DE4135697A1 - Behandlungsverfahren zur verbesserung von holzoberflaechen - Google Patents
Behandlungsverfahren zur verbesserung von holzoberflaechenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Behandlungsverfahren
zur Verbesserung von Holzoberflächen, insbesondere ein
Plasmaverfahren zur Verbesserung von Oberflächeneigen
schaften von Holz, indem man dieses einer Plasmamischung bei
einem annähernd atmosphärischen Druck aussetzt.
Seit vielen Jahren besteht das Bedürfnis, die Oberflächen
eigenschaften von Holz, insbesondere Bau- und Nutzholz, zu
verbessern. Insbesondere ist die Oberflächenfeuchtigkeit von
besonderer Bedeutung, indem hydrophile Eigenschaften
erforderlich sind, un dem Holz verbesserte Haftfähigkeit und
Bedruckbarkeit zu verleihen, während hydrophobe
Eigenschaften erforderlich sind, um dem Holz
wasserabstoßende Eigenschaften zu verleihen. Zu diesem Zweck
sind im allgemeinen Oberflächenbeschichtungen verwendet
worden, um die Oberflächeneigenschaften des Holzes zu
modifizieren. Solche Beschichtungen beeinträchtigen jedoch
den Holzcharakter und stellen im Hinblick auf Haltbarkeit
und Wetterbeständigkeit ein weiteres Problem dar, indem die
Beschichtung während einer langen Lebensdauer im Außenbe
reich oder unter Bedingungen, wo sie Wasser ausgesetzt ist,
abblättern könnte.
Zwischenzeitlich ist ein Plasmaverfahren zur Verbesserung
von Oberflächeneigenschaften von Gegenständen, wie etwa
Kunststoffteilen, Siliciumteilen, magnetischen Daten
speichermedien, bekannt geworden und in den US-Patenten
47 49 440 und 48 63 809 offenbart. Da solche Plasmaverfahren
jedoch ein Hochvakuum erforderlich machen, um durch
Glühentladung ein Plasma zu erzeugen, ist ihre Anwendung
auf die Oberflächenverbesserung von Holz, das in seinem
Inneren Wasser oder Feuchtigkeit enthält, praktisch
unmöglich, da ein stabiles Plasma in Gegenwart von Dampf aus
dieser Feuchtigkeit, der bei einem solchen Hochvakuun auf
tritt, nicht erreicht werden kann.
Andererseits ermöglichen einige neue Entwicklungen eine
Plasma-Oberflächenbehandlung bei annähernd atmosphärischen
Drücken, wie in der japanischen ungeprüften Patentveröffent
lichung (KOKAI) 1-3 06 569 und 2-15 171 vorgeschlagen, die die
Lehre geben, eine Plasmamischung aus einem Inertgas und
einem reaktiven monomeren Gas durch Glühentladung bei an
nähern atmosphärischem Druck zu erzeugen, um einen polymeri
sierten Film auf der Oberfläche von Gegenständen, wie etwa
Keramikartikeln, Gläsern, Kunststoffartikeln und Metallen,
abzuscheiden.
Mit dem Aufkommen des Plasmaverfahrens bei annähernd atmo
sphärischen Drücken ist erwogen worden, das Plasmaverfahren
zur Verbesserung von Oberflächeneigenschaften auf Holz anzu
wenden. In der Annahme, daß das Holz durch solch ein Plasma
verfahren über einen großen Oberflächenbereich verbessert
werden könnte, sind Versuche von den Erfindern unternommen
worden. Nichtsdestoweniger ist nur eine ungenügende Ober
flächenverbesserung mit diesem Plasmaverfahren erzielt
worden, im Gegensatz zu den Erwartungen, obgleich das Plasma
erfolgreich erzeugt werden konnte.
Auf das obige Problem ist viel Arbeit konzentriert worden,
aus der sich ergeben hat, daß Feuchtigkeit, die im Holz
enthalten ist, während der Plasmabehandlung in der
Oberfläche auftritt und so wirkt, daß sie teilweise die
Holzfasern überzieht und so eine gleichmäßige Oberflächen
verbesserung über einen ausgedehnten Oberflächenbereich
verhindert. Durch weitere Studien hat sich auch ergeben, daß
im wesentlichen gleichmäßige Oberflächenbehandlung mit der
erwarteten Verbesserung durch das Plasmaverfahren bei
annähernd atmosphärischen Drücken erreicht werden kann, wenn
das Holz vorbehandelt ist, so daß es einen Feuchtigkeitsge
halt unterhalb seines Fasersättigungspunktes aufweist.
Der Fasersättigungspunkt bezeichnet einen Zustand, bei dem
keine freie Feuchtigkeit im Holz vorhanden ist, wobei die
Zellmembran mit gebundenem Wasser gesättigt bleibt. Der
Fasersättigungspunkt ist bei unterschiedlichen Holzarten
verschieden, entspricht normalerweise aber einem Feuchtig
keitsgehalt von etwa 30%. Der Feuchtigkeitsgehalt des Holzes
wird durch die folgende Formel definiert.
wobei W1 das Gewicht (in g) des Holzes ist, bevor dieses
getrocknet ist, und W0 das Trockengewicht des Holzes,
nachdem es bei 105°C unter Verwendung eines Thermostats bis
zu einem konstanten Gewicht getrocknet ist.
