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Verfahren zur herstellung fluorierter oberflaechen von polymeren
DE3511743A1
Germany
- Other languages
English - Inventor
Rolf van 4100 Duisburg Bonn Manfred Dr. Eschwey - Current Assignee
- Air Liquide Deutschland GmbH
Worldwide applications
Application DE19853511743 events
1985-03-30
1986-03-01
1986-03-01
1986-03-13
1986-10-09
1988-09-08
Application granted
1988-09-08
Status
Granted
Description
translated from
1 Ö.März 1985
-3.
MESSER GRIESHEIM GMBH MG 1506
Kennwort: KKB-Fluorierung EM 1181
Erfinder: Dr.M.Eschwey Ordner: D
R.van Bonn
Verfahren zur Herstellung fluorierter Oberflächen von Polymeren
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung fluorierter Oberflächen von Polymeren nach dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
Im Automobilbau geht man zunehmend dazu über, die Kraftstoffbehälter
aus Polymeren, insbesondere Polyethylen, herzustellen. Diese Kraftstoffbehälter aus Kunststoff
sind leichter und billiger als die herkömmlichen aus Stahlblech. Außerdem können sie ohne Schwierigkeiten
TO kompliziert gestaltet werden, so daß der vorhandene
Raum besser ausgenutzt und das Behältervolumen vergrößert werden kann.
Kraftstoffbehälter aus Kunststoff sind jedoch für Kraftstoff
nicht völlig dicht, da ständig geringe Kraftstoff-
MG 1506 19.März 1985
— Ύ~ —
mengen durch Permeation nach außen entweichen. In jüngerer Zeit wird verlangt, die Permeationsrate erheblich
zu verkleinern. Dies kann man mit gutem Erfolg erreichen, indem man die innere Oberfläche der Behälter einige Zeit
der Einwirkung eines fluorhaltigen Behandlungsgases aussetzt. Die Oberfläche wird hierbei durch Fluor in Form
von Fluorkohlenstoff- und Fluorkohlenwasserstoffverbindungen
belegt. Diese fluorhaltige Schicht setzt die Permeationsrate erheblich herab. Wenn man das fluorhaltige
Behandlungsgas zugleich als Blasmedium bei der Blasextruda· tion der Kraftstoffbehälter verwendet, spricht man von der
sogenannten In-line-Fluorierung. Führt man dagegen die
Fluorierung an fertig extrudierten Kraftstoffbehältern durch, spricht man von der Off-line-Fluorierung. Der-
T5 artige Verfahren sind beispielsweise bekannt aus den
DE-PS 24 01 948 und DE-PS 26 44 508.
Die Fluorierung der Oberflächen von Kunststoffen beeinflußt
jedoch nicht nur im hohen Maße das Permeationsverhalten, sondern es wird auch die Abriebfestigkeit, die
chemische, thermische und mechanische Beständigkeit, das Klebeverhalten und die Benetzbarkeit beeinflußt. Aus
diesem Grunde ist die Erfindung nicht auf die Fluorierung der inneren Oberfläche von Kunststoff-Kraftstoffbehältern
beschränkt. Bei der Fluorierung wird die Polymeroberfläche einem Angriff von elementarem Fluor ausgestzt. Im
einfachsten Fall, z.B. bei Polyethylen, kommt es dabei zu einer stufenweise radikalischen Substitution der
CH-Bindungen durch CF-Bindungen.
Wie umfangreiche eigene Untersuchungen ergeben haben, resultieren je nach den Reaktionsbedingungen stark unterschiedlich
strukturierte fluorierte Schichten. Zur Erzielung bestimmter günstiger und eindeutig reproduzier-
MG 150β -·Ζ~- 19.März 1985
-ε-
barer Oberflächeneffekte für das obengenannte Materialverhalten
ist die genaue Einhaltung bestimmter Strukturparameter einer solchen fluorierten Oberfläche von erheblicher
Bedeutung. Hierbei handelt es sich in erster Linie um Schichtdicke, Gleichmäßigkeit der Fluorbelegung, Verteilung
von CH2-, CHF- und CF2-Gruppen und das Tiefenprofil.
Außerdem muß die unterschiedliche Oberflächenreaktivität vieler Kunststoffe, die gelegentlich schon von Charge zu
Charge schwankt, berücksichtigt werden. Für das Entstehen definierter fluorierter Schichten ist somit die Einhaltung
und Wahl bestimmter Reaktionsbedingungen unerläßlich. Bisher steht hierfür jedoch kein geeignetes Verfahren
zur Verfügung, man begnügt sich vielmehr mit empirischen Erfahrungswerten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, welches es ermöglicht, den Grad der
Fluorbelegung im laufenden Fertigungsprozeß zu bestimmen.
