DE4135697C2

DE4135697C2 - Verfahren zur Verbesserung von Holzoberflächeneigenschaften

Info

Publication number: DE4135697C2
Application number: DE4135697A
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Ishikawa; Hiroaki Usui; Yasushi Sawada; Satiko Okazaki; Masuhiro Kogoma
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1990-10-26
Filing date: 1991-10-25
Publication date: 1994-01-27
Anticipated expiration: 2011-10-26
Also published as: DE4135697A1; GB2250036B; GB9122710D0; GB2250036A; US5143748A

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, um 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 nähernd 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 ein 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 Fasersättigungspunkt abzusenken, verbessern und zusätzlich bei nahezu atmospharischen Drücken durchgeführt werden.

Demgemäß ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges Plasmabehandlungsverfahren zur Verbesserung von Holzoberflächen zur Verfügung zu stellen, das die erwartete Oberflächenverbesserung gleichförmig über die gesamte Oberfläche des Holzes sicherstellen kann, wobei es möglich sein soll, das Plasmaverfahren bei einem annähernd atmosphärischen Druck innerhalb eines Druckbereiches von 666 bis 2000 hPa durchzuführen, 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.

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 Energieflußdichte 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 Inertgas 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 würde.

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 Durchflußmenge 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 Durchmesser 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, um eine Wechsel spannung zwischen den Elektroden 21 und 22 anzulegen, um 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 666 bis 2000 hPa der Plasmamischung auszusetzen. Die Kammer 10 ist mit Isolierungshülsen 25 und 26 versehen, die um 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.

Beispiel 1

Holzstücke aus japanischer Zypresse wurden auf eine Probengröße 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 mm 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 Eigenschaften zu verleihen. He-Gas wurde als Inertgas mit einer Durchflußmenge von 2000 cm³/min zugeführt, während CF₄ zusammen damit als Reaktivgas mit einer Durchflußmenge von 50 cm³/min zugeführt wurde. Während das Mischgas kontinuierlich in die Kammer eingelassen wurde, wurde eine Wechselspannung zwischen den Elektroden mit einer Frequenz von 5 kHz mit einer elektrischen Leistung von 150 W angelegt, bei einem Druckniveau von 1013 hPa und für eine Minute, um eine Glühentladung zur Erzeugung der Plasmamischung 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 plasmabehandelten Holzstück festgestellt, selbst wenn man es mit einem fluorkohlenwasserstoffhaltigen Oberflächenreinigungsmittel (Daiflon®) wusch.

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-Mischgasbestandteile 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 Oberflächenschicht 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 Berührungswinkel 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.

Beispiel 2

Holzstücke aus japanischer Zypresse, die zur obigen Probengröße zugeschnitten wurden und einen anfänglichen Feuchtigkeitsgehalt 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-plasmabehandelten Holzstück zur Bewertung der wasserabstoßenden Eigenschaften untersucht. Das Ergebnis war, daß das plasmabehandelte 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.

Beispiel 3

Holzstücke aus japanischer Zypresse mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 100% wurden zur Probengröße zugeschnitten und bei 105°C für 3 Stunden getrocknet, so daß sie einen verringerten 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 Berührungswinkel 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 Holzstück einen mittleren Berührungswinkel von 80° besitzt. Auch hier wurde keine Veränderung im Berührungswinkel beim plasmabehandelten Holzstück festgestellt, selbst wenn dieses mit Daiflon® gewaschen wurde.

Vergleichsbeispiel 1

Holzstücke aus japanischer Zypresse mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 100% wurden zur Probengröße zugeschnitten. Ohne die Vorbehandlung wurde das Holzstück der Plasmabehandlung unter identischen Bedingungen wie in Beispiel 1 unterworfen, in einem Versuch, diesem wasserabstoßende 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.

Beispiel 4

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 Holzstücke 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 Durchflußmenge von 4000, 20 bzw. 50 cm³/min zugeführt wurden und eine elektrische Leistung von 50 W bei einer Frequenz von 3 kHz angelegt wurde, bei einem Druck von 1013 hPa für 2 Minuten, wie in Tabelle 1 aufgelistet. Das resultierende 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.

Beispiel 5

Holzstücke aus japanischer Zypresse, zugeschnitten auf Probengröße, wurden unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 2 vorbehandelt, so daß sie einen verringerten Feuchtigkeitsgehalt 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 Wassertropfen an den drei Punkten, während das nicht-plasmabehandelte Holzstück einen mittleren Berührungswinkel von 80° aufwies. Auch in diesem Beispiel wurde für das plasmabehandelte Holzstück keine Veränderung im Berührungswinkel festgestellt, selbst wenn dieses mit Daiflon® gewaschen wurde.

Beispiel 6

Holzstücke aus japanischer Zypresse mit der entsprechenden Probengröße wurden unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 3 vorbehandelt, so daß sie einen reduzierten Feuchtigkeitsgehalt von 20% aufwiesen. So vorbehandelte Holzstücke 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.

Vergleichsbeispiel 2

Holzstücke aus japanischer Zypresse mit 100% Feuchtigkeitsgehalt wurden zur Probengröße zugeschnitten. Ohne die Vorbehandlung 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 Wassertropfen an den drei Punkten, während das nicht-plasmabehandelte Holzstück einen mittleren Berührungswinkel von 80° zeigte. Auch hier konnten bei dem plasmabehandelten Holzstück keine Veränderungen im Berührungswinkel festgestellt werden, selbst wenn dieses mit Daiflon® gewaschen wurde.

Beispiel 7

Ein Holzstück aus Eiche wurde bei 105°C für 6 Stunden getrocknet, um 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 entsprechenden Durchflußmengen von 5000 bzw. 100 cm³/min zugeführt wurden und eine elektrische Leistung von 100 W bei einer Frequenz von 10 kHz angelegt wurde, bei einem Druck von 1013 hPa für eine Minute. Nach Abschluß der Plasmabehandlung 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 Wassertropfen 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.

Beispiele 8 bis 11

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.

Beispiel 12

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.

Beispiel 13

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.

Beispiele 14 bis 19

Holzstücke aus Eiche, zugeschnitten auf Probengröße und vorbehandelt, 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 733, 840, 933, 1333, 1666 und 1933 hPa 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.

Vergleichsbeispiel 3

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-Gasdurchflußbehandlung unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 7. So behandelte Holzstücke wurden getestet und ergaben Berührungswinkel mit dem Wassertropfen an den drei Punkten, wie in Tabelle 2 aufgelistet.

Vergleichsbeispiel 4

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 Holzstücke wurden getestet und ergaben Berührungswinkel mit dem Wassertropfen an den drei Punkten, wie in Tabelle 2 aufgelistet.

Vergleichsbeispiele 5 und 6

Holzstücke aus Eiche, zugeschnitten zu Probengröße und vorbehandelt, 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 533 bzw. 1400 hPa durchgeführt wurde, wie in Tabelle 2 aufgelistet. 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 wasserabstoßenden Eigenschaften, die für Vergleichsbeispiel 5 erhalten wurden, rühren vermutlich daher, daß die Feuchtigkeit, die im Holz enthalten ist, bei einem so weit abgesenkten Druck wieder auftaucht und dadurch die Fluorierungsreaktion zwischen CF₄ und der Holzoberfläche behindert. Andererseits vermutet man, daß die in ähnlicher Weise ungenügenden wasserabstoßenden Eigenschaften von Vergleichsbeispiel 6 darauf zurückzuführen sind, daß eine stabile Gasentladung oder Plasmamischung bei einem so erhöhten Druckniveau schwierig ist.

Vergleichsbeispiel 7

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 Urethanharzbeschichtung überzogen, zur Bewertung des Beschichtungshaftvermögens mittels des Kreuzschnitt-Bandverfahrens gemäß JIS K-5400, 8-5-2. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgelistet.

Vergleichsbeispiel 8

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 666 bis 2000 hPa 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.

Claims

1. Verfahren zur Verbesserung von Holzoberflächeneigenschaften, dadurch gekennzeichnet, daß der Feuchtigkeitsgehalt eines Holzstücks unter dessen Fasersättigungspunkt abgesenkt, das Holzstück einem Plasma aus einer Inertgas- und Reaktivgasmischung, die wenigstens ein Element aus der Gruppe C, N, O, F und S enthält, ausgesetzt und die Plasmamischung durch Glühentladung bei annähernd atmosphärischem Druck erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Inertgas He, Ar und Ne verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmamischung bei einem Druck im Bereich von 666 Pa bis 2000 hPa erzeugt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch, welches das Reaktivgas im Inertgas in einem molaren Verhältnis von weniger als 0,3 enthält, verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühentladung durch Anlegen einer Spannungsdifferenz zwischen einem Elektrodenpaar bei einer elektrischen Leistung von 0,02 bis 6,0 W pro Quadratzentimeter der 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.