DE1557073C3 - Verfahren zur elektrogasdynamischen Beschichtung von Gegenständen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur elektrogasdynamischen Beschichtung von Gegenständen mit Benutzung einer Gasströmung begrenzten Querschnitts und einer dem Gas beigemischten schichtbildenden Substanz, wobei eingangs eines die Gasströmung führenden Kanals mit Wandungen das Gas einem durch mindestens zwei Elektroden gebildeten lonisierungsfeld ausgesetzt wird und dort eine Aufladung der Partikel der schichtbildenden Substanz erfolgt und das Gas sowie die mitgeführten geladenen Partikel bis zum Ausgang des Kanales ein hohes elektrisches Potential erhalten.

Es ist aus der US-Patentschrift 26 00 129 bekannt, einen kontinuierlichen Strom von multimolekularen Partikeln gegen einen bewegten Streifen zu emittieren und diesen Partikelstrom so zu steuern, daß auf dem Streifen entsprechende Informationen geschrieben oder gespeichert werden können. Zur Steuerung sind entsprechende Elektroden vorgesehen, die auf den

kontinuierlichen Strom geladener Partikel etwa in der Weise wirken, wie auf die Elektronen in einer Kathodenstrahlröhre. Eine solche Anordnung hat jedoch mit einem elektrogasdynamischen Verfahren nichts gemein.

Es ist des weiteren aus der DE-OS 15 77 735 bekannt, Gegenstände elektrostatisch zu beschichten. Dabei wird die zu verwendende Beschichtungsflüssigkeit im Kopf einer entsprechenden Spritzpistole unter Einwirkung einer Spannung geladen. In diesem Kopf wird die Flüssigkeit des weiteren erst zu Partikeln zerstäubt, die durch einen Luftstrom weiter befördert werden. Hier wird also ein elektrostatisches Verfahren, aber wiederum kein elektrogasdynamisches Verfahren angewendet.

Schließlich ist aus der kanadischen Patentschrift 3 77 825 ein Precipitator zur Erzeugung von Ausfällungen bekannt, der eine Sammelelektrode zum Sammeln geladener Teilchen mit hohem Potential aufweist. Es handelt sich hier aber nicht um eine Vorrichtung zur Beschichtung von Werkstücken oder Oberflächen irgendwelcher Art unter Anwendung der Elektrogasdynamik.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die in anderem Zusammenhang bekannten elektrogasdynamischen Verfahren zur Beschichtung von Gegenständen anwendbar zu machen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe, ausgehend von dem eingangs beschriebenen Verfahren zur elektrogasdynamischen Beschichtung von Gegenständen dergestalt, daß die Partikel am Ausgang des Kanales in einen gegenüber dem Kanalquerschnitt erweiterten Raum und auf die Oberfläche der nachfolgend angeordneten zu beschichtenden Gegenstände gelangen.

Durch die Abbremsung gegenüber dem Raumfeld wächst den nachfolgenden weiteren im Gasfluß beschleunigten Partikeln ein sehr hohes Potential zu. Sie werden von dem Raumladungsbereich abgestoßen und von den Werkstücken, die sie beschichten sollen, angezogen, auf denen sie dann einen sehr gleichmäßigen Überzug bilden. Durch die Trennung des Aufladebereiches am Eingang des Kanals und dem Raumladungsbereich hohen Potential am Ausgang des Kanals ist ein ausreichendes Maß an Sicherheit gegen einen elektrischen Durchschlag gegeben. Die entsprechende Querschnittsbegrenzung des Gasstromes durch den Kanal ergibt die notwendige Beschleunigung für die Partikel, so daß diese sich gegen das Raumladungsfeld bewegen können.

Vorteilhafterweise sind die zu beschichtenden Gegenstände leitend mit der Raumwand verbunden.

In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zur Beschichtung der Innenoberfläche eines Rohres der Kanal im Inneren des den erweiterten Raum bildenden Rohres axial geführt werden. Diese Führung erfolgt vorzugsweise in Achsrichtung des zu beschichtenden Rohres.

