasschichten sollen nicht spröde sein (vergl. die Biegsamkeit von Glasfasern) und preiswert, umwelt- und gesundheitsfreundlich hergestellt werden können. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine thermische Zerstörung von Substraten, beispielsweise auch anderen thermisch empfindlichen Materialien als Holz, beim Aufsprühen einer Schmelze zu verhindern.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren zur thermischen Beschichtung eines thermisch zu schützenden Substrats durch Wärmeableitung durch ein nichtthermisches Plasma und/oder durch Wärmepufferung in thermodynamischen Phasenübergängen einer Dispersion und/oder eines Gels und/oder einer Glas- bzw. glasartige Schicht.
Für ein erstes Ausführungsbeispiel wird das Verfahren unter Einwirkung eines nichtthermischen Plasmas unter Atmosphärendruck durchgeführt, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass eine erhöhte Elektrodendichte direkt auf dem Substrat einen Wärmeeintrag eines Wärmeträgers mit einer höheren Wärmeleitung durch Elektronen tangential zum Substrat ableitet und damit eine thermische Wechselwirkungsfläche mit dem Plasma erhöht wird, wobei die erhöhte Elektrodendichte aus einer Plasmarandschicht des nichttermischen Plasmas hervorgeht. Damit werden die Wärmeleitgradienten so gestaltet, dass nur ein geringer Anteil der Wärme des Wärmeträgers das Substrat erreicht und der größere Anteil vom Substrat abgeleitet wird.
Ein zweites Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht aus einer Sole/Dispersion oder einem Gel (kurz Gel-Schicht) aufgebracht wird und eine erhöhte Elektrodendichte direkt auf die Gel-Schicht einen Wärmeeintrag eines Wärmeträgers mit einer höheren Wärmeleitung durch Elektronen tangential zum Substrat ableitet und damit eine thermische Wechselwirkungsfläche mit dem Plasma erhöht wird, wobei die erhöhte Elektrodendichte aus einer Plasmarandschicht des nichttermischen Plasmas hervorgeht.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Glas- bzw. glasartigen Schicht oder auf eine weitere auf die Glas- bzw. glasartige Schicht aufgebrachte Schicht aus einer Sole/Dispersion oder einem Gel (kurz Gel-Schicht) eine erhöhte Elektrodendichte direkt auf der Glas- bzw. glasartigen Schicht oder der Gel-Schicht einen Wärmeeintrag eines Wärmeträgers mit einer höheren Wärmeleitung durch Elektronen tangential zum Substrat ableitet und damit eine thermische Wechselwirkungsfläche mit dem Plasma erhöht wird, wobei die erhöhte Elektrodendichte aus einer Plasmarandschicht des nichttermischen Plasmas hervorgeht.
Für die möglichen Beschichtungsverfahren wird der Wärmeträger über eine äußere Strömungsbarriere mit mindestens einer Öffnung dem Substrat zugeführt und gleichzeitig mit einem nichttermischen Plasma-Jet behandelt, wobei das Plasma unterhalb der Strömungsbarriere wirkt.
Der Wärmeträger besteht aus einer Glasschmelze in Form eines Tropfens oder Fadens mit einem Durchmesser von mehreren 10 nm bis mehreren 100 µm oder aus oberflächenangeschmolzenen Glas- oder Keramikpartikeln. Die Fäden werden in einer Ausführungsform in Form von Schmelzspinnfäden so auf dem Substrat abgelegt, dass hinsichtlich der Benetzbarkeit mit Wasser ein Oberflächenprofil mit hydrophoben Eigenschaften entsteht.
Zur Dimensionierung der Tropfengröße wird beispielsweise ein Elektrosprayverfahren verwendet.
Eine Dimensionierung der lokalen Wärmemenge der Wärmeträger erfolgt durch Spay-, Spinn- bzw. Zerstäubungsverfahren der Schmelze und eine Dosierung erfolgt durch eine Tropfengröße im ausreichenden Maße gegenüber der Kapazität der Wärmepufferung der Dispersion bzw. vorbeschichteten Substratoberfläche. Die Wärmemenge der Wärmeträger wird über deren Größe dosiert und an die Wärmepufferkapazität der entsprechenden thermodynamischen Phasenübergänge und an die Wärmeleitgeschwindigkeit angepasst. Die Wärmemenge der Wärmeträger ist dabei proportional zum Volumen der Tropfen oder der Fäden.
