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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Durchführen einer
kolloidalen Färbung
eines Materials.
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Ein
Material kann auf viele verschiedene Weisen gefärbt werden, von denen jede
ihre eigenen Vorteile und Nachteile aufweist. Ein Material zu färben bedeutet üblicherweise,
dass eine Farbschicht mit einer gewünschten Farbe auf eine zu färbende Oberfläche aufgebracht
wird, oder dass in die Rohmaterialen im Herstellungsstadium Färbungsbestandteile
eingebracht werden. Wenn bei Erhaltung der Lichtdurchlässigkeit
lichtdurchlässige
Materialien, wie z.B. Glas, gefärbt
werden, wird selbst in dem Fall, wenn die separate Farbschicht lichtdurchlässig ist,
zum Beispiel aufgrund deren dünner
Beschaffenheit, mit dem herkömmlichen
Auftragen einer separaten Farbschicht oft nicht das gewünschte Ergebnis erreicht.
Wenn dem Material im Herstellungsstadium ein Farbstoff zugesetzt
wird, werden beträchtliche Mengen
des Farbstoffs verbraucht und chemischen Reaktionen unterzogen.
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Um
lichtdurchlässige
Materialien wie Glas färben
zu können,
ist es bekannt, das so genannte kolloidale Färben einzusetzen, bei dem dem
zu färbenden
Material im Herstellungsstadium eine Färbungskomponente üblicherweise
dann zugeführt wird,
wenn das zu färbende
Material sich noch zumindest teilweise im flüssigen Zustand befindet. Durch
genaues Steuern des Abkühlens
der Schmelze ist es möglich,
derartige chemische und wärmetechnische
Bedingungen zu schaffen, dass als Ergebnis des Abkühlens des
Materials die Färbekomponente
als kolloidale Kleinstpartikel im zu färbenden Material phasengetrent
und auskristallisiert wird. In diesem Stadium besitzt das Partikel
normalerweise noch keinerlei färbende
Eigenschaften, die Partikelgröße muss
jedoch erhöht
werden, um die färbenden Eigenschaften
zu erlangen. Die Größe der auskristallisierten
Kleinstpartikel wird entweder durch Nacherwärmung oder durch chemisches
Vermischen des Materials im Schmelzstadium, derart, dass das kolloidale
Partikel bereits im Abkühlstadium
die farberzeugende Größe annimmt,
gesteuert. Es ist schwierig, die Partikelgröße durch chemisches Vermischen
zu steuern, das normalerweise zu einem unkontrollierten Wachstum
der Partikelgröße führt und
zur Folge hat, dass die Partikel Licht unterschiedlicher Wellenlängen absorbieren
und streuen.
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Die
kolloidale Färbung
ist von besonderem Interesse, da die kolloidale Färbung verwendet
werden kann, um lichtdurchlässige
Materialien rot zu färben.
Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber z.B. der Ionenfärbung, welche
ein weiteres, häufig
verwendetes Verfahren zum Färben
lichtdurchlässiger Materialien
darstellt. Die Ionenfärbung,
welche an sich ein einfacheres Verfahren als die herkömmliche kolloidale
Färbung
darstellt, hat den signifikanten Nachteil, dass insbesondere die
rote Farbe in der Auswahl an verfügbaren Farben fehlt.
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Die
farberzeugenden Eigenschaften der Kolloidalpartikel sind an sich
bekannt. Dies wird beispielsweise in Doremus, R. (1994), Glass Science, Kapitel
17, S. 314–315,
behandelt. Im Hinblick auf die kolloidale Färbung sind kolloidale Suspensionen stark
absorbierender Materialien erforderlich, bei denen die optische
Absorption gegenüber
der Lichtstreuung überwiegt.
Diese Bedingung wird von Metallen und einigen anderen Materialien
erfüllt,
wenn die Lichtstreuung durch die Begrenzung der Partikelgröße auf weniger
als 50 nm minimiert wird. Zu den bekannten Materialien, welche bei
der kolloidalen Färbung
von Glas verwendet werden, zählen
Kupfer (erzeugte Farbe Rubinrot), Silber (Gelb) und Gold (Rubinrot).