Die vorliegende Erfindung offenbart daher ein neuartiges
Behandlungsverfahren zur Verbesserung von Holzoberflächen,
bei dem der Feuchtigkeitsgehalt des Holzes unterhalb des
Fasersättigungspunktes des betreffenden Holzes eingestellt
wird und das Holz einer Plasmamischung ausgesetzt wird, die
durch Glühentladung bei annähernd atmosphärischen Drücken
erzeugt wird.
Die Plasmamischung umfaßt ein Inertgas und ein Reaktivgas,
das wenigstens eine Element einschließt, das aus der Gruppe
ausgewählt ist, die aus C, N, O, F und S besteht. Das
Reaktivgas schließt, obgleich es nicht hierauf beschränkt
ist, Fluoridgas ein, wie etwa CF4, NF3 und SF6, von dem man
glaubt, daß es die Cellulose in der Oberfläche des Holzes
fluoriert und diesem so wasserabstoßende Eigenschaften ver
leiht, und O2, von dem man glaubt, daß es hydrophile Gruppen
an die Cellulose an der Oberfläche des Holzes bindet und
diesen so hydrophile Eigenschaften verleiht. Vorzugsweise
werden das Fluoridgas und Sauerstoff in einem geeigneten
Verhältnis gemischt, um kontrollierte hydrophile Eigen
schaften zu erhalten.
Das Inertgas ist im wesentlichen dazu da, ein Glühent
ladungsplasma bei nahezu atmosphärischen Drücken zu
erzeugen, und schließt, obgleich es nicht hierauf beschränkt
ist, He, Ar und Ne ein. Stickstoff (N2-Gas) kann zusätzlich
zugeführt werden, um die Oberflächenaktivierung des Holzes
mit der Plasmamischung aus Inertgas und Reaktivgas zu
erhöhen oder um Plasmaätzung zu bewirken, bevor das
Verleihen von hydrophilen oder hydrophoben Eigenschaften
durch das Reaktivgas bewirkt wird.
Wie oben beschrieben, kann das Plasmabehandlungsverfahren
die Holzoberfläche erfolgreich und gleichförmig über die
gesamte Oberfläche von Holz, das vorbehandelt worden ist, um
seinen Feuchtigkeitsgehalt auf wenigstens den Fasersätti
gungspunkt abzusenken, verbessern und zusätzlich bei nahezu
atmospharischen Drücken durchgeführt werden.
Demgemäß ist es ein erstes Ziel der vorliegenden Erfindung,
ein neuartiges Plasmabehandlungsverfahren zur Verbesserung
von Holzoberflächen zur Verfügung zu stellen, das erwartete
Oberflächenverbesserung gleichförmig über die gesamte Ober
fläche des Holzes sicherstellen kann.
Das Plasmaverfahren kann bei einem annähernd atmosphärischen
Druck innerhalb einer Druckbereiches von 500 bis 1500 mmHg
durchgeführt werden, der ohne weiteres erreichbar ist, ohne
teure Hochvakuum- oder Druckerzeugungsgeräte erforderlich zu
machen. Die Plasmabehandlung kann somit in wirtschaftlicher
Weise durchgeführt werden, um praktische Einsetzbarkeit bei
Industrieanwendungen zu erhöhen, was daher ein anderes Ziel
der vorliegenden Erfindung ist.
Vorzugsweise ist das Reaktivgas im Inertgas in einem molaren
Verhältnis von weniger als 0,3 bis 1 enthalten, und die
Glühentladung wird dadurch bewirkt, daß man zwischen einem
Elektrodenpaar eine Wechselspannung bei einer Energiefluß
dichte von 0,02 bis 6,0 Watt pro Quadratzentimeter der
Elektrode und einer Hochfrequenz im Bereich von 1 kHz bis
13,56 MHz anlegt.
Wenn man dem Holz mit einem Plasma des Reaktivgases, z. B.
CF4, NF3 und SF6, hydrophobe oder wasserabstoßende Eigen
schaften verleiht, ist es besonders bevorzugt, das Reaktiv
gas mit oder ohne lnertgas weiter zuzuführen, nachdem die
Plasmabehandlung abgeschlossen ist, um die Reaktion der
noch verbleibenden reaktiven Oberfläche des Holzes mit dem
neu zugeführten Reaktionsgas zu vervollständigen, wodurch
keine wesentliche aktivierte Oberfläche mehr verbleibt, die
ansonsten mit Sauerstoff reagieren würde, um hydrophile
Gruppen zu bilden, wenn sie der Luft ausgesetzt wird, und
damit die hydrophoben Eigenschaften nachteilig absenken
Diese und andere Merkmale und vorteilhaften Eigenschaften
der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Be
schreibung der Erfindung, die anhand der beiliegenden
Zeichnungen näher erläutert wird, deutlicher werden. Dabei zeigt
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Plasmakammer,
die bei einem Plasmabehandlungsprozeß zur
Verbesserung von Holzoberflächen gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung eingesetzt wird;
Fig. 2 eine schematische Ansicht, die einen Ober
flächenbehandlungsmechanismus von Holz veran
schaulicht, der mit dem Verfahren der
vorliegenden Erfindung erreicht wird; und
Fig. 3 eine schematische Ansicht, die drei mit Abstand
voneinander angeordnete Punkte auf einem Holz
stück zeigt, an denen Berührungswinkel mit
einem Wassertropfen zur Abschätzung der
wasserabstoßenden Eigenschaften gemessen
werden.
Nunmehr bezugnehmend auf Fig. 1 ist dort eine stark
schematische Darstellung einer Plasmakammer 10 gezeigt, die
für die vorliegende Erfindung zur Oberflächenbehandlung
eines Holzstücks 1 verwendet wird. Die Kammer 10 ist mit
einem Einlaß 11 und einem Auslaß 12 zum konstanten Zuführen
eines Mischgases durch den Einlaß 11 mit einer
kontrollierten Durchflußrate sowie zum Austragen desselben
durch den Auslaß 12 versehen. Das Mischgas umfaßt ein
Inertgas und ein Reaktivgas, die in einem geeigneten
Verhältnis miteinander vermischt sind. Das Inertgas schließt
He, Ar und Ne ein. Das Reaktivgas schließt CF4, NF3 und O2
ein. SF6 kann in ähnlicher Weise als Reaktivgas dienen.
Stickstoff (N2-Gas) kann zusätzlich mit den Inert- und
Reaktivgasen zugeführt werden, um die Oberflächenaktivität
des Holzes durch die Plasmamischung aus Inertgas und
Reaktivgas zu erhöhen oder um Plasmaätzung zu bewirken. Die
Kammer 10 ist auch mit einem parallelen Paar aus einer
oberen und einer unteren Elektrode 21 und 22 in Form von
Scheiben mit einem Durchnesser von 160 mm versehen, und
einem festen Dielektrikum 23, das ebenfalls ein scheiben
förmiges Teil mit einem Durchmesser von 180 mm ist und
konzentrisch auf der unteren Elektrode 22 liegt, um darauf
das Holzstück 1 zu halten. Das Dielektrikum 23, das z. B. aus
Glas, Keramik, Kunststoff oder dergleichen hergestellt ist,
kann alternativ auf der oberen Elektrode 21 angeordnet sein
oder auf beiden Elektroden 21 und 22. Eine Hochfrequenz-
Wechselspannung 24 ist angeschlossen, un eine Wechsel
spannung zwischen den Elektroden 21 und 22 anzulegen, un
dazwischen eine Glühentladung zu bewirken, so daß ein Plasma
des Mischgases, das in die Kammer 10 eingebracht wird, zu
erzeugen, um das Holzstück 1 bei annähernd atmosphärischen
Drücken im Bereich von 500 bis 1500 mmHg der Plasmanischung
auszusetzen. Die Kammer 10 ist mit Isolierungshülsen 25 und
26 versehen, die un die Hochspannungsleitung 27 und eine
Erdungsleitung 28 eingepaßt sind. Wenn die Spannung bei
einer solch hohen Frequenz angelegt wird, daß ein beträcht
liches Aufheizen bewirkt wird, kann eine Kühleinrichtung
erforderlich sein, um das Holz oder das Plasma abzukühlen,
oder die Plasmabehandlung kann nach einem relativ kurzen
Zeitraum abgebrochen werden, um ein Verkohlen des Holzstücks
1 zu vermeiden.
Die folgenden Beispiele sind zum Zweck der Veranschaulichung
angeführt. Jede spezielle Benennung von Details, die darin
enthalten ist, sollte nicht als Beschränkung für das Konzept
dieser Erfindung interpretiert werden.
Holzstücke aus japanischer Zypresse wurden auf eine Proben
größe 100×100×5,00 mm Dicke zugeschnitten. Die
Holzstücke, die einen anfänglichen Feuchtigkeitsgehalt von
100% aufweisen, wurden bei 105°C für 10 Stunden getrocknet,
um ihren Feuchtigkeitsgehalt auf 5% abzusenken (weniger als
den Sättigungspunkt von 30%, der für japanische Zypresse
spezifisch ist). So vorbehandelte Holzstücke wurden zwischen
scheibenförmigen Elektroden 21 und 22 mit einem Durchmesser
von 160 mm und einem Abstand von 20 nm in die Kammer 10 von
Fig. 1 gelegt und einer Plasmabehandlung unterworfen, die
mit einer Plasmamischung von He und CF4 durchgeführt wurde,
um der Oberfläche des Holzstücks wasserabstoßende Eigen
schaften zu verleihen. He-Gas wurde als Inertgas mit einer
Durchflußrate von 2000 sccm (Kubikzentimeter pro Minute bei
Standardbedingungen von 25°C und 760 mmHg) zugeführt,
während CF4 zusammen damit als Reaktivgas mit einer
Durchflußrate von 50 sccm zugeführt wurde. Während das
Mischgas kontinuierlich in die Kammer eingelassen wurde,
wurde eine Wechselspannung zwischen den Elektroden nit einer
Frequenz von 5 kHz nit einer elektrischen Leistung von 150 W
angelegt, bei einem Druckniveau von 760 mmHg und für eine
Minute, um eine Glühentladung zur Erzeugung der Plasma
mischung zu bewirken.
Zur Bewertung der wasserabstoßenden Eigenschaften wurde der
Berührungswinkel mit einem Wassertropfen bei einem so
plasmabehandelten Holzstück und auch bei einem nicht
plasmabehandelten Holzstück mit 5% Feuchtigkeitsgehalt
gemessen. Die Messungen wurden an drei verschiedenen Punkten
durchgeführt, die entlang einer Diagonale des quadratischen
Holzstückes in gleichem Abstand voneinander angeordnet sind,
wie mit den Punkten A, B und C in Fig. 3 gezeigt, um die
Gleichmäßigkeit der Holzoberfläche zu bewerten. Das Ergebnis
war, daß das plasmabehandelte Holzstück Berührungswinkel von
115, 117 und 114° an den drei Punkten aufwies, was anzeigt,
daß die Holzoberfläche gleichmäßig verbessert ist und
erhöhte wasserabstoßende Eigenschaften aufweist, im
Vergleich mit dem nicht-plasmabehandelten Holzstück, das
einen mittleren Berührungswinkel von 80° aufweist. Keine
Veränderungen im Berührungswinkel wurde beim plasmabehan
delten Holzstück festgestellt, selbst wenn man es mit einem
fluorkohlenwasserstoffhaltigen Oberflächenreinigungsmittel
wusch, das unter dem Markennamen "Daiflon" von Daikin Kogyo,
Japan, vertrieben wird.
Folglich ist festgestellt worden, daß das plasmabehandelte
Holzstück wegen des erhöhten Berührungswinkels mit den
Wassertropfen über seine gesamte Oberfläche wasserabstoßende
Eigenschaften aufweist. Die obigen Plasma-Mischgasbestand
teile und Plasmabehandlungsbedingungen sind in Tabelle 1
aufgelistet, zusammen mit den gemessenen Berührungswinkeln
an den oben definierten drei Punkten (die oberen, mittleren
und unteren Werte in Tabelle 1 entsprechen den Messungen an
den Punkten A, B bzw. C von Fig. 3).
Man glaubt, daß eine solche Oberflächenverbesserung des
Holzes davon herrührt, daß die Cellulose in der Oberflächen
schicht durch das CF4 im Plasma fluoriert wird. Das heißt,
daß, wie in Fig. 2 dargestellt, ionisiertes reaktives CF4-
Gas mit der Oberfläche des Holzes reagiert, um Cellulose-
Fluor- und/oder Cellulose-Fluoridbindungen auszubilden, die
die Oberflächenenergie verringern und damit den Berührungs
winkel mit dem Wassertropfen erhöhen und somit für die
wasserabstoßende Eigenschaft verantwortlich sind. Da die
Fluorierung der Cellulose nur auf die Oberfläche des Holzes
beschränkt ist, kann die gewünschte Oberflächenverbesserung
erfolgreich erzielt werden, ohne die charakteristischen
Holzeigenschaften des Holzes zu beeinträchtigen.
Holzstücke aus japanischer Zypresse, die zur obigen Proben
größe zugeschnitten wurden und einen anfänglichen Feuchtig
keitsgehalt von 100% aufwiesen, wurden bei 105°C für 5
Stunden getrocknet, so daß sie einen verringerten
Feuchtigkeitsgehalt von 10% aufwiesen (unterhalb ihres
Sättigungspunktes). So vorbehandelte Holzstücke wurden der
Plasmamischung aus He und CF4 unter identischen Bedingungen
wie in Beispiel 1 ausgesetzt, um plasmabehandelte Holzstücke
zu erhalten. Dann wurde der Berührungswinkel bei einem so
plasmabehandelten Holzstück und auch bei einem nicht-plasma
behandelten Holzstück zur Bewertung der wasserabstoßenden
Eigenschaften untersucht. Das Ergebnis war, daß das plasma
behandelte Holzstück Berührungswinkel von 109, 110 und 113°
an den drei Punkten aufwies, während das nicht
plasmabehandelte Holzstück einen mittleren Berührungswinkel
von 80° aufwies. Keine Veränderung im Berührungswinkel würde
bei dem plasmabehandelten Holzstück festgestellt, selbst
wenn dieses mit "Daiflon" gewaschen wurde.
Holzstücke aus japanischer Zypresse mit einem Feuchtigkeits
gehalt von 100% wurden zur Probengröße zugeschnitten und bei
105°C für 3 Stunden getrocknet, so daß sie einen ver
ringerten Feuchtigkeitsgehalt von 20% aufwiesen (unterhalb
ihres Sättigungspunktes). So vorbehandelte Holzstücke wurden
der Plasmamischung aus He und CF4 unter identischen
Bedingungen wie in Beispiel 1 ausgesetzt, um
plasmabehandelte Holzstücke zu erhalten. Dann wurden die Be
rührungswinkel für so plasmabehandelte Holzstücke und auch
für nicht-plasmabehandelte Holzstücke zur Bewertung der
wasserabstoßenden Eigenschaften untersucht. Man stellte
fest, daß die plasmabehandelten Holzstücke Berührungswinkel
von 98, 99 und 102° mit den Wassertropfen an den drei
Punkten aufwiesen, während das nicht-plasmabehandelte Holz
stück einen mittleren Berührungswinkel von 80°. Auch
hier wurde keine Veränderung im Berührungswinkel beim
plasmabehandelten Holzstück festgestellt, selbst wenn dieses
mit "Daiflon" gewaschen wurde.
Holzstücke aus japanischer Zypresse mit einem
Feuchtigkeitsgehalt von 100% wurden zur Probengröße zuge
schnitten. Ohne die Vorbehandlung wurde das Holzstück der
Plasmabehandlung unter identischen Bedingungen wie in
Beispiel 1 unterworfen, in einem Versuch, diesem wasserab
stoßende Eigenschaften zu verleihen. Das resultierende
plasmabehandelte Holzstück wies Berührungswinkel von 85, 86
bzw. 83° an den drei Punkten auf, während das nicht
plasmabehandelte Holzstück einen mittleren Berührungswinkel
von 80° aufwies. Beim plasmabehandelten Holzstück wurde
keine Veränderung im Berührungswinkel festgestellt, selbst
wenn dieses mit "Daiflon" gewaschen wurde.
Holzstücke auf japanischer Zypresse, zugeschnitten auf die
Probengröße, wurden unter denselben Bedingungen wie in
Beispiel 1 vorbehandelt, so daß sie einen verringerten
Feuchtigkeitsgehalt von 5% aufwiesen. So vorbehandelte Holz
stücke wurden einer Plasmabehandlung mit einer Plasmamischung
von He, CF4 und O2 unterworfen, um dem Holzstück
kontrollierte hydrophile Eigenschaften zu verleihen. Die
Plasmabehandlung wurde durchgeführt, während He, CF4 und O2
mit einer Durchflußrate von 4000, 20 bzw. 50 sccm zugeführt
wurden und eine elektrische Leistung von 50 W bei einer
Frequenz von 3 kHz angelegt wurde, bei einem Druck von 760
mmHg für 2 Minuten, wie in Tabelle 1 aufgelistet. Das resul
tierende plasmabehandelte Holzstück besaß Berührungswinkel
von 13, 21 und 25° mit den Wassertropfen an den drei Punkten,
während das nicht-plasmabehandelte Holzstück einen mittleren
Berührungswinkel von 80° für die drei Punkte aufwies. Beim
plasmabehandelten Holzstück wurden keine Veränderungen im
Berührungswinkel festgestellt, selbst wenn dieses mit
"Daiflon" gewaschen wurde.
Holzstücke aus japanischer Zypresse, zugeschnitten auf
Probengröße, wurden unter denselben Bedingungen wie in
Beispiel 2 vorbehandelt, so daß sie einen verringerten Feuch
tigkeitsgehalt von 10% aufwiesen. So vorbehandelte Holzstücke
wurden einer ähnlichen Plasmabehandlung wie in Beispiel 4
unterworfen. Das resultierende plasmabehandelte Holzstück
besaß Berührungswinkel von 24, 29 und 21° mit den Wasser
tropfen an den drei Punkten, während das nicht-plasmabe
handelte Holzstück einen mittleren Berührungswinkel von 80°
aufwies. Auch in diesem Beispiel wurde für das
plasmabehandelte Holzstück keine Veränderung im Berührungs
winkel festgestellt, selbst wenn dieses mit "Daiflon" ge
waschen wurde.
Holzstücke aus japanischer Zypresse mit der entsprechenden
Probengröße wurden unter denselben Bedingungen wie in
Feuchtigkeitsgehalt von 20% aufwiesen. So vorbehandelte Holz
stücke wurden einer ähnlichen Plasmabehandlung wie in
Beispiel 4 unterworfen. Die resultierenden plasmabehandelten
Holzstücke zeigten verringerte Berührungswinkel von 31, 38
und 35° mit dem Wassertropfen an den drei Punkten, während
das nicht-plasmabehandelte Holzstück einen mittleren
Berührungswinkel von 80° zeigte. Auch hier wurden bei dem
plasmabehandelten Holzstück keine Veränderungen im
Berührungswinkel festgestellt, selbst wenn dieses mit
"Daiflon" gewaschen wurde.
Holzstücke aus japanischer Zypresse mit 100% Feuchtigkeitsge
halt wurden zur Probengröße zugeschnitten. Ohne die Vorbe
handlung wurden die Holzstücke der Plasmabehandlung
identischen Bedingungen wie in Beispiel 4 unterworfen, in
einem Versuch, ihnen kontrollierte hydrophile Eigenschaften
zu verleihen. Die resultierenden plasmabehandelten Holzstücke
zeigten Berührungswinkel von 56, 63 und 59° mit den Wasser
tropfen an den drei Punkten, während das nicht-plasmabe
handelte Holzstück einen mittleren Berührungswinkel von 80°
zeigte. Auch hier könnten bei dem plasmabehandelten Holzstück
keine Veränderungen im Berührungswinkel festgestellt werden,
selbst wenn dieses mit "Daiflon" gewaschen wurde.
Ein Holzstück aus Eiche wurde bei 105°C für 6 Stunden ge
trocknet, un seinen Feuchtigkeitsgehalt auf 10% abzusenken,
was unterhalb des Sättigungsproduktes von 30% liegt, der für
Eiche spezifisch ist. So vorbehandelte Holzstücke wurden
einer Plasmabehandlung mit einer Plasmamischung aus He und
CF4 unterworfen, um ihnen wasserabstoßende Eigenschaften zu
verleihen. Die Plasmabehandlung wurde durchgeführt, indem He
und CF4 mit den entsprechenden Durchflußraten von 5000 bzw.
100 sccm zugeführt wurden und eine elektrische Leistung von
100 W bei einer Frequenz von 10 kHz angelegt wurde, bei einem
Druck von 760 mmHg für eine Minute. Nach Abschluß der Plasma
behandlung wurde CF4 kontinuierlich weiter für eine Minute in
die Kammer zugeführt, um die Reaktion der noch verbleibenden
reaktiven Oberfläche des Holzstückes mit dem neu zugeführten
Reaktionsgas zu vervollständigen, wodurch keine wesentliche
aktivierte Oberfläche mehr verbleibt, die anderenfalls mit
Sauerstoff reagieren würde, um hydrophile Gruppen zu bilden,
wenn sie Luft ausgesetzt würde, und dadurch die hydrophoben
Eigenschaften nachteilig absenken würde. Nach dieser Nach-
Plasma-Gasdurchflußbehandlung wurde der oben beschriebene
Berührungswinkel an den drei Punkten auf den resultierenden
Holzstücken gemessen. Das Ergebnis war, daß die Holzstücke
erhöhte Berührungswinkel von 98, 103 und 100° mit den Wasser
tropfen an den drei Punkten zeigten, was anzeigt, daß die
Holzoberfläche gleichmäßig verbessert wurde und erhöhte
wasserabstoßende Eigenschaften gleichmäßig über die gesamte
Oberfläche aufwies. Die gemessenen Berührungswinkel sind in
Tabelle 2 zusammen mit den Plasma erzeugenden Bedingungen
aufgelistet.
Holzstücke aus Eiche, zugeschnitten auf die Probengröße und
vorbehandelt bei 105°C, so daß sie einen verringerten
Feuchtigkeitsgehalt von 5% besaßen, wurden der Plasma
mischung aus He und CF4, erzeugt unter unterschiedlichen
Bedingungen, wie in Tabelle 2 aufgelistet, ausgesetzt, um
einzelne plasmabehandelte Holzstücke zu erhalten. Nach
Abschluß der Plasmabehandlung wurde kontinuierlich CF4-Gas
für eine Minute in die Kammer zugeführt, zu dem Zweck, keine
wesentliche aktivierte Oberfläche mehr zurückzulassen und
dadurch die Verschlechterung der hydrophoben Eigenschaft zu
verhindern. Die resultierenden plasmabehandelten Holzstücke
wurden im Hinblick auf den Berührungswinkel mit dem Wasser
tropfen an den oben vorbeschriebenen drei Punkten auf der
Holzoberfläche untersucht. Die gemessenen Berührungswinkel
sind in Tabelle 2 aufgelistet.
Ein Holzstück aus Eiche, zugeschnitten auf Probengröße, wurde
vorbehandelt und dann der Plasmabehandlung unter identischen
Bedingungen wie in Beispiel 7 unterworfen, aber ohne die
Nach-Plasma-Gasdurchflußbehandlung. Dann wurden die
Berührungswinkel an den drei Punkten des resultierenden Holz
stücks gemessen und ergaben die einzelnen Meßwerte für die
drei mit Abstand voneinander angeordneten Punkte, wie in
Tabelle 2 aufgelistet.
Ein Holzstück aus Eiche, zugeschnitten auf Probengröße, wurde
bei 105°C vorbehandelt, um einen reduzierten Feuchtigkeitsge
halt von 5% zu ergeben, und dann einer Plasmamischung von He
und O2 unter den in Tabelle 2 aufgelisteten Bedingungen
unterworfen, um hydrophile Eigenschaften zu verleihen. Im
Gegensatz zu den Beispielen 7 bis 12 wurde keine Nach-Plasma-
Gasdurchflußbehandlung durchgeführt. Danach wurden die Holz
stücke mit einer Urethanharzbeschichtung überzogen, zur
Bewertung des Beschichtungshaftvermögens an der Holzober
fläche mit Hilfe eines Kreuzschnitt-Bandtests gemäß dem Test
verfahren nach JIS (Japanese Industrial Standard) K-5400, 8-
5-2. JIS K-5400, 8-5-2 schreibt vor, in die Oberfläche der
Beschichtung mit 1 mm Abstand horizontale oder vertikale
Schnitte zu machen, so daß insgesamt 100 Quadrate mit einer
Fläche von 1 cm2 vorliegen. Ein druckempfindliches Klebeband
wird so auf die Beschichtung gelegt, daß es daran anhaftet,
wenn man über das Band reibt. Danach wird das Band sofort
abgezogen, wobei das eine Ende des Bandes nach oben gezogen
wird, um den Zustand der Einschnitte in der Beschichtung zu
beobachten. Die Bewertung ist gemäß der folgenden Tabelle
angegeben, in der höhere Bewertungspunkte ein höheres Be
schichtungshaftvermögen anzeigen.