Das nach dem Beschichtungsverfahren hergestellte Substrat kann als Grundlage für weitere Beschichtungen mit einer höheren Schmelztemperatur verwendet werden, um stärker belastbare Flammschutzschichten aufzubauen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Beschichtung eines Substrats hat eine äußere Strömungsbarriere mit mindestens einer Öffnung, welche unterhalb einer Quelle für einen Wärmeträger angeordnet ist. Ein nichtthermisches Plasma wirkt in dem Zwischenraum zwischen einem Substrat und der Strömungsbarriere. Als Quelle für das Plasma wird ein Plasma-Jet so angeordnet, dass er in dem Zwischenraum zwischen dem Substrat und der Strömungsbarriere wirkt. Es ist aber auch möglich, dass andere geeignete nichtthermische Plasmaverfahren genutzt werden.
Der Wärmeträger wird in einer Zuführeinrichtung erzeugt, welche die Quelle eine Spule und ein Schutzgas enthält.
Für eine Glasbeschichtung nimmt eine aufgetragene SiO_x- und/oder M₁O_x1-, M₂O_x2-, ..., M_NO_xn-haltige Dispersion (mit M = Metall, Halbmetall oder Erdalkalimetall; Index M_1,2,...,N steht für jeweils unterschiedliche Stoffe M; Index O_x1,x2,...,xn steht für jeweils spezifische Sauerstoffanteile) (im folgenden kurz MO_x-Dispersion genannt), die im Rahmen der Sol-Gel-Technik hergestellt wird, einen Großteil der Wärmemenge von Partikeln oder Tropfen in der Größenordnung von mehreren 10 nm bis wenige 100 µm auf, ohne dass die Siedetemperatur des Lösungsmittels der Dispersion bis zum vollständigen Verdampfen derselben überschritten wird. Dadurch kann beispielsweise Holz unterhalb seiner kritischen Temperatur behandelt werden, da eine Verteilung der Wärmebelastung stattfindet, die noch eine ausreichende lokale Abkühlung bis zum erneuten Auftreffen der Wärmeträger (Tropfen/angeschmolzene Partikel) zulässt.
Für ein Ausführungsbeispiel erfolgt z.B. eine Glasschmelze mit einem erniedrigten Schmelzpunkt (spezielle Zusammensetzung). Die hierbei verwendete Dispersion nimmt neben der Rolle des Wärmepuffers auch die eines Haftvermittlers ein.
Zur Dimensionierung der Tropfengröße eignet sich das Elektrosprayverfahren, in welchem sich am Ende der Kanüle in einem elektrischen Feld ein Taylorkegel ausbildet und von dem sich wiederum ein Faden (Jet) in der Stärke mehrerer 10 bis wenigen 100 nm löst, der zu weiteren Tröpfchen zerfällt. Damit ist die Wärmemenge pro Tropfen bzw. Fadenquerschnitt regulierbar und kann der Verdampfungswärme der entsprechenden Menge der Dispersion angepasst werden.
Der thermische Schutz des Substrates beim Aufsprühen einer Schmelze wurde in dieser Form noch nicht realisiert und ermöglicht ein Erzeugen einer belastbaren Schicht, wobei die Dispersion als thermischer Puffer gleichzeitig die Haftvermittlung zwischen Substrat und Schicht sicherstellt. Durch die geringe Größe der Wärmeträger werden großflächige Spannungen, die eine Rissbildung aufgrund der thermischen Ausdehnung zur Folge haben können, vermieden.
Mit diesem Verfahren können bezüglich der Glasbeschichtung ökologisch bedeutsame Lösungen für jedes beliebige Substrat, insbesondere zum Schutz von Holz und Naturfasern, aber auch Beton etc. realisiert werden. Diese sind sehr kostengünstig im Vergleich zu hochwertigen Lacken und tragen die für eine Schutzschicht wertvollen Langzeiteigenschaften von Glas. Diese kann durch eine Vielzahl von bereits etablierten Verfahren funktionalisiert werden.
Mit diesem Verfahren können die glasartigen Schichtsynthesen von Hupel (DE-Patentanmeldung DE 10 2012 111 710.1 ) kostengünstig ergänzt werden.