Ausgehend von dem im Oberbegriff des Anspruches 1 berücksichtigten
Stand der Technik ist diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruches
1 angegebenen Merkmalen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren erforderliche
quantitative Bestimmung des freigesetzten Sauerstoffs ist Stand der Technik und kann nach bewährten Methoden
mit hoher Präzision durchgeführt werden. Die kontinuierliche Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
in der Regel zweckmäßig, jedoch nicht immer erforderlich. Bei der Fertigung von Kunststoff-Kraftstoffbehältern läßt
es sich mit besonderem Vorteil bei der Off-line-Fluorierung
MG 1506 'S- 19.März 1985
Λ-
einsetzen. Bei der In-line-Fluorierung kann es jedoch
auch durchgeführt werden/ da hierbei das fluorhaltige Blasmedium ebenfalls in definierter Menge für jeden
Kraftstoffbehälter eingesetzt wird.
Bei der dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrundeliegenden Reaktion Al2O3 + 3F2—■>
2AlF3 + 3/2 O2 wird pro Mol Fluor 1/2 Mol Sauerstoff freigesetzt. Der Sauerstoff
wird quantitativ mit Hilfe eines kommerziellen Sauerstoffmeßgerätes bestimmt. Über die Abnahme der Fluorkonzentration
im Prozeßgas läßt sich somit leicht der Grad der Fluorbelegung im laufenden Fertigungsprozeß bestimmen.
Bei Erreichen eines bestimmten Fluorumsatzes wird die Reaktion durch Spülen des Reaktionsraumes mit Inertgas
oder durch Evakuieren abgebrochen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Ausbildung streng reproduzierbarer
Fluorschichten. Auf die teilweise sehr aufwendigen direkten und indirekten nachträglichen Prüfverfahren
kann weitgehend verzichtet werden.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert werden.
Es zeigen:
Fig.1 ein Schema des erfindungsgemäßen
Verfahrens bei der Off-line-Fluorierung von einzelnen Kraftstoffbehältern,
Fig.2 das Verfahrensprinzip bei der
gleichzeitigen Off-line- Fluorierung mehrerer Kraftstoffbehälter.
Bei dem in Fig.1 dargestellten Verfahren befindet sich
MG 1506 -sr- 19.März 1985
-7-
der Kunststoff-Kraftstoffbehälter 1 in einem evakuierbaren
Druckbehälter 2, welcher mittels einer elektrischen Heizung 3 auf einer Temperatur zwischen 20 und 80° C gehalten
werden kann.
Zur Durchführung der Fluorierung wird zunächst der Druckbehälter 2 mittels der Saugpumpe 4 über das Ventil 5 und
die Saugleitung 6 evakuiert. Bei geöffnetem Ventil 7 wird hierbei gleichzeitig der Kunststoff-Kraftstoffbehälter
über Leitung 8 und Adsorber 9 evakuiert. Nach dem Schließen der Ventile 5 und 7 läßt man durch Leitung 10 und
Ventil 11 das fluorhaltige Behandlungsgas in den Kunststoff-Kraftstoffbehälter
1 einströmen. Hierdurch wird eine sehr gleichmäßige Verteilung des Fluors auf der
gesamten inneren Oberfläche erreicht. Gleichzeitig läßt man durch Leitung 12 und Ventil 13 Stickstoff in den
Druckbehälter 2 einströmen. Die Ventile 14,15 und 16 sind hierbei geschlossen. Der Druck im Druckbehälter 2
kann hierbei abweichend vom Druck im Kunststoff-Kraftstoffbehälter
1 eingestellt werden. Der Fluorgehalt des Behandlungsgases beträgt in der Regel 3 bis 10 Vol.-%.
Der Druck im Kunststoff-Kraftstoffbehälter 1 beträgt in aller Regel zwischen 100 und 900 mbar. Die Behandlungszeit liegt gewöhnlich zwischen 1 und 15 Min.
Zur Analyse des Restfluorgehaltes wird gemäß der Erfindung ein kleiner Teil des im Kunststoff-Kraftstoffbehälter
1 befindlichen Behandlungsgases ständig über das Ventil 16 und den Aluminiumoxidkontakt 17 geleitet.
Die übrigen Ventile sind hierbei geschlossen. Hierbei findet im Aluminiumoxidkontakt 17 die Umsetzung
Al2O3 + 3F2 >
2AlF3 + 3/2 O2 statt. Pro Mol Fluor wird
ein halbes Mol Sauerstoff freigesetzt. Die quantitative Bestimmung des gebildeten Sauerstoffs erfolgt mit dem
Sauerstoffmeßgerät 18. Der Zylinder 19 dient zur Gas-
MG 1506 - ff- 19.März 1985
probennahme für eine erweiterte Analytik, z.B. zur Bestimmung des HF-Gehaltes. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen
Verfahrens gelingt es somit, über die Messung des Fluorverbrauchs die Oberflächenbelegung des Kunststoff-Kraftstoffbehälters
1 mit Fluor während des Prozesses zu verfolgen und zu steuern.
