DE3619694A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung funktioneller atomgruppierungen in makromolekularen stoffen - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur erzeugung funktioneller atomgruppierungen in makromolekularen stoffenInfo
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Description
Makromolekulare Stoffe natürlicher oder synthetischer
Herkunft, wie Wolle, Seide, Polyäthylen, Polypropylen etc.,
setzen vielfach einer dauerhaften Färbung oder Beschich
tung ihrer Oberfläche erhebliche Widerstände entgegen.
Ursache dieses Phänomens ist durchweg das Vorhandensein
aliphatischer, hydrophober, unpolarer Atomgruppierungen,
die, wie es von den Paraffinen her bekannt ist, in den
meisten Fällen eine nur sehr gering ausgeprägte Neigung
zeigen, mit Farbstoffen etc. eine chemische oder adsorp
tive Bindung einzugehen.
Zur Lösung dieses Problems werden vielfach die Oberflächen
makromolekularer Stoffe mit Reaktionsvermittlern be
handelt oder anderweitig chemisch oder physikalisch ge
ätzt, was beispielsweise mit Hilfe metallischen Natriums
oder durch Funkenerosion geschehen kann.
In manchen Fällen kommt auch Ozon zur Anwendung, wodurch
sich vermutlich vorwiegend Hydroxylgruppen in der Ober
fläche bilden, die zur Salzbildung oder zur Ausbildung von
Wasserstoff-Brückenbindungen befähigt sind.
Trotz einiger Fortschritte steckt die zur Zeit praktizierte
Technik aber noch weitgehend in den Anfängen und kann kei
neswegs den Anspruch erheben, die Probleme auch nur an
näherungsweise gelöst zu haben.
Die vorliegende Erfindung geht von der Aufgabe aus, in der
Oberfläche makromolekularer Stoffe dauerhaft funktionelle
Atomgruppierungen zu erzeugen, die zur Verbindungsbildung
bzw. zur Ausbildung adsorptiver Bindungen in der Lage sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Er
zeugung funktioneller Atomgruppierungen in der Oberfläche
makromolekularer Stoffe erfindungsgemäß vorgeschlagen, ein
makromolekulares Substrat mit seiner gesamten oder einem
Teil seiner Oberfläche für eine definierte Zeitspanne in
einem in einer definierten Gasatmosphäre erzeugten Nieder
temperaturplasma bei gleichzeitiger oder vorhergehender Be
strahlung mit UV-Licht bestimmter Wellenlänge einer kon
trollierten Einwirkung der Elektronenemission und der in
dem Plasma gebildeten Reaktionsprodukte auszusetzen.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird erreicht, daß die
in dem Niedertemperaturplasma durch Elektronenbeschuß
sich bildenden Reaktionsprodukte des Prozeßgases, die
atomar oder in Form von Radikalen vorliegen können, mit
sensibilisierten Atomen oder Atomgruppierungen der Ober
fläche des makromolekularen Substrats reagieren und funk
tionelle Gruppen bilden, die als Hydroxyl-, Carboxyl-,
Amino-, Sulfonsäure-, Nitrogruppen usw. vorliegen und mit
geeigneten Komponenten Verbindungen bilden bzw. Reaktionen
eingehen können.
Zur Durchführung des Verfahrens wird erfindungsgemäß vorge
schlagen, daß eine der Form des makromolekularen Substrats
angepaßte, vorzugsweise netzförmige oder als Lochplatte aus
geführte Hochspannungselektrode in definiertem Abstand von
dem Substrat angeordnet wird, wobei gleichzeitig durch die
Aussparungen der Hochspannungselektrode UV - Licht bestimm
ter Wellenlänge auf das Substrat einwirkt und dieses auf
einer ebenfalls seiner Form angepaßten, vorzugsweise flächen
haften Niederspannungselektrode aufliegt oder darüber hin
weg geführt wird.
Die Niederspannungselektrode ist vorzugsweise als Hohl
körper ausgebildet und kann mit einem Wärmeträger beauf
schlagt werden.
Durch die Ausbildung eines definierten Abstandes zwischen
der Hochspannungselektrode und dem makromolekularen Sub
strat entsteht ein Gasentladungsraum, durch den ein Pro
zeßgas geführt wird, das in dem Niedertemperaturplasma
Reaktionsprodukte bildet, die durch Wechselwirkung mit
der Oberfläche des makromolekularen Substrats in die durch
die UV-Bestrahlung aktivierten Atomgruppierungen als funktio
nelle Gruppen eingebaut werden.