Für das erfindungsgemäße Verfahren kann jedes beliebige Substrat verwendet werden. Der Dispersion können Partikel zur Oberflächenstrukturierung oder Flammhemmung beigefügt werden. Letztere, zum Beispiel Magnesiumoxid oder -Carbonat, können auch als reine Vorbehandlung in einer Lösung aufgetragen werden und können die Flammbeständigkeit zusammen mit der weiter aufgebauten Schicht erhöhen.
Eine nach einem oder mehreren Prinzipien der Wärmepufferung aufgetragene Glas- oder Keramikschicht kann wiederum selbst als Schutzschicht für ge- bzw. abgeschmolzene Wärmeträger beispielsweise mit einer höheren Schmelztemperatur dienen. Damit können entsprechend stärker belastbare Flammschutzschichten aufgebaut werden.
Ausführung der Erfindung
Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierzu zeigen
1 eine schematische Darstellung des Zusammenspiels des Wärmepuffers, der Wärmedosierung und der Erzeugung eines Wärmeleitfähigkeitsgradienten und des Aufbaus der unterschiedlichen Schichten in der Beschichtungsphase und
2 mit eingebrachten Wärmeträger
3 eine Prinzipdarstellung einer Beschichtung.
In 1 wird der Aufbau der unterschiedlichen Schichten in der Beschichtungsphase dargestellt. Auf dem Substrat 1 befindet sich eine Glas- bzw. glasartige Schicht 2 (kurz Glas-Schicht 2) aus einer Vorbehandlung. Für die Vorbehandlung kann das Verfahren zur Sol-Gel-Synthese nach der DE-Patentanmeldung DE 10 2012 111 710.1 angewendet werden. Diese Glas-Schicht 2 stellt eine homogene Wärmeleitbarriere und/oder Sauerstoffbarriere und eine Isolationsschicht gegenüber dem zu beschichtenden Substrat dar. Auf diese vorbehandelte Glas- bzw. glasartige Schicht 2 wird eine weitere Schicht 3 mit einer Sole/Dispersion oder einem Gel (kurz Gel-Schicht 3) aufgebracht. Durch die Einwirkung des nichttermischen Plasmas 4 werden in der Plasmarandschicht 5 Elektronen 6 auf der Oberfläche freigesetzt. Auf einen Wärmeträger 7, welcher ein Tropfen oder Faden einer Schmelze zum Beispiel Glas oder Glaslot oder oberflächenangeschmolzene Partikel zum Beispiel aus Keramik oder Glas ist, wirkt zusätzlich zum hoch wärmeleitenden Plasma 4 die Plasmarandschicht 5 mit der erhöhten Elektronendichte tangential zur Oberfläche mit starker Wärmeleitung über die Elektronen 6.
2 zeigt beispielhaft die Einlagerung eines Wärmeträgers 7 in die Gel-Schicht 3. Die Glas-Schicht 2 dient hier als Sauerstoffbarriere gegenüber dem zu beschichtenden Substrat und als Isolationsschicht, die den starken Wärmegradienten etwas puffert und damit auch Spannungen vorbeugt.
3 zeigt eine Prinzipdarstellung einer möglichen Beschichtung. Das vorbereitete Substrat 1 mit der wärmepuffernden Gel-Schicht 3 wird mit einem nichtthermischen Plasma-Jet 8 behandelt. Zugleich wird über eine äußere Strömungsbarriere 12 mit mindestens einer Öffnung 13 ein Wärmeträger 7 zugeführt, welcher ein Schmelztröpfchen oder ein Schmelzfaden, der/die zuvor in einem Tiegel erzeugt wurden und in seiner/ihrer Flugbahn mit der Spule 10 zusätzlich induktiv beheizt wird, sein kann. Ebenso sind oberflächenangeschmolzene Glas- oder Keramikpartikel, die durch Plasmaspraying erzeugt wurden, verwendbar. Das Schutzgas 11 verhindert die Entflammung bzw. thermisch/chemische Reaktionen der Wärmepufferlösung. Durch die Öffnung 13 wird die Hitze des Umgebungsgases abgeschirmt.