Zu den färbenden
kolloidalen Partikeln gehören
zum Beispiel auch Selenverbindungen (Rosa) in Glas, jedoch hängt in diesem
Fall die Absorption nicht von der Partikelgröße, sondern von der chemischen
Zusammensetzung des Partikels ab.
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Ein
bekanntes Verfahren zum kolloidalen Färben von Glas basiert auf dem
Grundgedanken, dass die färbende
Metallkomponente, die der Masse des geschmolzenen Glases zugesetzt
wird, im Glas verringert wird, als ein Metall, dessen Löslichkeit
im Glas verringert wird, wenn die Temperatur reduziert wird, und
dass sie bei einer bestimmten Temperatur in kleine Partikel phasengetrent
und auskristallisiert wird, wodurch eine Suspension aus Glas und
Metallpartikeln gebildet wird. Wenn sich die Größe der gebildeten Partikel
richtig, also üblicherweise
klein genug, herstellen lässt,
wird der oben genannte Zustand erreicht, bei dem die Absorptionseigenschaften der
Partikel gegenüber
dem Streuungseffekt der Partikel überwiegen. Aus diesem Grund
verleihen die Partikel der gesamten Suspension ihre eigene charakteristische
Farbe.
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Eine
Schwierigkeit bei der aus dem Stand der Technik bekannten kolloidalen
Färbung
liegt darin, dass das Verfahren kompliziert und deshalb schwer zu
steuern ist. Zu den bei der Bildung der Partikel wirksamen Faktoren
zählen
zum Beispiel das Gleichgewicht zwischen Oxidation und Reduktion (das
so genannte Redoxgleichgewicht) und die Wärme-Vorgeschichte der zu färbenden
Substanz. Darüber
hinaus muss das zu färbende
Material nach der Phasentrennung einer thermischen Behandlung unterzogen
werden, um die Partikelgröße nach
der Färbung
auf die farberzeugende Größe zu erhöhen. Außerdem muss
die Chemie des zu färbenden
geschmolzenen Materials sorgfältig
gesteuert werden, derart, dass die gebildeten kolloidalen Partikel
die richtige Zusammensetzung aufweisen und ein möglichst großer Teil des gelösten färbenden
Materials auf eine kristallisierende Form reduziert wird. Wenn zum
Beispiel Silber oder Kupfer verwendet wird, müssen günstige chemische Bedingungen
zur Bildung der metallischen Silber- oder Kupferpartikel mittels
Reduktion geschaffen werden, und es muss darauf geachtet werden,
zu verhindern, dass die Substanz in Oxidform im Glas verbleibt und
reoxidiert wird. Es sind bereits Versuche unternommen worden, das
Verfahren zur Bildung der Partikel zum Beispiel durch verschiedene,
der Schmelze zugesetzte Zusatzstoffe zu steuern, jedoch besteht
ein Problem dahingehend, dass z.B. die Theorie der Bildung von kolloidalen
Partikeln in Glas noch nicht vollständig bekannt ist, weshalb es
schwierig ist, die Wirkung der Zusatzstoffe vorauszusagen.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die oben beschriebenen Schwierigkeiten
bei der aus dem Stand der Technik bekannten kolloidalen Färbung durch
die Verwendung eines Flammensprühverfahrens
zum Einbringen kolloidaler Partikel in das zu färbende Material zu beseitigen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist im unabhängigen
Anspruch 1 dargelegt.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist im unabhängigen
Anspruch 10 dargelegt.
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Ein
Vorteil der Erfindung gegenüber
der aus dem Stand der Technik bekannten kolloidalen Färbung besteht
darin, dass das Färbeverfahren
signifikant vereinfacht wird, da das aus dem Stand der Technik bekannte
Wärmebehandlungsstadium,
das eine präzise
Steuerung erfordert, und die mögliche Steuerung
der chemischen Zusammensetzung entfallen. Ferner ermöglicht die
erfindungsgemäße Lösung die
kolloidale Färbung
auch für
fertig verarbeitete Materialien. Bei aus dem Stand der Technik bekannten
Lösungen
werden die Komponenten, die die kolloidale Färbung erzeugen, üblicherweise
vor der Verarbeitung des Materials in dem zu färbenden Material vermischt.