Als Prozeßgase können beispielsweise Luft, Sauerstoff,
Stickstoff, Ammoniak, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Halo
gene, Schwefeloxide, Stickstoffoxide und andere gas- oder
dampfförmige anorganisch- und organisch-chemische Verbin
dungen sowie Elemente dienen, wobei selbstverständlich auch
geeignete Gemische Verwendung finden können.
Zur Einhaltung der gewünschten Spaltbreite des Gasentladungs
raums und der Entfernung zwischen Substrat und UV-Strahlern
wird an geeigneter Stelle eine Vorrichtung zur Abstandsre
gelung angeordnet, die vorzugsweise aus einem Düsensystem
besteht, das mit Hilfe eines Gasstrahles eine kontinuier
liche Messung und mit Hilfe einer Stellvorrichtung eine kon
tinuierliche Nachführung der Spaltbreite erlaubt.
Das aus dem Düsensystem austretenden Meßgas dient vorzugs
weise gleichzeitig als Prozeßgas.
Um zu gewährleisten, daß das aus dem Düsensystem aus
tretende Prozeßgas den gesamten Gasentladungsraum gleich
mäßig durchströmt und nicht vorzeitig austritt, werden
an den problematischen Stellen geeignete Dicht- bzw.
Leitvorrichtungen angebracht.
Am Ausgang des Gasentladungsraums strömt das Prozeßgas
infolge Überdrucks entweder vonselbst aus oder wird abge
saugt. Dabei wird durch eine geeignete Verschlußvorrich
tung verhindert, daß anstelle des Prozeßgases Umgebungs
luft angesaugt wird oder Prozeßgas in die Atmosphäre ge
langt.
Das aus dem Gasentladungsraum austretende Prozeßgas wird
im Kreislauf geführt, der Verbrauch gemessen und vor dem
erneuten Eintritt in den Gasentladungsraum eine entspre
chende Menge Frischgas zugesetzt.
Zur Durchführung einer optimalen Reaktion und Ausbildung
eines homogenen Niedertemperaturplasmas wird das Prozeßgas
vor dem Eintritt in den Gasentladungsraum konditioniert,
wobei der Staubgehalt und die Feuchtigkeit bestimmte vor
gegebene Werte annehmen.
Die bei differierenden Arbeitsgeschwindigkeiten unterschied
lichen Verweilzeiten des beispielsweise in Form von Folien,
Platten oder Formkörpern vorliegenden makromolekularen Sub
strats können durch auf die gewünschte Geschwindigkeit ein
gestellte Länge des Entladungsraums, die Leistungsabgabe
der UV-Strahler, die angelegte Hochspannung, die Anzahl
der Hochspannungselektroden, die Frequenz, die Gasgeschwin
digkeit im Entladungsspalt, die Konzentration der sich bil
denden Reaktionsprodukte usw. kompensiert werden.
Weiterhin ist vorgesehen, daß der Entladungsraum in mehrere
Abteilungen untergliedert sein kann bzw. mehrere Entladungs
räume hintereinander geschaltet sein können.
Wiederholte Behandlungen mit möglicherweise unterschied
lichen Prozeßgasen sind in dem erfindungsgemäßen Verfahren
inbegriffen.
Die Hochspannungselektrode ist vorzugsweise als Netz
oder Gitterlektrode ausgebildet oder kann in Form eines
gelochten Bleches vorliegen. Sie kann als einteilige Elek
trode konstruiert sein, dh. die gesamte Entladungsfläche
der Elektrode besteht aus einem zusammenhängenden Netz
oder Gitter, oder kann aus einer Vielzahl von Einzelelek
troden zusammengesetzt sein.
Die Hochspannungselektrode kann erfindungsgemäß an eine
einzige Hochspannungsquelle angeschlossen sein, oder die
Einzelelektroden werden einzeln oder in Gruppen zusammen
gefaßt mit verschiedenen Hochspannungsquellen verbunden.
Dabei wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Ein
zelelektroden selbst oder die in Gruppen zusammengefaßten
Einzelelektroden mit unterschiedlicher bzw. abgestufter
Leistung beaufschlagt werden.
Ebenso können sie mit unterschiedlichen Frequenzen betrie
ben werden.
Die die Hochspannungselektroden versorgenden Hochspannungs
quellen sind vorzugsweise für Frequenzen geeignet, die in
den Bereich zwischen 50 Hz und 10 MHz fallen.
