DE19920298A1

DE19920298A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Reinigen von Materialien und/oder Oberflächen

Info

Publication number: DE19920298A1
Application number: DE1999120298
Authority: DE
Inventors: Ernst Wandke; Robert Adler
Original assignee: Linde Technische Gase GmbH
Current assignee: Linde Gas AG
Priority date: 1999-05-03
Filing date: 1999-05-03
Publication date: 2000-11-09

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zum Reinigen von Materialien und/oder Oberflächen. Erfindungsgemäß erfolgt zunächst eine Kohlendioxidgranulatbestrahlung des zu reinigenden Materials und/oder der zu reinigenden Oberfläche. Der Kohlendioxidgranulatbestrahlung nachgeschaltet erfolgt eine Behandlung des zu reinigenden Materials und/oder der zu reinigenden Oberfläche in einem Niederdruckplasma. DOLLAR A Vorzugsweise wird der gesamte Reinigungsprozeß oder zumindest die Behandlung des zu reinigenden Materials und/oder der zu reinigenden Oberfläche mit einem Niederdruckplasma in wenigstens einem Reaktor durchgeführt. DOLLAR A Zweckmäßigerweise werden für die Kohlendioxidgranulatbestrahlung Kohlendioxidpellets verwendet. Diese treffen mit einer Aufprallgeschwindigkeit zwischen 100 und 300 m/s, insbesondere zwischen 150 und 250 m/s, auf das zu reinigende Material und/oder die zu reinigende Oberfläche auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reinigen von Materialien und/oder Oberflächen.

Für die Reinigung von Materialien und Oberflächen von Substraten sind zahlreiche Verfahren bekannt. Beispielsweise Verfahren, bei denen ein wäßriges Medium mit entsprechenden Zusätzen als Ersatz von FCKW oder FKW verwendet wird. Nachteilig hierbei ist, daß einerseits die wäßrigen Lösungen eine aufwendige Spül- und Trocknungstechnologie erforderlich machen und andererseits dann auf dem zu reinigenden Material Verunreinigungen zurückbleiben, wenn das letzte Spülmedium nicht absolut schmutz- und salzfrei ist. Derartige Verunreinigungen setzen die Haftfestigkeit nachfolgender Beschichtungen und Lackierungen herab, behindern die Aufkohlung und verschlechtern zudem den visuellen Eindruck, insbesondere bei polierten Flächen.

Auch die Behandlung von Materialien und Substraten im Niederdruckplasma mit speziellen Gaszusammensetzungen ist seit längerem bekannt; siehe beispielsweise die DE-OS 42 28 551. Vorteilhaft bei der Behandlung von Materialien und Substraten im Niederdruckplasma ist, daß die Materialoberfläche nicht nur durch die zielgerichtete Behandlung im Plasma mit einer speziellen Gaszusammensetzung (nach)behandelt, sondern darüber hinaus - sofern gewünscht - veredelt werden kann. Mittels einer derartigen Veredelung können die Schichtbildung, die Oberflächenoxidation, die Benetzung und/oder die Haftfestigkeit verbessert werden.

Bei neueren Reinigungsverfahren wird das zu reinigende Material und/oder die zu reinigende Oberfläche mit einem verflüssigten und/oder überkritischen Gas bzw. Gasgemisch gereinigt und einer daran anschließenden Behandlung in einem Niederdruckplasma zugeführt. Überraschenderweise zeigte sich, daß die Reinigung mit verflüssigten und/oder überkritischen Gasen als Reinigungsmittel in idealer Weise mit einer Nachbehandlung im Niederdruckplasma kombinierbar ist. Mit diesem Verfahren können bei entsprechender Löslichkeit der Haftkomponenten in den flüssigen oder überkritischen Gasen auch unlösliche (Feststoff-)Verunreinigungen entfernt werden.