Beispielweise werden zur kolloidalen Färbung eines Glasobjektes gemäß der aus
dem Stand der Technik bekannten Lösung die färbenden Komponenten der Masse
des geschmolzenen Glases zugesetzt, bevor die Glasmasse zu einem
Objekt geformt wird. Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann die kolloidale
Färbung
bei einem bereits geformten Glasobjekt, zum Beispiel durch das Sprühen von
die kolloidale Färbung
erzeugenden Partikeln auf die Oberfläche des Glasobjekts oder durch
das Sprühen
einer neuen Schicht eines die kolloidalen Partikel enthaltenden
Aerosols auf die Oberfläche
des Objekts, durchgeführt
werden.
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Nachfolgend
wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Flussdiagramm, das das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung
einer kolloidalen Färbung
eines Materials zeigt,
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2 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zur
Erzeugung einer kolloidalen Färbung
eines Materials in schematischer Darstellung.
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Nachfolgend
werden die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung
am Beispiel des Färbens
von Glas erläutert.
Die Grundidee der Erfindung ist jedoch nicht ausschließlich auf
das Färben
von Glas beschränkt,
sondern sie kann auch zum Färben
anderer Materialien, die vorzugsweise transparent oder lichtdurchlässig sind,
angewendet werden. Ferner ist die Grundidee nicht ausschließlich auf
das Färben amorpher
Materialien beschränkt,
sondern sie kann auch bei der Färbung
von Flüssigkeiten
und festen Substanzen angewendet werden.
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Bei
der erfindungsgemäßen kolloidalen
Färbung
eines Materials werden die Partikel, die die kolloidale Färbung erzeugen,
separat von dem zu färbenden
Stück hergestellt
und in einem Arbeitsgang mittels Sprühen in das zu färbende Stück eingebracht.
Die Färbung
kann somit vorteil hafterweise bei einem Stück durchgeführt werden, das schon geformt
oder vorgeformt ist. Im Ergebnis ist es möglich, die die Herstellung
und das Färben
des Stückes
betreffenden Arbeitsgänge
klar voneinander abzugrenzen, was das zu steuernde Verfahren im
Vergleich zu der aus dem Stand der Technik bekannten kolloidalen
Färbung
signifikant vereinfacht.
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Wie
in dem Flussdiagramm von 1 gezeigt, umfasst das erfindungsgemäße Färbeverfahren
einen Schritt 11, in dem eine Flamme gebildet wird. In
der vorliegenden Anmeldung ist unter dem Begriff „Flamme" nicht ausschließlich eine
herkömmliche
Flamme zu verstehen, die durch Verbrennung von Reaktanten gebildet
wird. Vielmehr kann es sich bei der Flamme um irgendein für den Fachmann
naheliegendes Verfahren zur Erzeugung einer hohen lokalen Temperatur
handeln. Zu solchen Alternativen zählen zum Beispiel eine Plasmaflamme
oder eine Lichtbogenflamme.
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Im
nächsten
Schritt 12 wird eine erste Komponente direkt der Flamme
oder deren unmittelbarer Umgebung zugeführt. Bei der der Flamme zuzuführenden
ersten Komponente handelt es sich vorzugsweise entweder um ein Material,
welches direkt die kolloidalen Partikel enthält, oder um ein anderes Material,
welches infolge einer chemischen oder einer anderen Reaktion im
Material kolloidale Partikel mit der richtigen Größe bildet.
Die der Flamme zuzuführende
erste Komponente kann entweder direkt im flüssigen Zustand oder vorzugsweise
in einer fertig gemischten Form oder in einer zweiten Komponente gelöst der Flamme
zugeführt
werden. