DE3414245C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur dichten Belegung
von Festkörperoberflächen mit feinen Flüssigkeitströpfchen
und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Bei der Oberflächenbehandlung beliebig geformter Festkörper,
insbesondere zum Zwecke einer chemischen oder physikalischen
Modifikation oder zum Färben, Drucken, Beschichten und dergleichen
ist es wünschenswert, eine möglichst einlagige,
homogene Belegung der Oberfläche mit feinsten Flüssigkeitströpfchen
mit weniger als ca. 10 µm Durchmesser zu erzielen.
Es ist bekannt, daß durch Ultraschall feiner Flüssigkeitsnebel
mit Tropfen im unteren µm-Bereich erzeugt werden kann.
Dieser Nebel läßt sich im allgemeinen nicht effektiv auf
Oberflächen abscheiden, sondern wird von der bewegten Trägerluft
abgeführt. Mit anderen Zerstäubungsverfahren lassen
sich nur größere Tropfen, zum Beispiel von 50 bis 150 µm
Durchmesser erzeugen, die aber infolge der Gravitation und
der hohen Eigengeschwindigkeit schwer homogen auf gekrümmten
Flächen, insbesondere Rohren oder Hohlgefäßen, abgeschieden
werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Methode zu
entwickeln, mit der sich feine Tröpfchen möglichst in Form
einer Monolayer auf beliebig geformte Flächen aus beliebigen
Materialien aufbringen lassen.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß durch
Ultraschallvernebelung Tröpfchen erzeugt, elektrisch aufgeladen
und elektrostatisch auf die Oberfläche niedergeschlagen
werden. Weitere Ausgestaltungen des Verfahrens und Vorrichtungen
zur Durchführung dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
Es ist allgemein bekannt, daß niederviskose Flüssigkeiten
im intensiven Ultraschall-Sprudel, der sich infolge des
Schall-Strahlungsdrucks in der Flüssigkeitsoberfläche
vor einem nach oben abstrahlenden Ultraschall-Dickenschwinger
ausbildet, in feinste Tröpfchen zerstäubt
werden können. Diese Sprudel-Zerstäubung ist am effektivsten
bei Frequenzen zwischen 0,5 und 5 MHz und wird u. A. zur
Aerosoltherapie und in der Meßtechnik eingesetzt. Durch
Ultraschall-Kapillarwellen- oder auch Düsenzerstäubung
werden ebenfalls Tröpfchen erzeugt, die vergleichsweise
größere Durchmesser besitzen.
Der häufigte Tropfendurchmesser d h hängt von der Ultraschallfrequenz
f sowie die Dichte ρ und der Oberflächenspannung
σ der zu zerstäubenden Flüssigkeit ab:
Zerstäubt man zum Beispiel Wasser bei f = 1,75 MHz, dann
ist der häufigste Tropfendurchmesser d h ≅ 3 µm. Typische
Durchsätze handelsüblicher Ultraschall-Sprudelzerstäuber
liegen zwischen 2 und 10 ml/min bei Leistungen zwischen
15 und 50 Watt.
Die Sedimentationsgeschwindigkeit von 3 µm Tröpfchen ist
relativ gering, so daß sich Ultraschallnebel in einfacher
Weise durch kurze Rohrleitungen transportieren lassen. Es
ist dagegen schwierig, feiner Ultraschallnebel effektiv,
schnell und gleichmäßig als dünne Schichten auf ebenen
oder gekrümmten Flächen, insbesondere auf Innenflächen von
Hohlkörpern und Rohren abzuscheiden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine vollständige
und gleichmäßige Beschichtung von ebenen Flächen oder auch
Hohlkörpern und Rohren mit nach bekannten Methoden erzeugten
Ultraschallnebeln und nutzt dabei eine elektrostatische Aufladung
mittels Hochspannungs-Koronaentladung und eine beschleunigte
Abscheidung in einem elektrischen Feld aus.
Die Kleinheit der Ultraschall-Nebeltröpfchen und ihre geringe
Eigengeschwindigkeit bieten in Kombination mit der
hohen Abscheidegeschwindigkeit auch elektrostatischen
Kräften beträchtliche Vorteile gegenüber alternativen Verfahren
zur Beschichtung.
Ultraschallnebel können durch Luftströmungen sehr nahe an
die zu beschichtenden Wände herangeführt und dann bei relativ
hohen Feldstärken effektiv abgeschieden werden. Zur einlagigen
Beschichtung von Flächen mit Ultraschall-Aerosolen,
das heißt, Tröpfchen mit ca. 3 µm Durchmesser, ohne Berücksichtigung
der Filmbildung durch Benetzung benötigt man
beispielsweise nur 0,2 ml/cm², während bei typischen Düsennebeln
mit 30 µm Tropfendurchmesser die 10fache Menge erforderlich
wäre.
Die Erfindung wird anhand der schematischen Zeichnung näher
erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine Anordnung zur Erzeugung von Ultraschallnebel
und anschließende elektrische Aufladung und Abscheidung,
Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform der Auflade- und
Abscheide-Einrichtung und
Fig. 3 eine weitere Möglichkeit zur Beschichtung der
Innenwände eines rohrförmigen Gebildes.
Der Aerosolgenerator 1 besteht in diesem Fall aus einem mit
der zu zerstäubenden Flüssigkeit teilweise gefüllten Gefäß,
an dessen Boden ein oder mehrere, von einem Generator 2 gespeiste
Ultraschallwandler mit einer Arbeitsfrequenz von 1
bis 5 MHz gekoppelt sind.
Die abgestrahlte Schall-Leistung, das heißt, der Schallstrahlungsdruck,
dieser Schallwandler führt zu einer
Ausbildung von sogenannten Schallsprudeln oder Geysiren,
in deren intensivem Schallfeld unter zusätzlicher Verstärkerwirkung
schwingender Gasbläschen die Flüssigkeit
zu feinen Tröpfchen zerstäubt wird. Bei 1,75 MHz liegt
das Maximum der Durchmesser-Häufigkeitsverteilung, zum
Beispiel bei etwa 3 µm. Der gebildete Nebel wird durch
einen Luftstrom aus dem Aerosolgenerator 1 ausgeblasen.
Der Luftstrom kann von einem Druckreservoir oder Gebläse 3
geliefert und über einen Impulsgenerator 4 und ein Magnetventil
5 in beliebigem Rhythmus unterbrochen werden. Durch
ein Rotameter 6 wird der Luftstrom gemessen und auf die
optimale Aerosolkonzentration eingestellt.
Nach dem Verlassen der Aerosolgenerators 1 durch einen
"Kamin" 7 wird der Flüssigkeitsnebel im zweiten Rohrabschnitt,
das heißt, in der Ladestrecke 8 durch Koronaentladung
vorzugsweise negativ aufgeladen. Die Ladungsträger -
in der Regel Elektronen - werden durch Spitzenentladung
an einer koaxial in die Ladestrecke 8 hineinragenden Elektrode
erzeugt. Die erforderliche Feldstärke wird von einem Hochspannungsgenerator
9 (20-50 kV) geliefert.
Bei der Spitzenentladung wird die Umgebungsluft durch die
von der negativen Elektrode austretenden Elektronen ionisiert.
Positive Gasionen werden von der Spitze abgesaugt, während
die Primär- und Sekundärelektronen von vorbeistreichendem
Aerosolstrom eingefangen und mitgenommen werden.
Die geladenen Aerosoltröpfchen werden am metallisierten Ende
10 der Rohrstrecke 11 - in der sogenannten Abscheidestrecke -
in dem zu behandelnden Material, hier zum Beispiel ein Kunststoffbehälter
12, abgeschieden. Dabei befindet sich der Behälter
12 zwischen zwei konzentrisch angeordneten Elektroden,
von denen die innere, auf negativen Potential liegende Elektrode
10 von einem separaten Generator 13 oder vom Generator 9
gespeist wird und die äußere, becherförmige Elektrode 14
auf Massenpotential liegt. In Abhängigkeit von der Form des
zu behandelnden Körpers kann die Form der Masseelektrode
variieren. Die negative geladenen Aerosol-Tröpfchen treten
am Ende der Rohrstrecke 11 aus, passieren den Spalt zwischen
Rohrende 10 und Behälterwand 12 und werden dort in dem durch
die Becherwand hindurchgreifenden elektrischen Feld abgeschieden.
Die vom Generator 13 gelieferte Spannung wird
optimal auf die abzuscheidende Aerosolmenge, die elektrische
Tröpfchenladung und gewünschte Abscheidezeit abgestimmt.
Beim Abscheiden der Tröpfchen auf der isolierenden Behälterwand
baut sich eine Flächenladung auf, die das durch die
Wand hindurchgreifende elektrische Feld mehr und mehr abschirmt.
Dadurch wird eine gleichmäßige, im Bedarfsfalle
sogar einlagige Beschichtung mit Tröpfchen erzielt.
In Abweichung von der oben beschriebenen Ausführungsform
ist es zweckmäßig, die Spitzenentladung erst unmittelbar
am Austrittsende der Abscheidestrecke 10, 14, 12 stattfinden
zu lassen. In dieser in Fig. 2 dargestellten Variante
ragt die zur Aerosolaufladung dienende Elektrode 15 direkt
in den, von einem auf Massenpotential liegende Elektrode
16 umschlossenen Kunststoffbehälter 17 hinein, auf dessen
Innenwände die Tröpfchenabscheidung erfolgen soll. Die
Elektrode 15 zusammen mit der Hilfselektrode 18 dient demzufolge
gleichzeitig zur Aufladung und zur Abscheidung der
geladenen Nebeltröpfchen 19. Die Spitzenelektrode 15 wird
über eine Isolierung 20 zum Hochspannungsgerät 21 geführt.
Werden elektrisch leitfähige Materialien beschichtet, so
kann die Masseelektrode 16 entfallen. An deren Stelle wird
der zu beschichtende Formkörper selber auf Erdportential
gelegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch zur Innenbeschichtung
von rohrförmigen Endlosgebilden, wie es in
Fig. 3 dargestellt ist, anwenden. Bei Beschichtung solcher
Materialien ist es zweckmäßig, einen Kapillarwellen-Zerstäuber
22 zu verwenden, der mit einer axialen Bohrung 23
zur Flüssigkeitszuführung versehen ist. Die Zerstäuberanordnung
wird auf Erdpotential gelegt und in das rohrförmige
Gebilde 24 geführt, wo die Vernebelung stattfindet. Aufgrund
der Größe des Tröpfchendurchmessers findet eine ungleichmäßige
Beschichtung statt, weil die untere Wandung des rohrförmigen
Gebildes durch den Einfluß der Schwerkraft bevorzugt mit
Flüssigkeit belegt wird. Um den Gravitation entgegenzuwirken,
wird eine nach unten offene Ringelektrode 25 außen um das
Gebilde angebracht, wodurch die Tröpfchen 26 bei der Zerstäubung
ausgeladen oder polarisiert und in Richtung der
von der Ringelektrode bedeckten Wandung gelenkt werden.
Claims (16)
1. Verfahren zur dichten Belegung von Festkörperoberflächen
mit feinen Flüssigkeitströpfchen, dadurch gekennzeichnet,
das durch Ultraschallvernebelung Tröpfchen erzeugt, diese
elektrisch aufgeladen und elektrostatisch auf die Oberfläche
niedergeschlagen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
Tröpfchen mit einem Durchmesser von weniger als 10 µm, erzeugt
werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Tröpfchen zwischen 2 und 4 µm erzeugt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Tröpfchen durch Luftströmung nahe an die zu beschichtende
Oberfläche geführt und dort elektrisch aufgeladen
werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Tröpfchen durch Koraonentladung aufgeladen
werden.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Tröpfchen durch Koronaentladung negativ aufgeladen werden.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der
Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ultraschallzerstäuber
(1) vorgesehen ist und der von diesem erzeugte
Flüssigkeitsnebel einer Auflade- und Abscheidestrecke
(8, 10,14, 15, 16, 18, 25) zuführbar ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in
der Abscheidestrekce (10, 14, 16, 18, 25) die zu beschichtende
Oberfläche oder eine diese umfassende Elektrode
(14, 16) auf Erdpotential liegt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,
daß als Ultraschallzerstäuber ein Sprudelzerstäuber eingesetzt
ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Aufladestrecke (8, 15) unmittelbar
vor der Abscheidestrecke (16, 18) angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Aufladestrecke (8, 15) als Koronaentladungsstrecke
ausgebildet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Aufladestrecke eine Spitzenelektrode (15) enthält, die
nahe and die zu beschichtende Oberfläche (17) geführt ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß in der Abscheidestrecke eine Hilfselektrode
(18) vorgesehen ist, die mit der auf Erdpotential
liegenden Oberfläche (17) oder der diese umfassenden Masseelektrode
(14, 16) ein elektrisches Feld bildet.
14. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
der endseitige Teil der Rohrstrekce (11) für Tröpfchenzuleitung
als Hilfselektrode (10, 18) ausgebildet und koaxial
zur Masseelektrode (14, 16) angeordnet ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
als Ultraschallzerstäuber ein Kappillarwellenzerstäuber (22)
eingesetzt ist, der zur Flüssigkeitszuführung mit einer
axialen Bohrung (23) versehen und geerdet ist und eine
weitere Elektrode (25) vorgesehen ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Innenbeschichtung von rohrförmigen Gebilden die
Elektrode (25) als offene Ringelelektrode ausgebildet ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19843414245 DE3414245A1 (de) | 1984-04-14 | 1984-04-14 | Verfahren und vorrichtung zur dichten belegung von festkoerperoberflaechen mit feinen fluessigkeitstroepfchen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19843414245 DE3414245A1 (de) | 1984-04-14 | 1984-04-14 | Verfahren und vorrichtung zur dichten belegung von festkoerperoberflaechen mit feinen fluessigkeitstroepfchen |
Publications (2)
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DE3414245A1 DE3414245A1 (de) | 1985-10-17 |
DE3414245C2 true DE3414245C2 (de) | 1989-04-20 |
Family
ID=6233666
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19843414245 Granted DE3414245A1 (de) | 1984-04-14 | 1984-04-14 | Verfahren und vorrichtung zur dichten belegung von festkoerperoberflaechen mit feinen fluessigkeitstroepfchen |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE3414245A1 (de) |
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