Zur Wärmepufferung
In einem ersten Ausführungsbeispiel erfolgt eine Glasbeschichtung von Holz. Hierzu wird eine SiO_x- und/oder M₁O_x1-, M₂O_x2-, ..., M_NO_xn-haltige Dispersion (mit M = Metall, Halbmetall oder Erdalkalimetall; Index M_1,2,...,N steht für jeweils unterschiedliche Stoffe M; Index O_x1,x2,...,xn steht für jeweils spezifische Sauerstoffanteile) (im folgenden kurz MO_x-Dispersion genannt), die im Rahmen der Sol-Gel-Technik hergestellt werden kann, aufgetragen. Die MO_x-Dispersion nimmt einen Großteil der Wärmemenge von Partikeln oder Tropfen in der Größenordnung von mehreren 10 nm bis wenige 100 µm ohne Überschreitung der Siedetemperatur des Lösungsmittels der Dispersion bis zum vollständigen Verdampfen derselben auf. Die anzuwendende Dispersion kann eine Kombination unterschiedlicher Anteile verschiedener MOx bzw. Mox(R) beinhalten. Durch die MO_x-Dispersion erfolgt eine Verteilung der Wärmebelastung, so dass eine ausreichende lokale Abkühlung bis zum erneuten Auftreffen der Wärmeträger (Tropfen/ angeschmolzene Partikel) ermöglicht und das Holz unterhalb seiner kritischen Temperatur behandelt wird. Insbesondere wird in der Anwendung die thermische Ausdehnung der Sole / des Gels / der Vorschicht durch die Verwendung einer angepassten Mischung von Präkursoren, die in Ihrer porösen Feststruktur einen ähnlichen Wäremausdehnungskoeffizienten besitzen, dem speziellen Glas angepasst.
Durch eine geeignete Zusammensetzung der Glasschmelze, z.B. einem Glaslot, wird ein erniedrigter Schmelzpunkt erreicht. Die angewendete Dispersion nimmt dann neben der Rolle des Wärmepuffers auch die eines Haftvermittlers ein.
In einer Zwischenphase wird die Dispersion durch die thermische Energie in einen Gel-Zustand (zwischen Sole/Dispersion und fester Struktur) überführt. Ein weiterer Teil der Wärmeenergie wird zur weiteren Phasenumwandlung vom Gel zum Festkörper aufgenommen. Dies führt zu einer Abkühlung des Wärmeträgers, ohne dass das Substrat durch den entsprechenden Wärmeanteil der jeweiligen Phasenumwandlung erhitzt wird.
Um den direkten Kontakt des auftreffenden Wärmeträgers mit dem Substrat zu verhindern, kann das Verfahren zur Sol-Gel-Synthese nach der DE-Patentanmeldung DE 10 2012 111 710.1 angewendet werden. Es wird im Vorfeld eine Gelschicht aus einer auf das Substrat 1 aufgetragenen Dispersion erzeugt, die aufgrund der erhöhten Viskosität gegenüber einer reinen Sole/Dispersion den direkten Kontakt des auftreffenden Wärmeträgers mit dem Substrat verhindert.
Dieses verwendete Verfahren zur Sol-Gel-Synthese beinhaltet eine Niedertemperaturplasmabehandlung eines mit einer Sole/Dispersion getränkten Substrates und führt zwischenzeitlich zu einer Gelbildung.
Ebenso kann das Verfahren zur Sol-Gelsynthese nach der DE-Patentanmeldung DE 10 2012 111 710.1 zur Erzeugung einer zum Beispiel festen glasartigen Isolierschicht als thermischer Schutz genutzt werden (1).
Auf einer solchen, vor der thermischen Beschichtung aufgetragenen, thermischen Schutzschicht, die zum einen die Sauerstoffzufuhr zum Substrat unterdrückt und damit gegebenenfalls die kritische Substrattemperatur (hinsichtlich einer Zerstörung) erhöht und zum anderen einen bestimmte Wärmemenge aufnimmt, kann wiederum die Wärmepufferung mit einem Gel und/oder einer Sole/Dispersion realisiert werden (1).
Für die stoffliche Zusammensetzung der wärmepuffernden Dispersion können alle, (also nicht nur SiO_x-haltige) dem Sol-Gel-Verfahren zuzuordnenden Lösungen bzw. Stoffgemische, angewendet werden. Ebenso sind auch Hydrogele, die beispielsweise für die Herstellung von Wasserglas verwendet werden, als Wärmepuffer geeignet. Der Materialauftrag kann sich vom Glas unterscheiden (bspw. Keramik). Damit werden auch andere Schichten, außer den aus Glas bestehenden, möglich.
Zur Dimensionierung der lokalen Wärmemenge
Die Dimensionierung und Dosierung der lokalen Wärmemenge erfolgt durch Spay-, Spinn- bzw. Zerstäubungsverfahren der Schmelze. Die Wärmemenge der Schmelztropfen wird durch eine entsprechende Tropfengröße im ausreichenden Maße gegenüber der Kapazität der Wärmepufferung der Dispersion bzw. vorbeschichteten Substratoberfläche dosiert.
Die Schmelztropfen treffen lokal verstreut und voneinander getrennt in einem zeitlichen Abkühlrahmen auf dem zu beschichtenden Substrat auf. So entstehen lediglich lokale Spannungen (geringe thermische Ausdehnungsdifferenz zwischen Substrat und erstarrtem Schmelztropfen), die nach Abkühlung mit einem Kontakt eines weiteren Wärmeträgers wieder etwas relaxieren und sich wiederum nur in Tröpfchengröße ausprägen. Somit bleiben die Spannungen nur lokal, geringer und in leicht gewölbter Form. Es ist allgemein bekannt, das kleine Glaskugeln, die aus der Schmelze heraus stark abgekühlt werden, eine höhere Belastbarkeit gegenüber schwach gekühlten haben, da die entstehenden Spannungen (Abkühlung und Zusammenziehen ist in der äußeren Schicht am stärksten) die Oberflächenbelastbarkeit erhöhen. Damit ist die Gefahr der Rissbildung gegenüber einer flächigen Schmelzbeschichtung in einem Schritt gebannt.
Zur feinen Dimensionierung der Tropfengröße eignet sich besonders das Elektrosprayverfahren, in welchem sich am Ende der Kanüle in einem elektrischen Feld ein Taylorkegel ausbildet und von dem sich wiederum ein Faden (Jet) in der Stärke von mehreren 10 bis einigen 100 nm löst, der zu weiteren Tröpfchen zerfällt. Damit ist die Wärmemenge über die Größe sehr klein sowie fein regulierbar und kann der Verdampfungswärme bzw. Wärmepufferkapazität der entsprechenden Menge der Dispersion bzw. Dicke der Wärmeschutzschicht angepasst werden. Die Wärmemenge ist proportional zum Volumen der Tropfen oder der Fäden, falls dieses gleich temperiert ist.
Es werden reine Glasschichten in einer Schichtdicke aufgebracht, die beispielsweise die Griffigkeit des Holzes nicht beeinflusst. Andere Schichtdicken sind auch möglich. Durch Einbringen von Partikel zur Strukturierung der Oberfläche in einer Größenordnung die den Lotuseffekt hervorruft, kann einen Selbstreinigungseffekt erzeugt werden. Mit TiO₂-Nanopartikeln wird beispielsweise ein UV-Schutz und zusätzlich eine photokatalytische antimikrobielle Wirkung (z.B. TiO₂-Anatas) realisiert. Alle anderen UV-Strahlungsabsorbierende Partikel sind ebenso verwendbar.
Hat die Schmelze eine spezielle Zusammensetzung durch BO_x-, MgO_x-, TiO_x-, PO_x-, MO_x-Anteile, wird bei einer ausreichend dicken Schicht ein Flammschutz erhöht. Anschließend können alle etablierten bzw. möglichen Verfahren zur Funktionalisierung von Glas- bzw. Keramikschichten angewendet werden.
Für eine Verwendung von oberflächenangeschmolzenen Partikeln, beispielsweise aus Glas, Metalloxiden oder Keramik, kann zu deren Anschmelzung eine Mikrowelle, ein Brenner oder ein thermisches Plasma (induktiv gekoppelt oder Lichtbogen) oder ein anderes geeignetes Verfahren benutzt werden, welches im vorgesehenen Schmelzzeitraum eine ausreichende Wärmemenge zum vollständigen Schmelzen bzw. Oberflächenanschmelzen bereitstellt. Oberflächenangeschmolze Partikel treffen auf die Oberfläche, dort erstarrt ihre flüssige Randschicht und sie haften sich so an.
Zur Gestaltung eines geeigneten Wärmeleitfähigkeitsgradienten im Bereich der Substratoberfläche
Die Ausbildung eines Gels auf dem Substrat stellt eine sehr starke Wärmeleitfähigkeitsbarriere ähnlich der Aerogele dar. Das Lösungsmittel puffert in den Zwischenräumen des Gel-Netzwerkes mit seiner Verdampfungsenthalpie zusätzlich eine entsprechende Wärmemenge.
Die Temperatur der Ionen und Neutralteilchen des Niedertemperaturplasmas liegt bei Raum- bzw. Trägergastemperaturtemperatur. Das Brennen des Niedertemperaturplasmas direkt über dem Substrat führt in dem Brennbereich zu stark erhöhter Wärmeleitfähigkeit. Dadurch wird die Wärmeabfuhr vom Substrat stark beschleunigt und es wird eine Plasmarandschicht mit einer entsprechenden Elektronendichte auf dem Substrat erzeugt. Bei nichtleitenden Materialien bleibt eine Widerstandserwärmung durch das Plasma aus. Der Plasmazündbereich kühlt in diesem Fall die lokal heißen Bereiche der Wärmeträger nach Erstarren in der Sole oder dem Gel.
Die Trägergastemperatur kann zur Erhöhung des Temperaturgradienten zwischen Wärmeträger und Plasma zusätzlich gekühlt werden.
Die hohe Elektronendichte auf dem Substrat bzw. seiner thermischen Schutzschicht verleiht diesem direkt auf der Oberfläche eine hohe Elektronenwärmeleitfähigkeit. Dadurch relaxiert ein lokal hoher Wärmebereich eines gerade auftreffenden Wärmeträgers unmittelbar tangential über das Substrat, wodurch sich die Fläche für den Wärmeaustausch über die Plasmarandschicht mit dem Plasma erhöht.
Im zeitlichen Verlauf betrachtet wird in der Summe dieser wesentlichen Wärmeleiteffekte der überwiegende Teil der Wärme vom Substrat weggeleitet, noch ehe er das Substrat erreicht.
Hinsichtlich der Wärmestrahlung sei erwähnt, dass diese zwar proportional zur 4. Potenz der Temperatur ist, doch da diese physikalische Größe sehr schnell reduziert wird, ist deren Einfluss auf den kleinen Zeitbereich höherer Temperatur beschränkt und damit ebenso stark reduziert.
Zur Gestaltung des Zusammenspiels des Wärmepuffers, der Wärmedosierung und der Erzeugung eines Wärmeleitfähigkeitsgradienten
Je nach thermischer Belastung (Schmelztemperatur) bzw. Belastbarkeit (kritische Substrattemperatur) kann zum Erfolg des Verfahrens der beschriebene Wärmepuffer und/oder die beschriebene Wärmemengendosierung und/oder die plasmagestützte Erzeugung eines Wärmeleitfähigkeitsgradienten benutzt werden.
Zusätzliche Optionen
Für die Plasmakühlung kann ein geeigneter Strömungskanal entlang der Oberfläche geschaffen werden. Dieser wird durch eine Strömungsbarriere 12 in Form einer Platte oder anderen Form parallel/tangential zum Substrat 1 realisiert. Die Strömungsbarriere 12 enthält mindestens eine Öffnung 13 (vorzugsweise ein Spalt) in einer Größenordnung, die die Strömung nicht wesentlich beeinflusst. Die Wärmeträger 7 werden in einer Quelle 9 erzeugt, welche sich in einer Zuführeinrichtung 14 befindet, in der auch eine Spule 10 angeordnet ist, und durch ein Schutzgas 11 zu der Öffnung 13 in der Strömungsbarriere 12 geleitet. Durch die Öffnung 13 können die Wärmeträger 7 auf das Substrat 1 gelangen. In 3 ist das Prinzip dargestellt. Das Substrat 1 wird gegenüber dem Plasma 4 und dem Strömungskanal parallel bewegt.
Auch ohne Strömungskanal also bei einer einfachen Plasmabehandlung im entsprechenden Substratbereich ist das Verfahren möglich, es wird aber mehr Trägergas benötigt.
In der Flugbahn von der Quelle 9 wird der Wärmeträger 7 hin zum Substrat 1 durch ein induktives Wechselfeld einer Spule 10 geheizt.