Ist der gewünschte Umsetzungsgrad erreicht, werden der Kunststoff-Kraftstoffbehälter 1 und der Druckbehälter 2
bei geöffneten Ventilen 5 und 7 evakuiert. Das im Kunststoff-Kraftstoffbehälter
1 befindliche Gasgemisch wird dabei im Adsorber 9 entsorgt, welcher das nicht umgesetzte
Fluor und das Reaktionsprodukt Fluorwasserstoff festhält. Anschließend wird der Kunststoff-Kraftstoffbehälter
1 über Leitung 12 und Ventil 14 mit Stickstoff gespült und anschließend leer gepumpt. Danach lassen sich im
Kunststoff-Kraftstoffbehälter 1 keine Fluorwasserstoffspuren mehr nachweisen. Nach Belüftung der gesamten
Apparatur kann der permeationsgeschützte Kunststoff-Kraftstoffbehälter
1 entnommen werden.
Fig.2 zeigt die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
bei der gleichzeitigen Fluorierung mehrerer Kunststoff-Kraftstoffbehälter
20, welche sich in einem entsprechend großen Druckbehälter 21 befinden. Der Pfeil
deutet an, daß der Druckbehälter 21 vom Deckel 23 zur Be- und Entladung mit Kunststoff-Kraftstoffbehältern 20
weggefahren werden kann.
Nach-dem der Druckbehälter 21 durch den Deckel 23 geschlossen
ist, werden die erwärmten Kunststoff-Kraftstoffbehälter
20 bei geöffneten Ventilen 25 und 26 mittels der Saugpumpe 24 evakuiert. Sobald das gewünschte
Endvakuum erreicht ist, läßt man das fluorhaltige Behandlungsgas, ein Gemisch aus Fluor und Stickstoff,
MG τ506 - rf " 19.März 1985
Λ*
über das Ventil 28 in die Kunststoff-Kraftstoffbehälter
20 strömen. Gleichzeitig läßt man durch das Ventil 29 Stickstoff in den Druckbehälter 21 einströmen, um dort
einen gewünschten Druck zu erhalten. Nach Ablauf der Behandlungzeit werden der Druckbehälter 21 und die
Kunststoff-Kraftstoffbehälter 20 über die Ventile 25 und 26 mittels der Saugpumpe 24 evakuiert. Unverbrauchtes
Fluor und das Reaktionsprodukt Fluorwasserstoff wird hierbei am Adsorber 27 festgehalten. Anschließend werden
die Kunststoff-Kraftstoffbehälter 20 über Ventil 30 mit Stickstoff gespült und leergepumpt. Nach dem Belüften
der Apparatur können die permeationsgeschützten Kunststoff-Kraftstoffbehälter 20 entnommen werden.
Gemäß der Erfindung wird während der Behandlungszeit wiederum ständig eine kleine Menge Behandlungsgas über
Ventil 31 abgezogen und im Aluminiumoxidkontakt 32 zur Reaktion gebracht. Der hierbei entstehende Sauerstoff
wird durch das Sauerstoffmeßgerät 33 gemessen, der Zylinder 34 dient wiederum zur Gasprobennahme für eine
erweiterte Analytik.
Ba/Hi
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Claims (4)
Hide Dependent
translated from
Claims (4)
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1. Verfahren zur Herstellung fluorierter Oberflächen von
Polymeren/ bei dem die Oberflächen einige Zeit zwecks Bildung von Fluorkohlenstoff- und Fluorkohlenwasserstoff
verbindungen der Einwirkung eines fluorhaltigen Behandlungsgases von definierter Menge ausgesetzt werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein kleiner Teil des Behandlungsgases während der Einwirkungszeit abgezogen und über einen aktivierten
Aluminiumoxidkontakt (17,32) zwecks Durchführung der Reaktion
Al2O3 + 3F2-^ 2AlF3 + 3/2 O2
geleitet wird, um über die quantitative Bestimmung des freigesetzten Sauerstoffs die Fluorkonzentration
im Restgas und damit den Grad der Fluorbelegung der Oberfläche festzustellen.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Leiten des abgezogenen Behandlungsgases über den Aluminiumoxidkontakt und die Bestimmung des freigesetzten
Sauerstoffes kontinuierlich erfolgen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß es sich bei den Oberflächen um die Innenoberflächen
von Kunststoff-Kraftstoffbehältern (1,20) aus Polyethylen handelt und die Menge des Behandlungsgases
durch das Volumen des Kraftstoffbehälters definiert ist,
MG 1506 - 2 - 19.März 1984
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß es bei der Off-line-Fluorierung von fertig extrudierten
Kraftstoffbehältern durchgeführt wird.
Ba/Hi EM 1181