An die zu beschichtenden Gegenstände wird vorzugsweise ein von dem Potential des Raumladungsfeldes abweichendes Potential angelegt. Handelt es sich bei den zu beschichtenden Gegenständen um hohle Gegenstände aus dielektrischem Werkstoff, kann das Bezugspotential zwischen dem Inneren des Gegenstandes und dessen Oberfläche hergestellt werden. Schließlich kann der bzw. können die zu beschichtenden Gegenstände innerhalb eines Raumes angeordnet werden, dessen Wände das Bezugspotential aufweisen.

In weiterer Fortbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dem ionisierbaren Gas neben den geladenen Partikeln ein monomeres polymerisierbares Gas zugesetzt werden. So werden auf der Oberfläche der zu beschichtenden Gegenstände freie polymerisierbare Radikale abgelagert. Dergestalt wird eine zusammengesetzte Schicht aus den geladenen Partikeln der schichtbildenden Substanz einerseits und den Polymeren andererseits gebildet.

Um ein Schmelzen der Partikel beim Auftreffen auf die Oberfläche der Gegenstände zu erreichen, was bei bestimmtem Schichtmaterial zusätzliche Vorteile bringt, können die vom Gas mitgeführten geladenen Partikel vor dem Auftreffen auf die zu beschichtenden Gegenstände erhitzt werden.

In Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es des weiteren möglich, zusammenhängende Folien dergestalt herzustellen, daß der erweiterte Raum durch ein zu beschichtendes Trum eines endlosen umlaufenden Bandes begrenzt wird und der sich nach vielfachen Umläufen auf dem Band bildende zusammenhängende Überzug aus der schichtbildenden Substanz abgestreift wird.

Sollen die Oberflächen von Gegenständen mit einer zunächst in Form eines monomeren Gases vorliegenden Beschichtungssubstanz beschichtet werden, wird nur der ungeladene Bestandteil der freien Radikale des monomeren Gases durch den Kanal und in den anschließenden querschnittserweiterten Raum der Oberfläche der zu beschichtenden Gegenstände zugeführt, während die geladenen Bestandteile der freien Radikale des monomeren Gases hieran durch das am Ausgang des Kanals bestehende entgegengerichtete Raumladungsfeld gehindert werden.

In Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dieses mittels zweier parallel verlaufender Kanäle und zweier unterschiedlicher in diesen Kanälen mit entgegengesetztem Potential aufgeladenen und beschleunigten Partikeln durchgeführt werden, wobei im querschnittserweiterten Raum nach den Kanalaustritten eine Vermischung der entgegengesetzt geladenen Partikel unterschiedlicher Beschaffenheit dank der bestehenden elektrischen Anziehungskräfte erfolgt, Dabei können den unterschiedlichen Partikeln die Ladungen durch elektrische Entladungen zwischen einer Coronaelektrode und einer Anziehungselektrode aufgeprägt werden, wobei die elektrische Polarität jeder Coronaelektrode der Polarität der Ladungen der Partikel entspricht.

Die Vorrichtung zur Durchführung der vorstehend beschriebenen Verfahren zur elektrogasdynamischen Beschichtung von Gegenständen kann vorteilhafterweise so ausgebildet sein, daß ausgehend von einem Kanal und Elektrodenanordnungen in diesem Kanal zur Aufladung von in einem den Kanal durchströmenden Gasstrom mitgeführten Partikeln am Eingang des Kanales mit geschlossenen Wandungen zur Ausbildung eines Gasstromes begrenzten Querschnittes eine einzige Elektrodenanordnung zur Aufladung der in diesem Gasstrom mitgeführten Partikel vorgesehen ist, wobei der Kanal eine nichtleitende seitliche Begrenzung des Gasstromes bildet und dem Kanalausgang ein gegenüber dem Kanalquerschnitt im Querschnitt vergrößerter Raum nachgeordnet ist und die Länge des Kanales zwischen den am Eingang angeordneten Elektroden und seinem Ausgang wenigstens um den Faktor 2,5 größer ist als der maximale Strömungsquerschnitt.