Die in diesem Bereich von der oder den Hochspannungsquellen
übertragenen Spannungsformen sind erfindungsgemäß vorzugs
weise unipolare Impulse, deren Flankensteilheit im Bereich
von 0,5 bis 1,0 kV pro Nanosekunde liegen kann.
Der gemischte Betrieb mehrerer Hochspannungsquellen mit
unipolaren Impulsen und sinusförmiger oder rechteckför
miger Wechselspannung ist vorgesehen.
Die von der oder den Hochspannungsquellen übertragenen
Spannungen können zwischen 0 und 100 kV stufenlos vari
iert werden.
Die vorzugsweise als Hohlkörper ausgebildete Nieder
spannungselektrode, die mit einem Wärmeträger beaufschlagt
werden kann, ist mit einem Dielektrikum versehen, das vor
zugsweise aus Email besteht, dessen Dielektrizitätskonstante
zwischen ε= 4 und ε= 400 variieren kann.
Geschichtete Dielektrika und Dielektrizitätskonstanten
kleiner als ε= 4 und größer als ε= 400 sind im Be
darfsfall möglich.
Die Spaltbreite des Gasentladungsraums liegt vorzugsweise
in einem Bereich zwischen 0,5 und 2,0 mm.
Die Spaltbreite kann in Abhängigkeit von der Spannung und
der Frequenz auf einen dem makromolekularen Substrat ange
paßten optimalen Wert eingestellt werden, wobei generell
mit höherer Spannung und höherer Frequenz die Spaltbreite
zunehmen kann.
Der Druck des Prozeßgases im Gasentladungsraum liegt vor
zugsweise bei Atmosphärendruck. Das erfindungsgemäße Ver
fahren kann jedoch in Abhängigkeit von dem zu behandelnden
Substrat und der durchzuführenden Reaktion mit Vakuum oder
Überdruck arbeiten.
Die vorzugsweise in bestimmtem Abstand von der Hochspan
nungselektrode angeordneten UV-Strahler emittieren Licht,
dessen Wellenlänge vorzugsweise in einem Spektralbereich
zwischen 50 und 320 Nanometern liegt. In Abhängigkeit von
dem zu behandelnden Substrat können UV-Strahler be
nutzt werden die überwiegend Licht einer ganz bestimmten
Wellenlänge z. B. 254 nm, emittieren.
Die Leistung der UV - Strahler kann den jeweiligen Er
fordernissen stufenlos angepaßt werden.
Zugleich können bei wechselnden Arbeitsgeschwindigkeiten
zusätzliche UV - Strahler zu- oder abgeschaltet werden.
Anstelle konventioneller UV - Strahler können auch Laser
benutzt werden, die UV - Licht geeigneter Wellenlänge
emittieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren und eine zu seiner Durch
führung geeignete Vorrichtung ist in Abbildung 1 als Bei
spiel dargestellt:
Das Substrat 1 gelangt in die mit Dichtvorrichtungen 2
versehene Behandlungsvorrichtung 3, in der die Hochspan
nungselektroden 4 und die UV - Strahler 5 mit Hilfe des
mit einem Faltenbalg 6 gegen aggressive Prozeßgase abge
schirmten Stellmotors 7 in eine optimale Position zum
Substrat eingestellt werden.
Der Abstand zwischen dem Substrat 1 und den Hochspannungs
elektroden 4 bzw. den UV - Strahlern 5, die sogenannte Ent
ladungszone 8, wird mit Hilfe eines Düsensystems 9, durch
das auch das Prozeßgas aus der Gaskonditionierungs-und
Gastrocknungsanlage 16 über das Filter 17 und das Tau
punkthygrometer 18 durch die Leitung 24 in die Behandlungs
vorrichtung 3 einströmt, kontinuierlich gemessen und der
Istwert in einem Regler mit dem Sollwert verglichen, wo
rauf bei Abweichung der Stellmotor 7 zu einer entsprechen
den Korrektur veranlaßt wird.
Zwischen den Hochspannungslektroden 4 und der Niederspan
nungselektrode 10, die mit einem Wärmeträger beaufschlagt
werden kann, findet durch die Entladungszone 8 eine stille
elektrische Entladung statt, wobei gleichzeitig die UV-
Strahler 5 das Substrat 1 einer intensiven Bestrahlung aus
setzen, durch welche die in der Oberfläche des Substrats 1
befindlichen Atomgruppierungen so stark angeregt werden,
daß sie mit dem durch die stille elektrische Entladung im
Prozeßgas gebildeten Reaktionsprodukten oder auch mit dem
Prozeßgas selbst funktionelle Gruppen bilden können.