Bewertungstabelle (JIS-K5400, 8-5-2) | |
Punkte | |
Beobachteter Zustand der Einschnitte | |
10 | |
Jeder Einschnitt bleibt dünn mit glatten Kanten zurück. Weder im gesamten Bereich jedes Quadrats noch an den Kreuzungspunkten der Einschnitte kann das Abblättern von Beschichtung beobachtet werden. | |
8 | Das Abblättern der Beschichtung kann nur an einigen Kreuzungspunkten in geringem Umfang beobachtet werden, erstreckt sich aber nicht über die gesamte Fläche irgendwelcher Quadrate. Die abgeblätterte Fläche bleibt bei 5% oder weniger der Gesamtfläche. |
6 | Sowohl an den Kanten als auch an Kreuzungspunkten der Einschnitte kann das Abblättern von Beschichtung beobachtet werden. Die abgeblätterte Fläche überdeckt 5 bis 15% der Gesamtfläche. |
4 | Das Abblättern von Beschichtung zeigt sich über die Kanten der Einschnitte hinausreichend. Der abgeblätterte Bereich überdeckt 15 bis 35% der Gesamtfläche. |
2 | Das Abblättern von Beschichtung kann über die Kanten der Einschnitte in einem größeren Umfang als bei 4 Punkten beobachtet werden. Der abgeblätterte Bereich überdeckt 35 bis 65% der Gesamtfläche. |
0 | Der abgeblätterte Bereich erreicht 65% oder mehr der Gesamtfläche. |
Das so bewertete Beschichtungshaftvermögen für die Holzstücke
ist in Tabelle 2 aufgelistet.
Holzstücke aus Eiche, zugeschnitten auf Probengröße und vor
behandelt, so daß sie einen reduzierten Feuchtigkeitsgehalt
von 10% besitzen, wurden einer Plasmabehandlung unterworfen,
gefolgt von der Nach-Plasma-Gasdurchflußbehandlung unter den
identischen Bedingungen wie in Beispiel 7, mit der Ausnahme,
daß die Plasmabehandlung bei unterschiedlichen Drücken von
550, 630, 700, 1000, 1250 und 1450 mmHg durchgeführt wurde,
wie in Tabelle 2 aufgelistet. Die Berührungswinkel an den
drei Punkten wurden auf den einzelnen Holzstücken gemessen.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgelistet.
Ein Holzstück aus Eiche, zugeschnitten auf Probengröße und
vorbehandelt, so daß es einen Feuchtigkeitsgehalt von 50%
besitzt (oberhalb des Fasersättigungspunktes), wurde der
Plasmabehandlung mit einer Plasmamischung von He und CF4
unterworfen, gefolgt von der Nach-Plasma-Gasdurchflußbehand
lung unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 7. So
behandelte Holzstücke wurden getestet und ergaben Berührungs
winkel mit dem Wassertropfen an den drei Punkten, wie in
Tabelle 2 aufgelistet.
Ein Holzstück aus Eiche, zugeschnitten auf Probengröße und
vorbehandelt, so daß es einen Feuchtigkeitsgehalt von 50%
besaß, wurde der Plasmabehandlung unterworfen, gefolgt von
der Nach-Plasma-Gasdurchflußbehandlung, unter den identischen
Bedingungen wie in Beispiel 7, mit der Ausnahme, daß es einer
Plasmamischung aus He und O2 ausgesetzt wurde, um ihm
hydrophile Eigenschaften zu verleihen. So behandelte Holz
stücke wurden getestet und ergaben Berührungswinkel mit dem
Wassertropfen an den drei Punkte, wie in Tabelle 2
aufgelistet.
Holzstücke aus Eiche, zugeschnitten zur Probengröße und vorbe
handelt, so daß sie einen reduzierten Feuchtigkeitsgehalt von
10% besaßen, wurden einer Plasmabehandlung unterworfen,
gefolgt von einer Nach-Plasma-Gasdurchflußbehandlung, unter
identischen Bedingungen wie in Beispiel 7, mit der Ausnahme,
daß die Plasmabehandlung bei unterschiedlichen Drücken von
400 bzw. 1050 mmHg durchgeführt wurde, wie in Tabelle 2 auf
gelistet. Der Berührungswinkel für die Wassertropfen wurde
für die einzelnen Holzstücke an den drei Punkten gemessen und
ergab entsprechende Werte, wie in Tabelle 2 aufgelistet. Der
verringerte Berührungswinkel oder die ungenügenden wasserab
stoßenden Eigenschaften, die für Vergleichsbeispiel 5
erhalten wurden, rühren vermutlich daher, daß die Feuchtig
keit, die im Holz enthalten ist, bei einem so weit abgesenk
ten Druck wieder auftaucht und dadurch die Fluorierungs
reaktion zwischen CF4 und der Holzoberfläche behindert.