Um die Verfahrensmodifikationen durchführen zu können, kann neben der Gaszuführung für das die

geladenen Partikel führende Gas eine weitere Zuführung zur Einführung mindestens eines monomeren Gases vorgesehen sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen rein beispielsweise und schematisch dargestellten Ausführungsformen der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens näher erläutert.

F i g. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Vorrichtung zur elektrogasdynamischen Beschichtung von Gegenständen,

F i g. 2 zeigt einen Schnitt durch eine variierte Ausführungsform, mit welcher die Innenoberfläche eines Rohres beschichtet werden kann,

F i g. 3 gibt wiederum eine Variante, insbesondere zum Beschichten von flachen Gegenständen größerer Oberflächenausdehnung wieder,

F i g. 4 zeigt schließlich eine Ausführungsform mit zwei parallel verlaufenden Kanälen.

In Fig. 1 ist das Ionisierungsgerät der Vorrichtung mit 164 bezeichnet, die zu beschichtenden Gegenstände sind in eine Kammer 165 eingebracht. Das lonisierungsgerät 164 hat die Form einer Pistole und besteht aus einem Kanal, der durch parallele dielektrische Platten 166 gebildet ist, in denen Korona- und Anziehungselektroden 167 und 168 angeordnet sind. Eine Kraftquelle 169 erzeugt zwischen den Elektroden 167 und 168 eine Ionisierungsspannung. Die Pistole 164 wird z. B. von einer Leitung 170 mit einem Einlaß 171 in die Pistole gehaltert, durch die ein Trägergas zugeführt wird, in dem eine Überzugssubstanz in Partikelform mitgerissen wird. Das Gas und die Partikelmischung treten,in den Einlaß 172 des elektrogasdynamischen Kanals ein, wo sie in dem elektrischen Entladungsfeld zwischen den Korona- und Anziehungselektroden 167, 168 geladen werden. Ionen und geladene Partikel bewegen sich durch den Kanal zu dessen Auslaß und werden in die Kammer 165 hinaus abgegeben und schaffen dort ein Raumladungsfeld.

In der Kammer 165 sind drei feste Gegenstände von willkürlicher Form gezeigt, wobei der erste Gegenstand 173 metallisch ist und durch einen Leiter 173a mit der metallischen Wrnd der Kammer 165 verbunden ist, die geerdet ist. Ein anderer Gegenstand 173ώ besteht aus einem dielektrischen Material und ist durch den Leiter 173c geerdet, der im Inneren der Masse 1736 endet. Schließlich hat ein dritter Gegenstand 173c/, der entweder aus Metall oder aus einem isolierenden Material besteht, keine Verbindung zu einer Bezugsspannung. Wenn die geladenen Partikel aus der Pistole 164 in die Kammer 165 abgegeben werden, erhalten die Gegenstände 173 und 1736 beide einen gleichmäßigen Überzug über ihre gesamten Oberflächen, unabhängig von der Richtung, in der die Oberflächen dieser Gegenstände ausgerichtet sind, da das Raumladungsfeld in der Kammer 165 so wirkt, daß es die geladenen Teilchen veranlaßt eine Spannung zu suchen, die niedriger ist als die Raumladungsspannung. Der Gegenstand 173c/erhält andererseits einen Überzug nur auf denjenigen Oberflächen, die direkt dem Fluß der Partikel vom Auslaß des Durchflußkanals in der Pistole 164 ausgesetzt sind.