Das nicht verbrauchte Prozeßgas wird mit Hilfe des Gebläses
13 aus der Behandlungsvorrichtung 3 abgesaugt, nachdem mit
dem Meßgerät 11 die Konzentration der Reaktionsprodukte ge
messen und mit dem katalytischen Filter 12 eventuell noch
vorhandene Reaktionsprodukte vernichtet wurden.
Im Gasanalysator 14 wird die Zusammensetzung des Prozeß
gases analysiert und das Gas über den Durchflußmesser 15
in die Gastrocknungs- und Gaskonditionierungsanlage 16
eingeleitet.
Der Gasverbrauch wird durch Frischgas aus den Gasbehältern 22
und 23 ersetzt, das über die Durchflußmesser 20 und 21
ebenfalls zur Gastrocknungs- und Gaskonditionierungsanlage
16 gelangt.
Durch die Leitung 24 gelangt auf diese Weise stets Prozeß
gas mit definierter Zusammensetzung und definiertem Taupunkt
in die Behandlungsvorrichtung 3.
Claims (28)
1. Verfahren zur Erzeugung funktioneller Atomgruppierungen
in der Oberfläche makromolekularer Stoffe, wie sie bei
spielsweise in Gestalt von Polypropylen, Polyäthhylen, Zel
lulose, Wolle und Seide etc. vorliegen, dadurch
gekennzeichnet, daß das makromolekulare
Substrat mit seiner gesamten oder einem Teil seiner Ober
fläche in einer stillen elektrischen Entladung unter
gleichzeitiger oder vorhergehender-Bestrahlung mit UV-
Licht bestimmter Wellenlänge einer kontrollierten Ein
wirkung der in der stillen elektrischen Entladung er
zeugten Reaktionsprodukte einer definierten Gasatmosphäre
und der Elektronenemission ausgesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die UV - Strahlung in einem spek
tralbereich von 50 bis 400 Nanometern liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Frequenzbereich der für die
Erzeugung der stillen elektrischen Entladung erforder
lichen Spannung zwischen 50 Hz und 10 MHz liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß für die Erzeugung der stillen elek
trischen Entladung unipolare Impulse benutzt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Flankensteilheit der unipolaren
Impulse zwischen 0,1 und 1,0 kV/Nanosekunde liegt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß als Prozeßgase Stickstoff, Sauer
stoff, Oxide des Kohlenstoffs, Oxide des Schwefels,
Oxide des Stickstoffs, Halogene und Ammoniak eingesetzt
werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß als Prozeßgas Gasgemische einge
setzt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß als Prozeßgas Dämpfe anorganisch
und organisch-chemischer Verbindungen eingesetzt werden,
deren Siedepunkt bei Atmosphärendruck 155 °C nicht über
steigt.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Prozeßgas im Kreislauf geführt
wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Taupunkt des Prozeßgases
zwischen -30 und -80 °C liegt.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Druck des Prozeßgases zwischen
0,5 und 2,0 bar abs. liegt.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Behandlung des makromolekularen
Substrats in vorgegebener zeitlicher Reihenfolge mit un
terschiedlichen Prozeßgasen erfolgt.
13. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die zur Anwendung kom
menden Prozeßgase in einer separaten Gasentladungsvor
richtung einer stillen elektrischen Entladung ausgesetzt
und zusammen mit den erzeugten Reaktionsprodukten gleich
zeitig oder in vorgegebenem zeitlichen Abstand in das
Verfahren eingespeist werden.
14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch
1 und einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 13,
gekennzeichnet durch ein als Be
handlungsvorrichtung bezeichnetes, einseitig offenes
Gehäuse (3) mit Dichtvorrichtungen (2), die vorzugs
weise in Gestalt von Rollen oder Dichtlippen vorliegen,
mit eingebauten Hochspannungselektroden (4), kombiniert
mit UV - Strahlern (5), mit einem oder mehreren Stell
motoren (7), die durch einen Faltenbalg (6) gegen ag
gressive Prozeßgase geschützt sind, mit einem Düsensy
stem (9) zur Messung und Regelung des Entladungsspaltes
(8) und zur Einleitung des Prozeßgases, mit einer oder
mehreren Niederspannungselektroden (10, die mit einem
Wärmeträger beaufschlagt werden können, mit einem nachge
schalteten Konzentrationsmeßgerät (11) zur Messung der in
der stillen elektrischen Entladung erzeugten Reaktions
produkte und einem Gasanalysator (14), einem katalyti
schen Filter (12) und einem Gebläse (13), mit einer Gas
trocknungs- und -konditionierungsanlage (16), der ein
Durchflußmesser (15) vor- und ein Filter (17) nachge
schaltet ist, drei weiteren Durchflußmessern (18), (20)
und (21), mit einem oder mehreren Gasbehältern (22) und
(23) und einem Taupunkthygrometer (19) zur Messung und
Regelung des Taupunktes des Prozeßgases.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Hochspannungselektro
den in Einzelelektroden unterteilt sind, deren Entla
dungsfläche vorzugsweise 0,2 bis 1,0 cm2 beträgt.
16. Vorrichtung nach den Ansprüchen 14 und 15, dadurch
gekennzeichnet, daß die Hochspannungselek
troden vorzugsweise als Netz- oder Gitterelektroden kon
struiert sind.
17. Vorrichtung nach den Ansprüchen 14, 15 und 16, da
durch gekennzeichnet, daß alle Hoch
spannungselektroden mit einer einzigen Hochspannungs
quelle verbunden sind.
18. Vorrichtung nach den Ansprüchen 14, 15, und 16, da
durch gekennzeichnet, daß die Ein
zelelektroden in Gruppen zusammengefaßt sind und jede
Gruppe mit einer separaten Hochspannungsquelle verbun
den ist.
19. Vorrichtung nach den Ansprüchen 14, 17 und 18, da
durch gekennzeichnet, daß die
Hochspannungsquelle oder die Hochspannungsquellen vor
zugsweise als Impulstransformator konstruiert sind.
20. Vorrichtung nach den Ansprüchen 14 und 18, da
durch gekennzeichnet, daß jede
Hochspannungsquelle eine separate Energiezufuhr be
sitzt, durch die jede einzelne Hochspannungsquelle mit
vorgegebener Leistung und vorgegebener Frequenz versorgt
werden kann.
21. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch ge
kennzeichnet, daß als UV - Strahler vor
zugsweise Niederdruckstrahler verwendet werden, die
elektrisch so geschaltet sind, daß die Leistungszufuhr
zu jedem Strahler separat geregelt werden kann.
22. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Niederspannungselek
trode vorzugsweise mit einem Email als Dielektrikum
beschichtet ist, dessen Dielektrizitätskonstante
zwischen ε=4 und ε=400 liegen kann.
23. Vorrichtung nach den Ansprüchen 14 und 22, da
durch gekennzeichnet, daß das
Dielektrikum geschichtet sein und die Dielektrizitäts
konstante dadurch Werte von ε< 4 annehmen kann.
24. Vorrichtung nach den Ansprüchen 14 und 23, dadurch
gekennzeichnet, daß das zu behandelnde
makromolekulare Substrat als Dielektrikum dient.
25. Vorrichtung nach den Ansprüchen 14 und 24, dadurch
gekennzeichnet, daß die Niederspannungs
elektrode plastisch verformbar und der Form des zu be
handelnden makromolekularen Substrats angepaßt werden
kann.
26. Vorrichtung nach den Ansprüchen 14 und 25, dadurch
gekennzeichnet, daß die plastisch ver
formbare Niederspannungselektrode aus einem gas- oder
flüssigkeitsgefüllten Hohlkörper mit metallisierter
Oberfläche besteht.
27. Vorrichtung nach den Ansprüchen 14 und 25, dadurch
gekennzeichnet, daß als Materialien für
eine verformbare Niederspannungselektrode metallische
Pulver benutzt werden, deren einzelne Bestandteile als
Kugeln, Späne, etc. vorliegen können und die entweder
unter dem Einfluß eine elektro-magnetischen Feldes oder
durch Anteigen zu einer Paste der Form des zu behandeln
den makromolekularen Substrats angepaßt werden können.
28. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch ge
kennzeichnet, daß für die Trocknung und Kon
ditionierung des Prozeßgases ein Gerät benutzt wird,
dessen Adsorptionsmittel thermisch oder nach dem Druck
wechselverfahren regeneriert werden können.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19863619694 DE3619694A1 (de) | 1986-06-11 | 1986-06-11 | Verfahren und vorrichtung zur erzeugung funktioneller atomgruppierungen in makromolekularen stoffen |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19863619694 DE3619694A1 (de) | 1986-06-11 | 1986-06-11 | Verfahren und vorrichtung zur erzeugung funktioneller atomgruppierungen in makromolekularen stoffen |
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Publication Number | Publication Date |
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ID=6302815
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