Flüssige oder überkritische Gase besitzen ein sehr hohes Lösevermögen für organi sche Substanzen. Beim Reinigungsprozeß fallen daher letztlich die Feststoffpartikel, wie beispielsweise Späne, von der zu reinigenden Werkstückoberfläche ab, nachdem die als "Haftvermittler" wirkende organische Substanz durch das Reinigungsmittel gelöst wurde.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß die vorgenannten Verfahren bei velgleichsweise komplizierten Materialien und Oberflächen, insbesondere bei hochglanzpolierten und/oder dünnwandigen Materialien und Oberflächen, wie beispielsweise Metall spiegel, Blechblasinstrumente, etc., keine befriedigenden Ergebnisse erreichen lassen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vor richtung der eingangs genannten Art anzugeben, das bzw. die eine fleckenfreie Reini gung empfindlicher Materialien und Oberflächen, insbesondere von hochglanzpolierten und/oder dünnwandigen Materialien und Oberflächen, ermöglicht. Des weiteren sollen das Verfahren sowie die Vorrichtung material- und umweltschonend sein.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß zunächst eine Kohlendioxidgranulatbestrahlung des zu reinigenden Materials und/oder der zu reinigenden Oberfläche und der Kohlendioxidgranulatbestrahlung nachgeschaltet eine Behandlung des zu reinigenden Materials und/oder der zu reinigenden Oberfläche in einem Niederdruckplasma erfolgt.

Eine erste Alternative der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Reaktor umfaßt, der Mittel zum Erzeugen einer Kohlendioxidgranulat bestrahlung und/oder Mittel zum Erzeugen eines Niederdruckplasmas aufweist.

Eine zweite Alternative der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeich net, daß die Vorrichtung wenigstens zwei Reaktoren umfaßt, wobei wenigstens einer der Reaktoren Mittel zum Erzeugen einer Kohlendioxidgranulat-bestrahlung und wenig stens einer der anderen Reaktoren Mittel zum Erzeugen eines Niederdruckplasmas aufweist.

Gemäß der Erfindung wird das zu reinigende Material bzw. die zu reinigende Ober fläche zwei Behandlungsschritten - nämlich einer Kohlendioxidgranulatbestrahlung und einem Niederdruckplasma, das der Nach- bzw. Feinreinigung dient, - unterworfen; die Behandlungsschritte laufen hintereinander ab.

Das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafter Weise weiterbildend wird vorge schlagen, daß für die Kohlendioxidgranulatbestrahlung Kohlendioxidpellets verwendet werden.

Hierbei hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn die Kohlendioxidpellets mit einer Aufprallgeschwindigkeit zwischen 100 und 300 m/s, insbesondere zwischen 150 und 250 m/s, auf das zu reinigende Material und/oder die zu reinigende Ober fläche auftreffen.

Vorzugsweise sollten die Kohlendioxidpellets eine kantige Form und/oder einen maximalen Pelletdurchmesser von 1,5 mm, insbesondere von 1,0 mm, aufweisen.

Mittels einer derartigen Granulatbestrahlung mit Kohlendioxidpellets wird erreicht, daß insbesondere die anorganischen Bestandteile - auch aus kompliziert geformten Bereichen der zu reinigenden Oberflächen bzw. Substrate - "abgeschabt" werden. Darüber hinaus wird eine beim Polieren im Regelfall unvermeidliche Konzentration von Fetten, insbesondere Polierfetten, auf der zu reinigenden Oberfläche bzw. dem zu reinigenden Substrat verringert.

Die für das erfindungsgemäße Verfahren gewünschten Kohlendioxidpellets mit kantiger Form können beispielsweise dadurch hergestellt werden, indem Trockeneis mittels einer entsprechenden Vorrichtung zerkleinert wird. Selbstverständlich sind auch herkömmliche Pelletiermaschinen verwendbar. Die erzeugten Kohlendioxidpellets werden beispielsweise mittels Druckluft - ggf. über das Injektorprinzip - beschleunigt und in dem gewünschten Winkel auf die zu reinigende Oberfläche geführt.

Hierbei ist darauf zu achten, daß die Lufttemperatur und die Pelletkonzentration - Kälte- bzw. Wärmeenergie - so aufeinander abgestimmt werden, daß eine Konden sation der Luftfeuchtigkeit auf den polierten bzw. gereinigten Oberflächen bzw. Substraten vermieden wird.

Als Prozeßgase für die Behandlung im Niederdruckplasma können grundsätzlich alle für diesen Zweck bekannten Gase verwendet werden. Vorzugsweise eignen sich hierzu Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Argon, Helium, Methan, Tetrafluormethan, Luft und Gemische der vorgenannten Gase, insbesondere sowohl oxidierend als auch reduzierend wirkende Gasgemische. Die Prozeßgase können ferner halogenierte Kohlenwasserstoffe wie beispielsweise CF₄, HCF₃ oder H₂C₂F₄ und/oder Halogen schwefelverbindungen wie SF₆ enthalten. Bevorzugt werden sowohl oxidierend als auch reduzierend wirkende Gasgemische eingesetzt, wie sie beispielsweise von der Anmelderin unter der Bezeichnung PURIGON® vertrieben werden.

Durch Verwendung eines sowohl oxidierend als auch reduzierend wirkenden Prozeß gases kann gewährleistet werden, daß sowohl die organischen als auch die anorgani schen Restverunreinigungen bzw. vorhandene Oxidschichten nahezu vollständig beseitigt werden.

Wie bereits erwähnt, sind für die erfindungsgemäße Vorrichtung prinzipiell zwei Alternativen - nämlich ein Reaktor oder wenigstens zwei Reaktoren - denkbar. Welche der beiden Alternativen gewählt wird, hängt insbesondere von der Empfindlichkeit des Werkstückmateriales gegen Sauerstoff, von dem gewünschten Durchsatz und den örtlichen Gegebenheiten ab. In der Regel wird die 2-Reaktor-Fahrweise bevorzugt werden. Der 1. Reaktor, in dem die Kohlendioxidgranulatbestrahlung durchgeführt wird, kann in diesem Falle eine Kabine sein und muß nicht als (vakuum)isolierter Apparat ausgebildet sein.

Eine Ausgestaltung der ersten Alternative ist dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor lediglich einen Behandlungsraum, dem die Mittel zum Erzeugen einer Kohlendioxidgra nulatbestrahlung und eines Niederdruckplasmas zugeordnet sind, aufweist. Alternativ hierzu können jedoch auch wenigstens zwei Behandlungsräume innerhalb eines Reaktors vorgesehen werden, wobei wenigstens einem der Behandlungsräume die Mittel zum Erzeugen einer Kohlendioxidgranulatbestrahlung und wenigstens einem der anderen Behandlungsräume die Mittel zum Erzeugen eines Niederdruckplasmas zugeordnet sind.

Bezüglich der zweiten Alternative - also zwei oder mehrere Reaktoren, wobei wenig stens einer der Reaktoren Mittel zum Erzeugen einer Kohlendioxidgranulatbestrahlung und wenigstens einer der anderen Reaktoren Mittel zum Erzeugen eines Niederdruck plasmas aufweist - ist es von Vorteil, wenn die Reaktoren über Verbindungseinrich tungen, in denen das zu reinigende Material und/oder die zu reinigenden Substrate ohne Atmosphärenkontakt zwischen den Reaktoren transportierbar sind, miteinander verbunden oder verbindbar sind.

Diese Ausgestaltung ermöglicht es, daß das zu reinigende Substrat zwischen den Reaktoren ohne Atmosphärenkontakt und damit ohne Gefahr einer erneuten Verschmutzung transportiert werden kann.

Die erfindungsgemäße Kombination aus einer Kohlendioxidgranulatbestrahlung und einem Niederdruckplasma, das der Nach- bzw. Feinreinigung dient, ermöglicht eine fleckenfreie Reinigung empfindlichster Oberflächen bzw. Substrate. Aufgrund der Verwendung von Kohlendioxidpellets für die Granulatbestrahlung wird jegliche Umweltbelastung vermieden. Der apparative Aufwand ist hierbei als vergleichsweise gering anzusehen.

Claims

1. Verfahren zum Reinigen von Materialien und/oder Oberflächen, dadurch gekenn zeichnet, daß zunächst eine Kohlendioxidgranulatbestrahlung des zu reinigenden Materials und/oder der zu reinigenden Oberfläche und der Kohlendioxidgranulat bestrahlung nachgeschaltet eine Behandlung des zu reinigenden Materials und/oder der zu reinigenden Oberfläche in einem Niederdruckplasma erfolgt.

2. Verfahren zum Reinigen von Materialien und/oder Oberflächen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Reinigung oder zumindest die Behandlung des zu reinigenden Materials und/oder der zu reinigenden Oberfläche mit einem Niederdruckplasma in wenigstens einem Reaktor erfolgt.

3. Verfahren zum Reinigen von Materialien und/oder Oberflächen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Kohlendioxidgranulatbestrahlung Kohlendioxidpellets verwendet werden.

4. Verfahren zum Reinigen von Materialien und/oder Oberflächen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlendioxidpellets mit einer Aufprallgeschwin digkeit zwischen 100 und 300 m/s, insbesondere zwischen 150 und 250 m/s, auf das zu reinigende Material und/oder die zu reinigende Oberfläche auftreffen.

5. Verfahren zum Reinigen von Materialien und/oder Oberflächen nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlendioxidpellets eine kantige Form und/oder einen maximalen Pelletdurchmesser von 1,5 mm, insbesondere von 1,0 mm, aufweisen.

6. Verfahren zum Reinigen von Materialien und/oder Oberflächen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Prozeßgase für die Behandlung im Niederdruckplasma Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Argon, Helium, Methan, Tetrafluormethan, Luft und Gemische der vorgenannten Gase, insbesondere sowohl oxidierend als auch reduzierend wirkende Gasgemische, eingesetzt werden, wobei die Prozeßgase ferner halogenierte Kohlenwasserstoffe und/oder Halogenschwefelverbindungen wie Schwefelhexafluorid enthalten können.

7. Verfahren zum Reinigen von Materialien und/oder Oberflächen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Teilbehandlung im Niederdruckplasma bei einem Druck zwischen 0,1 und 200 mbar, insbesondere 0,5 und 50 mbar, erfolgt.

8. Vorrichtung zum Reinigen von Materialien und/oder Oberflächen, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen Reaktor umfaßt, der Mittel zum Erzeugen einer Kohlendioxidgranulatbestrahlung und/oder Mittel zum Erzeugen eines Niederdruckplasmas aufweist.

9. Vorrichtung zum Reinigen von Materialien und/oder Oberflächen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor lediglich einen Behandlungsraum, dem die Mittel zum Erzeugen einer Kohlendioxidgranulatbestrahlung und eines Niederdruckplasmas zugeordnet sind, aufweist.

10. Vorrichtung zum Reinigen von Materialien und/oder Oberflächen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor wenigstens zwei Behandlungsräume aufweist, wobei wenigstens einem der Behandlungsräume die Mittel zum Erzeugen einer Kohlendioxidgranulatbestrahlung und wenigstens einem der anderen Behandlungsräume die Mittel zum Erzeugen eines Niederdruckplasmas zugeordnet sind.

11. Vorrichtung zum Reinigen von Materialien und/oder Oberflächen, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung wenigstens zwei Reaktoren umfaßt, wobei wenigstens einer der Reaktoren Mittel zum Erzeugen einer Kohlendioxidgranulat bestrahlung und wenigstens einer der anderen Reaktoren Mittel zum Erzeugen eines Niederdruckplasmas aufweist.

12. Vorrichtung zum Reinigen von Materialien und/oder Oberflächen nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktoren über Verbindungseinrichtungen, in denen das zu reinigende Material und/oder die zu reinigenden Substrate ohne Atmosphärenkontakt zwischen den Reaktoren transportierbar sind, miteinander verbunden oder verbindbar sind.