In Fig.2 ist die elektrogasdynamische Gaspistole 164' mit geeigneten elastischen Führungen 175 im Inneren eines Rohres 176 gezeigt, dessen Innenoberfläche 176a beschichtet werden soll. Eine Mischung aus Luft und trockenem Pulver wird in eine Pumpe oder einen Kompressor 178 geleitet und anschließend in ein Heizgerät 179, wo die einzelnen Partikel durch die Anwendung von Wärme verflüssigt werden. Von dem Heizgerät 179 gelangen die Luft und die verflüssigten Partikel weiter in den Kanal der Pistole 164', wo die Partikel geladen und in das Innere des Rohres 176 eingesprüht werden. Eine Kraftquelle 169' versorgt die Ionisierungselektroden der Pistole. Vorzugsweise ist das Rohr 176 in geeigneter Art und Weise geerdet. Beim Erreichen des Inneren des Rohres 176 erzeugen die

ίο geladenen Partikel ein Raumladungsfeld und werden gleichmäßig über die gesamte Innenoberfläche 176a abgelagert. So wirkt das Rohr 176 selbst als Sammelelektrode der Vorrichtung.

F i g. 3 zeigt eine Anwendung des vorstehenden Verfahrens auf das Beschichten eines flachen Gegenstandes 180. Hier umfaßt das elektrogasdynamische Gerät ein Paar dielektrischer Platten 181,182, wobei die längere der Platten 182 dazu dient, den Strom über die Oberfläche 180a zu leiten. Da weiterhin geladene Teilchen in den Raum zwischen der Oberfläche 180a und der Platte 182 geblasen werden, treibt das Raumladungsfeld einige der geladenen Partikel zu der dielektrischen Platte 182. Diese Platte erreicht bald einen Zustand der Ladungssättigung und erzeugt einen ^; elektrischen Feldgradienten senkrecht zu der Platte 182 in einer Richtung, durch die das Raumladungsfeld untersützt wird, die Partikel auf der Oberfläche 180a abzulagern.

Am Einlaß zu der elektrogasdynamischen Pistole wird ein Aerosol, wie etwa eine Mischung aus Luft und trockenem Pulver von einem gewünschten Material mit einem freie Radikale erzeugenden Gas, z. B. einem monomeren Gas vermischt. In dem Gerät 183 werden die Pulverteilchen geladen und das Monomergas wird in freie Radikale, sowohl geladene als auch ungeladene ; aufgeteilt. Die geladenen Aerosole zusammen mit den ungeladenen freien Radikalen werden stromab in den »Sammler« geleitet, der in der Vorrichtung nach F i g. 3 zwischen der dielektrischen Platte 182 und der ' Oberfläche 180a des zu beschichtenden Gegenstandes ausgebildet ist. Die ungeladenen freien Radikale und die geladenen Aerosolteilchen werden auf der Oberfläche i 180a abgelagert, wo die freien Radikale polymerisieren, um einen dünnen Schichtüberzug zu schaffen und bei .; der Verbindung der Pulverteilchen mitzuwirken. Zum \ Beispiel kann das Monomergas Äthylen und das Pulver Polyäthylen sein. Wenn die freien Äthylen-Radikale und das Polyäthylenpulver auf der Oberfläche 180a abgelagert werden, bilden sie einen dicken Film ohne die Anwendung von Wärme.

Als ein weiteres Beispiel kann ein Monomergas allein zum Oberflächenbeschichten verwendet werden. In einem solchen Falle kann ein inertes Gas, wie etwa Argon oder Neon, als Träger für die freien Radikale verwendet werden, die bei der Korona-Entladung der Pistole gebildet werden. Molekulare Ionen und die geladenen freien Radikale, die in der Korona-Entladung gebildet werden, werden nicht von dem Strom über irgendeine merkliche Strecke bewegt, da sie verhältnismäßig hohe Beweglichkeit besitzen und schnell von der Anziehungselektrode im Gerät 183 angezogen werden. Daher treten zuerst nur die ungeladenen freien Radikale in dem Sammlerbereich aus. Diese Erscheinung ist vorteilhaft, da, nachdem eine anfängliche Schicht auf der Oberfläche des Gegenstandes aufgebaut ist, geladene Teilchen, die danach abgelagert werden, die Schicht verbrennen können, indem sie durch die Schicht zu der geladenen Oberfläche des Gegenstandes entladen. Es

kann ein beliebiges aus einer Anzahl von Monomergasen, wie etwa Styrol oder Propylen verwendet werden.