Das verwendete Trägergas ist vorzugsweise ein Schutzgas 11 (Argon, Stickstoff), da die verdampfenden Lösungsmittel unter anderem alkoholischer Natur (Alkogele), und damit leicht entflammbar sind. Deshalb ist auch der Raum um die Öffnung 13 bzw. entlang der Flugbahn mit einem Schutzgas 11 (vorzugsweise Argon) zu füllen.
Anstelle der Tropfen können auch Schmelzspinnfäden auf dem Substrat 1 abgelegt werden. Dies erhöht die Abriebsfestigkeit jeweils parallel zum Faden. Die Schmelzspinnfäden können in einer Ausführung des Verfahrens so gelegt werden (bspw. über Kreuz), dass hinsichtlich der Benetzbarkeit mit Wasser ein Oberflächenprofil mit hydrophoben Eigenschaften entsteht.
Oberflächenstrukturierungen nach dem Prinzip einer Haifischhaut können durch gezieltes lokales Positionieren der Wärmeträger zur Optimierung von Strömungseigenschaften im Wasser nach/während des Aufbringens der eigentlichen Schicht realisiert werden.
In einer weiteren Ausführung des Verfahrens werden Metalle mit einer speziellen Glasschicht nachhaltig versiegelt. Dafür wird auf der Metalloberfläche eine wärmepuffernde dünne Gel- und/oder Solschicht erzeugt/aufgebracht. Bei Benutzung des Elektrosprayverfahrens kann das Substrat selbst als Gegenelektrode verwendet werden. Hier wird die Tröpfchengröße den thermischen Ausdehnungskoeffizienten angepasst. Interessant sind in diesem Zusammenhang Oberflächenstrukturierungen, wie die Haifischhaut, speziell für den Schiffbau.
Die Oberfläche kann mit einem Plasmaverfahren vorbehandelt (geäzt, beschichtet etc.) werden, um eine vorteilhafte Benetzung des Substrates mit einer Dispersion/Sole (Oberflächen-profil und chemische/elektrische Modifizierung) zu ereichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012111710 [0005, 0025, 0032, 0038, 0040]
JP 03230095 A [0007]

Claims

Verfahren zur thermischen Beschichtung eines thermisch zu schützenden Substrats durch Wärmeableitung durch ein nichtthermisches Plasma und/oder durch Wärmepufferung in thermodynamischen Phasenübergängen einer Dispersion und/oder eines Gels und/oder einer Glas- bzw. glasartige Schicht.
Verfahren zur Beschichtung eines Substrates, unter Einwirkung eines nichtthermisches Plasmas unter Atmosphärendruck nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erhöhte Elektrodendichte direkt auf dem Substrat (1) einen Wärmeeintrag eines Wärmeträgers (7) mit einer höheren Wärmeleitung durch Elektronen tangential zum Substrat (1) ableitet und damit eine thermische Wechselwirkungsfläche mit dem Plasma (4) erhöht wird, wobei die erhöhte Elektrodendichte aus einer Plasmarandschicht (5) des nichttermischen Plasmas (4) hervorgeht.
Verfahren zur Beschichtung eines Substrates, unter Einwirkung eines nichtthermisches Plasmas unter Atmosphärendruck nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht aus einer Sole/Dispersion oder einem Gel (kurz Gel-Schicht) (3) aufgebracht wird und eine erhöhte Elektrodendichte direkt auf die Gel-Schicht (3) einen Wärmeeintrag eines Wärmeträgers (7) mit einer höheren Wärmeleitung durch Elektronen tangential zum Substrat (1) ableitet und damit eine thermische Wechselwirkungsfläche mit dem Plasma (4) erhöht wird, wobei die erhöhte Elektrodendichte aus einer Plasmarandschicht (5) des nichttermischen Plasmas (4) hervorgeht.