Andererseits vermutet man, daß die in ähnlicher Weise
ungenügenden wasserabstoßenden Eigenschaften von Vergleichs
beispiel 6 darauf zurückzuführen sind, daß eine stabile Gas
entladung oder Plasmamischung bei einem so erhöhten Druck
niveau schwierig ist.
Ein Holzstück aus Eiche, zugeschnitten auf Probengröße, wurde
bei 105°C für 10 Stunden getrocknet, so daß es einen
reduzierten Feuchtigkeitsgehalt von 5% besaß. Ohne die
Plasmabehandlung wurde das Holzstück mit einer Urethanharzbe
schichtung überzogen, zur Bewertung des Beschichtungshaftver
mögens mittels des Kreuzschnitt-Bandverfahrens gemäß JIS K
5400, 8-5-2. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgelistet.
Ein Holzstück aus Eiche, mit einem Feuchtigkeitsgehalt von
50% (oberhalb des Fasersättigungspunktes) wurde auf die
Probengröße zugeschnitten. Ohne die Plasmabehandlung wurde
das Holzstück getestet und ergab Berührungswinkel mit dem
Wassertropfen an den drei Punkten, wie in Tabelle 2
aufgelistet.
Wie aus den Tabellen 1 und 2 deutlich wird, wird bestätigt,
daß die gewünschte Oberflächenverbesserung im wesentlichen
gleichmäßig über die Holzoberfläche erreicht wird, wenn die
Holzstücke vor der Plasmabehandlung vorbehandelt werden, so
daß ihr Feuchtigkeitsgehalt unter ihren Fasersättigungspunkt
verringert wird, und daß die Faserbehandlung bei einem
annähernd atmosphärischen Druckniveau im Bereich von 500 bis
1500 mmHg durchgeführt werden kann.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie
in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die
Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen
Ausführungsformen wesentlich sein.
Bezugszeichenliste
1 Holzstück
10 Kammer
11 Einlaß
12 Auslaß
21, 22 Elektroden
23 Dielektrikum
24 Energiequelle
25, 26 Isolatorhülsen
27 Spannungsleitung
28 Erdungsleitung
10 Kammer
11 Einlaß
12 Auslaß
21, 22 Elektroden
23 Dielektrikum
24 Energiequelle
25, 26 Isolatorhülsen
27 Spannungsleitung
28 Erdungsleitung
Claims (6)
1. Verfahren zur Verbesserung von Holzoberflächeneigen
schaften, dadurch gekennzeichnet, daß der Feuchtigkeitsge
halt eines Holzstücks unter den Fasersättigungspunkt für
diese Holzart abgesenkt wird und das Holzstück einer Plasma
mischung aus einem Inertgas und einem Reaktivgas, das
wenigstens ein Element einschließt, das ausgewählt ist aus
der Gruppe, die aus C, N, O, F und S besteht, ausgesetzt
wird, wobei besagte Plasmamischung durch Glühentladung bei
annahernd atmosphärischem Druck erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
besagtes Inertgas ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus He,
Ar und Ne besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß besagte Plasmamischung bei einem Druck im Bereich von 5
bis 1500 mmHg erzeugt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Reaktivgas in besagtem Inertgas in
einem molaren Verhältnis von weniger als 0,3 bis 1 enthalten
ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Glühentladung durch Anlegen einer
Spannungsdifferenz zwischen einem Elektrodenpaar bei einer
elektrischen Leistung von 0,02 bis 6,0 W pro
Quadratzentimeter besagter Elektrode bewirkt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Glühentladung durch Anlegen einer
Spannungsdifferenz zwischen einem Elektrodenpaar bei einer
Frequenz im Bereich von 1 kHz bis 13,56 MHz bewirkt wird.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP28990390 | 1990-10-26 | ||
JP17369191 | 1991-07-15 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4135697A1 true DE4135697A1 (de) | 1992-05-14 |
DE4135697C2 DE4135697C2 (de) | 1994-01-27 |
Family
ID=26495571
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE (1) | DE4135697C2 (de) |
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US6051096A (en) * | 1996-07-11 | 2000-04-18 | Nagle; Dennis C. | Carbonized wood and materials formed therefrom |
US5910341A (en) * | 1996-10-31 | 1999-06-08 | International Business Machines Corporation | Method of controlling the spread of an adhesive on a circuitized organic substrate |
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1991
- 1991-10-25 US US07/783,022 patent/US5143748A/en not_active Expired - Lifetime
- 1991-10-25 DE DE4135697A patent/DE4135697C2/de not_active Expired - Lifetime
- 1991-10-25 GB GB9122710A patent/GB2250036B/en not_active Expired - Lifetime
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
GB2250036B (en) | 1994-07-06 |
GB9122710D0 (en) | 1991-12-11 |
US5143748A (en) | 1992-09-01 |
DE4135697C2 (de) | 1994-01-27 |
GB2250036A (en) | 1992-05-27 |
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Legal Events
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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