DE19706690C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Oberflächenmodifizierung von für Beschichtungs- bzw. Dichtungsmassen verwendbaren Kunststoffpulverteilchen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Oberflächenmo­ difizierung von für Beschichtungs- bzw. Dichtungsmassen verwend­ baren Kunststoffpulverteilchen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie hat auch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zum Gegenstand.

Ein derartiges Verfahren bzw. eine derartige Vorrichtung sind aus DE 43 25 377 C1 bekannt. Dabei ist in der Niederdruckkammer eine Drehtrommel vorgesehen, die das zu behandelnde Kunststoff­ pulver aufnimmt. In der Drehtrommel ist stationär eine Stab­ elektrode zur Plasmaerzeugung angeordnet, wobei die aus Metall bestehende Trommel die Gegenelektrode bildet. Für die stationäre Stabelektrode sind elektrisch isolierende Durchführungen in der Stirnwand der Drehtrommel notwendig, ferner Durchführungen für die Gaszufuhrleitungen. Die bekannte Vorrichtung weist damit einen ziemlich komplizierten Aufbau auf.

Auch weist das mit einer solchen Stabelektrode erzeugte Plasma nur einen relativ geringen Ionisierungsgrad auf. Zwar ist es aus DE 41 41 805 A1 bekannt, an der Niederdruckkammer außen ein Magnetron, also eine Mikrowellenquelle mit einem mikrowellen­ durchlässigen Fenster anzuordnen, über das die Mikrowelle in die Kammer und damit in die Drehtrommel eingespeist wird. Damit kann zwar ein wesentlich höherer Ionisierungsgrad erreicht wer­ den, jedoch muß die Drehtrommel ihrerseits aus einem mikrowel­ lendurchlässigen Material, beispielsweise Quarzglas, bestehen. Diese Vorrichung ist daher für eine großtechnische Anlage viel zu kostspielig.

Erhebliche Probleme treten bei den bekannten Vorrichtungen je­ doch vor allem dadurch auf, daß, wenn das Kunststoffpulver in die Drehtrommel gegeben worden ist, die sehr feinen Kunststoff­ teilchen in der Drehtrommel beim Evakuieren der Niederdruckkam­ mer mit dem Abgasstrom mitgerissen werden und sich in den Lagern der Drehtrommel, den Zuführungen, Ventilen und dgl. festsetzen. Die bekannten Vorrichtungen besitzen daher eine sehr kurze Standzeit und erfordern einen entsprechend hohen War­ tungsaufwand. Zudem wird durch das abgesaugte Kunststoffpulver die Ausbeute wesentlich verringert. Darüber hinaus bedarf es Filter und dgl. Einrichtungen, um zumindest einen Teil des aus der Drehtrommel gesaugten Kunststoffpulvers wieder aufzufangen.

Zwar kann dem Absaugen der Kunststoffpulverteilchen mit dem Abgasstrom dadurch entgegengetreten werden, daß die Niederdruckkammer sehr langsam evakuiert wird. Dadurch wird jedoch die Prozeßdauer derart verlängert, daß ein großtechnisches Verfahren nicht mehr durchführbar ist.

Das nach einem solchen Verfahren modifizierte Kunststoffpulver wird für Beschichtungs- und Dichtungsmassen verwendet, bei denen die Kunststoffpul­ verteilchen in einer flüssigen Phase dispergiert sind. Durch die Plasmabehandlung wird die Oberfläche der Kunststoffpulverteilchen der­ art modifiziert, daß sie eine entsprechende Dispergierbarkeit in der flüssigen Phase erhalten.

Da die spezifische Oberfläche mit abnehmender Teilchengröße zu­ nimmt, sollen die Kunststoffpulverteilchen eine möglichst geringe Teil­ chengröße besitzen. So wird beispielsweise für ein Beschich­ tungs- und Dichtungsmaterial für den Unterbodenschutz von Kraft­ fahrzeugen ein mikronisches Kunststoffpulver mit einer Teilchen­ größe von 1 bis 10 µm verlangt. Das geschilderte Problem der be­ kannten Vorrichtungen mit einer Drehtrommel durch die Feinheit des Kunststoffpulvers beim Evakuieren der Niederdruckkammer läßt sich mit einem derart feinen Kunststoffpulver schon gar nicht mehr meistern.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem auch sehr feine Kunststoffpulverteilchen in einem Plasma mit einem hohen Durchsatz intensiv und mit hoher Ausbeute unter Verwendung einer einfach aufgebauten Vorrichtung mit hoher Standzeit an ihrer Oberfläche modifiziert werden können.

Dies wird erfindungsgemäß mit dem in Anspruch 1 gekennzeichneten Verfahren erreicht. In den Ansprüchen 2 bis 6 sind vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben. Im Anspruch 7 ist eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gekennzeichnet, welche durch die Ansprüche 8 bis 13 in vorteilhafter Weise weiter ausgebildet wird.

Bei der vorliegenden Erfindung wird also zur Bewegung der Kunststoffpul­ verteilchen ausschließlich die Gravitation genutzt, wodurch in einfacher Weise ein Kontakt der einzelnen Kunststoffpulverteilchen mit dem Plasma ermöglicht wird. Da die Fallcharakteristik von Kunststoffpul­ vern im Vakuum der in der Atmosphäre gleich ist eine ausrei­ chende lange Kontaktzeit gewährleistet.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst die Nieder­ druckkammer zusammen mit dem Vorratsbehälter evakuiert. Dann wird Prozeßgas zugeführt, wobei ein vorgegebener Unterdruck eingestellt wird. Anschließend wird das Plasma erzeugt. Dann läßt man das Kunststoffpulver von einer Zuführung im oberen Bereich der Niederdruckkammer im freien Fall nach unten rieseln, wo es in einem Behälter aufgefangen wird. Damit befindet sich in der Niederdruckkammer kein Kunststoffpulver, wenn diese evakuiert wird. Ein Absaugen von Kunststoffpulverteilchen mit dem Abgasstrom beim Evakuieren ist so verhindert und damit eine hohe Ausbeute gewährleistet.

Während des Prozesses wird das verbrauchte Prozeßgas ständig ab­ gesaugt, um den vorgegebenen Unterdruck zu halten. Der hierdurch bedingte Gasstrom ist sehr schwach, so daß bei geeigneter Kam­ mergröße kein Absaugen von Kunststoffpulver während dieser Phase erfolgt.

Durch konstruktive Maßnahmen, wie den Anschluß der Pumpleitung an den oberen Bereich der Niederdruckkammer mit einem hinrei­ chenden Abstand von der Kunststoffpulverzufuhreinrichtung wird dies zu­ sätzlich verhindert.

Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens besteht im wesentlichen aus einer Niederdruckkammer, die über wenigstens eine Pumpleitung mit einer Vakuumpumpe verbunden ist und in die wenigstens eine Gaszufuhrleitung führt. Um die Niederdruckkammer sind Magnetrone, also Mikrowellenquellen angeordnet, wobei in der Kammerwand mikrwowellendurchläßige Fenster zum Einspeisen der Mikrowelle in die Niederdruckkammer vorgesehen sind. Daneben sind die Zufuhreinrichtung für das Pulver im oberen Bereich der Niederdruckkammer sowie der Behäl­ ter im unteren Bereich der Niederdruckkammer vorgesehen, der das herabrieselnde Kunststoffpulver aufnimmt. Es können zwei oder mehrere Magnetrone in gleicher Höhe oder in unterschiedlichen Höhen am Umfang der Kammer angeordnet sein.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist also relativ einfach auf­ gebaut, insbesondere ohne mechanisch bewegte Teile. Dadurch wird eine hohe Standzeit ermöglicht.

Beim Herabfallen werden die Kunststoffpulverteilchen weitgehend verein­ zelt. Damit ist praktisch ihre gesamte Oberfläche dem Plasma ausgesetzt. Da die Kunststoffpulverteilchen beispielsweise durch elektro­ statische Anziehungskräfte aneinander haften können, werden sie vorzugsweise vor dem Herabrieseln getrennt, beispielsweise indem sie durch ein Sieb vereinzelt werden.

Die Intensität der Plasmabehandlung der Kunststoffpulverteilchen kann durch die Höhe der Niederdruckkammer, also der Fallstrecke ge­ regelt werden, ferner durch die Zahl und Leistung der Magnetro­ ne, die um die Wand der Niederdruckkammer angeordnet sind. Die Fallstrecke kann in sehr weiten Grenzen schwanken, beispiels­ weise zwischen 20 cm und 5 m und mehr.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können beliebige für Be­ schichtungs- bzw. Dichtungsmassen verwendbare Kunststoffpulvermaterialien an ihrer Oberfläche modifiziert werden. Vorzugsweise werden je­ doch Kunststoffpulver behandelt, die keine polaren Gruppen aufweisen, insbesondere Polyethylen- oder Polypropylenpulver. Das Polyethylen kann dabei LDPE, LLDPE oder HDPE sein.

Bisher wurde als Beschichtungs- und Dichtungsmaterial für den Unterbodenschutz von Automobilen vor allem PVC-Plastisol einge­ setzt. Aus Umweltschutzgründen soll jedoch in Zukunft das PVC durch andere Kunststoffe, insbesondere Polyethylen ersetzt wer­ den. Polyethylen ist jedoch nicht polar und damit in flüssiger, insbesondere wässriger Phase schlecht benetz- bzw. dispergier­ bar. Diese Dispergierbarkeit kann den Polyethylen nun durch die Oberflächenmodifizierung im Niederdruckplasma nach dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren verliehen werden.

Dazu kann ein Edelgasplasma, beispielsweise Argon, verwendet werden, das zu einer Aktivierung der Oberfläche der Kunststoff­ teilchen führt oder ein reaktives Gas bzw. Gasgemisch, wie Sau­ erstoff, Stickstoff, Ammoniak, Distickstoffmonoxid, Kohlendi­ oxid, Schwefeldioxid, Schwefeltrioxid, Aceton usw., um polare Gruppen an der Oberfläche der Kunststoffteilchen zu bilden bzw. auf diese aufzupfropfen. Auch ist es möglich, die Kunststoff­ teilchen vor dem Aufpfropfen erst in einem Edelgasplasma zu ak­ tivieren.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können extrem kleine Kunststoffteilchen an ihrer Oberfläche modifiziert werden. Bei­ spielsweise kann die Teilchengröße 0,1 bis 1000 µm betragen. Vorzugsweise werden erfindungsgemäß jedoch Kunststoffteilchen mit einer Teilchengröße von weniger als 100 µm behandelt. So werden für das Beschichtungs- und Dichtungsmaterial für den Un­ terbodenschutz von Automobilen vorzugsweise Polyethylen-Pulver, insbesondere LDPE-Pulver mit einer Teilchengröße von weniger als 20, insbesondere weniger als 10 µm eingesetzt.

Bei der Plasmaerzeugung durch Mikrowellen wird im allgemeinen ein optimaler Ionisierungsgrad bei einem Druck von 0,1 bis 10 Millibar, insbesondere 1 bis 2 Millibar erreicht. Ein derart niedriger Druck läßt sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ohne weiteres ein­ stellen und aufrecht erhalten.

Da Kunststoffteilchen, insbesondere aus thermoplastischen Kunststoffen, wie Polyethylen, einen relativ niedrigen Erwei­ chungsgrad besitzen können, muß die thermische Belastung durch das Plasma deutlich unter dem Erweichungspunkt des Kunststoffs gehalten werden. Dies wird durch ein nicht thermisches Nieder­ druckplasma mit Teilchentemperaturen der reaktiven Teilchen im Bereich von 40°C bis 80°C, insbesondere etwa 60°C gewährlei­ stet.

Als Mikrowellenquellen werden vorzugsweise Magnetrone mit einer Standardfrequenz von 2,45 GHz verwendet.

Wie erwähnt, wird während der Plasmabehandlung der durch die Niederdruckkammer rieselnden Kunststoffteilchen kontinuierlich Prozeßgas zugeführt, beispielsweise in einer Menge von 1 cm³ bis 1 oder mehr Liter pro Minute. Das verbrauchte Prozeßgas wird über die an den oberen Bereich der Niederdruckkammer ange­ schlossene Pumpleitung mit gleicher Geschwindigkeit abgesaugt, so daß der vorgegebene Druck in der Niederdruckkammer, der vor­ zugsweise zwischen 0,1 und 10 Millibar liegt, aufrecht erhalten bleibt.

Während die Pumpleitung in den oberen Bereich der Niederdruck­ kammer oberhalb der Mikrowellenquellen mündet, mündet die Gas­ zuleitung bzw. Gaszuleitungen unterhalb der Mikrowellenquellen in die Niederdruckkammer. Damit ist das in der Niederdruckkam­ mer langsam nach oben steigende Prozeßgas der vollen Ionisie­ rungsleistung der um die Niederdruckkammer angeordneten Mikro­ wellenquellen ausgesetzt und kann im Gegenstromprinzip zur Kunststoffpulverbewegung optimal mit der Oberfläche der Kunststoffpulverteilchen rea­ gieren.

Das Kunststoffpulver wird der Niederdruckkkammer von einem Kunststoffpulvervorlage­ behälter zugeführt, der oberhalb der Niederdruckkammer angeord­ net ist. Der Kunststoffpulvervorlagebehälter ist entweder direkt oder beispielsweise über die Niederdruckkammer oder die Pumpleitung indirekt mit der Vakuumpumpe verbunden.

Der Kunststoffpulvervorlagebehälter kann damit evakuiert und auf den gleichen Druck eingestellt werden, wie die Niederdruckkammer. Die direkte oder indirekte Verbindung des Kunststoffpulvervorlagebehäl­ ters mit der Vakuumpumpe ist so ausgebildet, daß er so langsam evakuiert werden kann, daß kein nennenswerter Anteil des Kunststoffpul­ vers mit abgesaugt wird. Auch weist der Kunststoffpulvervorlagebehälter gegenüber der Niederdruckkammer ein viel kleineres Volumen auf, so daß er selbst bei einer geringen Sauggeschwindigkeit hinrei­ chend schnell evakuierbar ist.

In der Verbindungsleitung von dem Kunststoffpulvervorlagebehälter zu der Vakuumpumpe kann zudem ein Filter vorgesehen sein. Bei der er­ findungsgemäßen Vorrichtung wird also allenfalls etwas unbehan­ deltes Kunststoffpulver abgesaugt, bevor es in die Niederdruckkammer ein­ tritt, jedoch kein bereits modifiziertes Kunststoffpulver. Bezogen auf das der Niederdruckkammer zugeführte Kunststoffpulver, ist damit eine ho­ he Ausbeute gewährleistet.

Zwischen dem Kunststoffpulvervorlagebehälter und der Niederdruckkammer ist eine Dosiereinrichtung vorgesehen, mit der zugleich der Kunststoffpulvervorlagebehälter von der Niederdruckkammer getrennt werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann chargenweise oder kontinu­ ierlich durchgeführt werden. Zum kontinuierlichen Betrieb sind vorzugsweise mindestens zwei Kunststoffpulvervorlagebehälter und minde­ stens zwei Aufnahmebehälter für das modifizierte Kunststoffpulver vorge­ sehen. Sowohl die beiden Kunststoffpulvervorlagebehälter wie die beiden Aufnahmebehälter sind dabei jeweils in einer Behälterkammer vorgesehen, die von der Niederdruckkammer getrennt werden kann. Das heißt, jede der beiden Behälterkammern für die beiden Kunststoffpul­ vervorlagebehälter und jede der beiden Behälterkammern für die beiden Aufnahmebehälter ist jeweils getrennt von der anderen Behälterkammer und der Niederdruckkammer evakuier- und belüft­ bar. Auf diese Weise kann während des Betriebs der Vorrichtung einer der beiden Vorlagebehälter neu beschickt und einer der beiden Aufnahmebehälter entnommen werden, während vom anderen Vorlagebehälter Kunststoffpulver in die Niederdruckkammer rieselt, wel­ ches mit dem anderen Aufnahmebehälter aufgenommen wird.

Nachstehend ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vor­ richtung anhand der Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur eine schematische Darstellung der Vorrichtung zeigt.

Danach ist in einem Niederdruckbehälter 1 eine Niederdruckkam­ mer 2 vorgesehen, in der ein Plasma erzeugt wird. Dazu sind am Umfang des Niederdruckbehälters 1 an gegenüberliegenden Seiten zwei Magnetrone 3 angeordnet, die mit einem mikrowellendurchläs­ sigen Fenster 4, beispielsweise aus Quarzglas oder Keramik, versehen sind, durch die die Mikrowellenstrahlung in die Nie­ derdruckkammer 2 eingespeist wird.

Auf dem Niederdruckbehälter 1 ist eine Kunststoffpulverzufuhreinrichtung 6 mit einem Kunststoffpulvervorlagebehälter 5 vorgesehen. Zwischen dem Kunststoffpulvervorlagebehälter 5 und der Niederdruckkammer 2 weist die Kunststoffpulverzufuhreinrichtung 6 eine Dosiereinrichtung 7 auf. Mit der Kunststoffpulverzufuhreinrichtung 6 wird das Kunststoffpulver etwa der Mitte, also im Bereich der Längsachse der Niederdruckkammer 2 zugeführt.

Im unteren Bereich der Niederdruckkammer 2 ist ein Kunststoffpulverauf­ nahmebehälter 8 vorgesehen. Eine Pumpleitung 9 ist im Abstand von der Kunststoffpulverzufuhreinrichtung 6 an den oberen Bereich der Niederdruckkammer 2 oberhalb der Magnetrone 3 angeschlossen. Zwei Gaszufuhrleitungen 10 erstrecken sich von gegenüberliegen­ den Seiten unterhalb der Magnetrone 3 in die Kammer 2 hinein bis zu einem Bereich, in dem das Kunststoffpulver von der Kunststoffpulverzufuhr­ einrichtung 6 im freien Fall zu dem Aufnahmebehälter 8 rie­ selt. An dem Kunststoffpulvervorlagebehälter 5 ist eine Leitung 11 ange­ schlossen, über die der Kunststoffpulvervorlagebehälter 5 evakuierbar ist.

Zum Betrieb der Vorrichtung wird die Niederdruckkammer 2 über die Pumpleitung 9 mit der nicht dargestellten Vakuumpumpe auf den gewünschten Druckbereich von beispielsweise 1 bis 2 Milli­ bar evakuiert. Zugleich wird der mit dem zu behandelndem Kunststoffpulver beschickte Vorlagebehälter 5 über die Leitung 11 evakuiert. Alsdann wird über die Gaszufuhrleitungen 10 das gewünschte Gas in der gewünschten Menge eingespeist. Um den erwähnten Unter­ druck von beispielsweise 1 bis 2 Millibar zu halten und den nö­ tigen Gasaustausch in der Niederdruckkammer 2 zu gewährleisten, wird während des gesamten Prozesses über die Pumpleitung 9 kon­ tinuierlich Gas abgepumpt.

Alsdann wird mit Hilfe der Magnetrone 3 ein nicht thermisches Niederdruckplasma in der Niederdruckkammer 2 gezündet.

Nach Betätigung der Dosiereinrichtung 7 rieselt die gewünschte Kunststoffpulvermenge pro Zeiteinheit aus dem Vorlagebehälter 5 durch das Plasma in der Niederdruckkammer 2 nach unten in den Aufnahmebe­ hälter 8, wodurch die Kunststoffpulverteilchen an der Oberfläche modifi­ ziert werden.

Claims (13)

1. Verfahren zur Oberflächenmodifizierung von für Beschichtungs- bzw. Dichtungsmassen verwendbare Kunststoffpulverteilchen, bei dem in einer evakuier­ baren Niederdruckkammer ein das Kunststoffpulver bearbeitendes Plasma erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffpulver der evakuierten Niederdruckkammer im oberen Bereich zugeführt und im freien Fall durch das Plasma rieseln gelassen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das nach unten rieselnde Kunststoffpulver in einem Behälter im unteren Bereich der Nieder­ druckkammer aufgefangen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Kunststoffpulver vor dem Rieseln zumindest teilweise in einzelne Teilchen vereinzelt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Kunststoffpulver eine Teilchengröße von 0,1 bis 100 µm aufweist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß in der Niederdruckkammer zur Plasmabildung ein Druck von 0,1 bis 10 Millibar einge­ stellt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Niederdruckplasma mit Mikrowellen erzeugt wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine über eine Pumplei­ tung (9) evakuierbare Niederdruckkammer (2) wenigstens eine Gaszufuhrleitung (10) aufweist, mehrere über mikrowellendurchlässige Fenster (4) Mikrowellen in die Niederdruckkammer (2) einspeisende Mikrowellenquellen (3) um die Nieder­ druckkammer (2) angeordnet sind, im oberen Bereich eine Zufuhreinrichtung (6) angebracht ist, von der das Kunststoffpulver im freien Fall durch das Plasma in der Nieder­ duckkammer (2) nach unten rieselt und eine das Kunststoffpulver sammelnde Aufnahme­ einrichtung (8) existiert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpleitung (9) im Abstand von der Kunststoffpulverzufuhr­ einrichtung (6) an dem oberen Bereich der Niederdruck­ kammer (2) angeschlossen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszufuhrleitung (10) unterhalb der Mikrowel­ lenquellen (3) in die Niederdruckkammer (2) mündet.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffpulverzufuhreinrichtung (6) mit einem Kunststoffpulvervorlagebehälter (5) versehen ist, der über eine Leitung (11) mit der Vakuumpumpe evakuierbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffpulverzufuhreinrichtung (7) zwischen dem Kunststoffpul­ vervorlagebehälter (5) und der Niederdruckkammer (2) eine Dosiereinrichtung (7) aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosiereinrichtung (7) mit einem Sieb zum Ver­ einzeln der Kunststoffpulverteilchen versehen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffpulverzufuhreinrichtung und die Kunststoffpulveraufnahme­ einrichtung jeweils wenigstens zwei Vorlagebehälter bzw. Kunststoffpulveraufnahmebehälter in jeweils einer separat evakuier- und belüftbaren Behälterkammer aufweisen.