Die Vorrichtung nach F i g. 4 arbeitet identisch zu den in den anderen Figuren gezeigten, um die Teilchen zu laden, die hier in zwei getrennten dünnen Durchflußkanälchen 185a, 1856 verteilt sind, die von dem Aufbau paralleler dielektrischer Platten 186, 187, 188 gebildet werden. Zu jeder Platte gehört eine Anziehungselektrode 189, die alle elektrisch miteinander verbunden werden können, um so die gleiche Spannung zu erhalten, nämlich der Spannung des Leiters 190. Die Stromquellen 191a, 191b von entgegengesetzter Polarität sind zwischen dem gemeinsamen Leiter 190 und entsprechenden Korona-Elektroden-Gruppen 192a, 1826 in den Kanälen geschaltet, um Ionisierungsfelder von entsprechenden entgegengesetzten elektrischen Ladungen zu erzeugen. Das Gas im Kanal 185a wird positiv ionisiert und die von ihm mitgeführten Teilchen werden positiv geladen, während das Gas und die Teilchen, die durch den Kanal 1850 fließen, negative Ladungen erhalten.

Am Ausgangsende der Vorrichtung sind Kanäle 185a, 1856 in solcher Art und Weise aufeinander zu gerichtet, daß der Strom durch den einen Kanal sich mit dem Strom durch den anderen Kanal vermischt. So gelangen an den Ausgängen des Kanales die positiv und negativ geladenen Teilchen nahe aneinander, wodurch sie sich gegenseitig anziehen können. Wenn beispielsweise die Teilchen in dem Strom im Kanal 185a flüssig und jene Teilchen im Kanal 1856 fest sind, werden die (negativen) festen Teilchen mit den (positiven) flüssigen Teilchen überzogen und die Ladung auf mindestens einem der anziehenden Teilchen wird bei physikalischer Verbindung neutralisiert. Das Gerät nach Fig.4 kann also in jeder beliebigen Art und Weise gemäß der Erfindung verwendet werden, um ein Laden und Kombinieren von im Gas mitgerissenen Teilchen in jedem beliebigen physikalischen Zustand, flüssig oder fest, zu bewirken. Außerdem ist die Vorrichtung weiterhin vorteilhaft zur Durchführung der Ionisierung des Gases einzusetzen, das in jedem der getrennten Durchflußkanäle fließt, wodurch Ionen des ionisierten Gases sich gegenseitig anziehen werden, bis sich eine chemische oder elektrische Verbindung ergibt. Demgemäß wird hier der Ausdruck »Teilchen« in seinem weitesten Sinne verwendet.

Das Verfahren kann auch zur Bildung eines dünnen Folienmaterials Anwendung finden, indem die Schicht von dem beschichteten Gegenstand in an sich bekannter Art und Weise abgezogen wird. Beispielsweise könnte in Fig.3 der flache Gegenstand ein Trum eines endlosen Bandes sein, so daß die Oberfläche 180a an der Teilchenaufgabe vorbeiläuft. Anschließend kann die gebildete Schicht von der Oberfläche 180a durch eine Messerschneide (nicht dargestellt) zur Folienbildung abgezogen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 909 543/3

Claims (15)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur elektrogasdynamischen Beschichtung von Gegenständen mit Benutzung einer Gasströmung begrenzten Querschnittes und einer dem Gas beigemischten schichtbildenden Substanz, wobei eingangs eines die Gasströmung führenden Kanals mit Wandungen das Gas einem durch mindestens zwei Elektroden gebildeten lonisierungsfeld ausgesetzt wird und dort eine Aufladung der Partikel der schichtbildenden Substanz erfolgt und das Gas sowie die mitgeführten geladenen Partikel bis zum Ausgang des Kanales ein hohes elektrisches Potential erhalten, dadurch gekennzeichnet, daß sie am Ausgang des Kanales in einen gegenüber dem Kanalquerschnitt erweiterten Raum und auf die Oberfläche der nachfolgend angeordneten zu beschichtenden Gegenstände gelangen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu beschichtenden Gegenstände leitend mit der Raumwand verbunden sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beschichtung der Innenoberfläche eines Rohres der Kanal im Inneren des den erweiterten Raum bildenden Rohres axial geführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal in Achsrichtung des zu beschichtenden Rohres geführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die zu beschichtenden Gegenstände ein von dem Potential des Raumladungsfeldes abweichendes Potential angelegt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 zur Beschichtung von hohlen Gegenständen aus dielektrischem Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß das Bezugspotential zwischen dem Inneren des Gegenstandes und dessen Oberfläche hergestellt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zu beschichtende Gegenstand innerhalb eines Raumes dessen Wände das Bezugspotential aufweisen, angeordnet sind.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem ionisierbaren Gas neben den geladenen Partikeln der schichtbildenden Substanz ein monomeres polymerisierbares Gas zugesetzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Gas mitgeführten geladenen Partikel vor dem Auftreffen auf die zu beschichtenden Gegenstände erhitzt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erweiterte Raum durch ein zu beschichtendes Trum eines endlosen umlaufenden Bandes begrenzt wird und der sich auf dem Band bildende zusammenhängende Überzug aus der schichtbildenden Substanz abgestreift wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1 zum Beschichten der Oberfläche eines Gegenstandes mit einer zunächst in Form eines monomeren Gases vorliegenden Beschichtungssubstanz, dadurch gekennzeichnet, daß nur der ungeladene Bestandteil der freien Radikale des monomeren Gases durch den Kanal und in den anschließenden querschnittserweiterten Raum der Oberfläche der zu beschichtenden Gegenstände zugeführt wird, während die geladenen Bestandteile der freien Radikale des monome-

ren Gases hieran durch das am Ausgang des Kanales bestehende entgegengerichtete Raumladungsfeld gehindert werden.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es mittels zweier parallel verlaufender Kanäle und zweier unterschiedlicher, in diesen Kanälen mit entgegengesetzem Potential aufgeladenen und beschleunigten Partikeln durchgeführt wird und im querschnittserweiterten Raum nach den Kanalaustritten eine Vermischung der entgegengesetzt geladenen Partikel unterschiedlicher Beschaffenheit infolge der bestehenden elektrischen Anziehungskräfte erfolgt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß den unterschiedlichen Partikeln die Ladungen durch elektrische Entladungen zwischen einer Coronaelektrode und einer Anziehungselektrode aufgeprägt werden, wobei die elektrische Polarität jeder Coronaelektrode der Polarität der Ladungen der Partikel entspricht.

14. Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren zu elektrogasdynamischen Beschichtung von Gegenständen nach den vorhergehenden Ansprüchen mit einem Kanal und Elektrodenanordnungen in diesem Kanal zur Aufladung von in einem den Kanal durchströmenden Gasstrom mitgeführten Partikeln, dadurch gekennzeichnet, daß am Eingang des Kanales mit geschlossenen Wandungen (166) zur Ausbildung eines Gasstromes begrenzten Querschnittes eine einzige Elektrodenanordnung (167, 168) zur Aufladung der in diesem Gasstrom mitgeführten Partikel vorgesehen ist, wobei der Kanal eine nichtleitende seitliche Begrenzung des Gasstromes bildet und dem Kanalausgang ein gegenüber dem Kanalquerschnitt im Querschnitt vergrößerter Raum (165) nachgeordnet ist und die Länge des Kanales zwischen den am Eingang angeordneten Elektroden (167, 168) und seinem Ausgang wenigstens um den Faktor 2,5 größer ist als der maximale Strömungsquerschnitt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß neben der Gaszuführung für das die geladenen Partikel führende Gas eine weitere Zuführung zur Einführung mindestens eines monomeren Gases vorgesehen ist.