Verfahren zur Beschichtung eines Substrates, welches mit einem Verfahren zur Sol-Gel-Synthese vorbehandelt wurde und dadurch mit einer Glas- bzw. glasartige Schicht (2) versehen ist, unter Einwirkung eines nichtthermisches Plasmas unter Atmosphärendruck nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Glas- bzw. glasartige Schicht (2) oder auf eine weitere auf die Glas- bzw. glasartige Schicht (2) aufgebrachte Schicht aus einer Sole/Dispersion oder einem Gel (kurz Gel-Schicht) (3) eine erhöhte Elektrodendichte direkt auf der Glas- bzw. glasartigen Schicht (2) oder der Gel-Schicht (3) einen Wärmeeintrag eines Wärmeträgers (7) mit einer höheren Wärmeleitung durch Elektronen tangential zum Substrat (1) ableitet und damit eine thermische Wechselwirkungsfläche mit dem Plasma (4) erhöht wird, wobei die erhöhte Elektrodendichte aus einer Plasmarandschicht (5) des nichttermischen Plasmas (4) hervorgeht.
Beschichtungsverfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeträger (7) über eine äußere Strömungsbarriere (12) mit mindestens einer Öffnung (13) dem Substrat (1) zugeführt wird und gleichzeitig mit einem nichttermischen Plasma-Jet (8) behandelt wird, wobei das Plasma (4) unterhalb der Strömungsbarriere (12) wirkt.
Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeträger (7) aus einer Glasschmelze in Form von Tropfen oder Fäden mit einem Durchmesser von mehreren 10 nm bis mehreren 100 µm oder aus oberflächenangeschmolzenen Glas- oder Keramikpartikeln besteht.
Beschichtungsverfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Fäden in Form von Schmelzspinnfäden auf dem Substrat (1) so abgelegt werden, dass hinsichtlich der Benetzbarkeit mit Wasser ein Oberflächenprofil mit hydrophoben Eigenschaften entsteht.
Beschichtungsverfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass zur Dimensionierung der Tropfengröße ein Elektrosprayverfahren verwendet wird.
Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass eine Dimensionierung der lokalen Wärmemenge der Wärmeträger (7) durch Spay-, Spinn- bzw. Zerstäubungsverfahren der Schmelze und eine Dosierung durch eine Tropfengröße im ausreichenden Maße gegenüber der Kapazität der Wärmepufferung der Dispersion bzw. vorbeschichteten Substratoberfläche erfolgt.
Beschichtungsverfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmemenge der Wärmeträger (7) über deren Größe dosiert und an die Wärmepufferkapazität der entsprechenden thermodynamischen Phasenübergänge und an die Wärmeleitgeschwindigkeit angepasst wird.
Beschichtungsverfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmemenge der Wärmeträger (7) proportional zum Volumen der Tropfen oder der Fäden ist.
Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass jedes beliebige Substrat beschichtet wird.
Beschichtungsverfahren nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass poröse Materialien oder nichtporöse Materialien beschichtet werden.
Beschichtungsverfahren nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass Holz, Naturfasern, Beton oder Metalle beschichtet werden.
Beschichtungsverfahren nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, dass bei der Beschichtung von Metallen unter Benutzung eines Elektrosprayverfahrens das Substrat selbst als Gegenelektrode verwendet wird.
Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass für die Beschichtung Partikel zur Oberflächenstrukturierung und/oder Flammhemmung beigefügt werden.
Beschichtungsverfahren nach Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet, dass als Partikel zur Flammhemmung Magnesiumoxid oder Magnesiumcarbonat verwendet werden.
Verwendung des nach dem Beschichtungsverfahren nach den Ansprüchen 1 bis 17 hergestellten Substrats als Grundlage für weitere Beschichtungen mit einer höheren Schmelztemperatur, um stärker belastbare Flammschutzschichten aufzubauen.
Vorrichtung zur Beschichtung eines Substrats, unter Einwirkung eines nichtthermisches Plasmas unter Atmosphärendruck, dadurch gekennzeichnet, dass eine äußere Strömungsbarriere (12) mit mindestens einer Öffnung (13) unterhalb einer Quelle (9) für einen Wärmeträger (7) angeordnet ist und ein nichtthermisches Plasma (4) in einem Zwischenraum zwischen einem Substrat (1) und der Strömungsbarriere (12) wirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, dass ein Plasma-Jet (8) so angeordnet ist, dass er in dem Zwischenraum zwischen dem Substrat (1) und der Strömungsbarriere (12) wirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeträger (7) in einer Zuführeinrichtung (14) erzeugt wird, welche die Quelle (9), eine Spule (10) und ein Schutzgas (11) enthält.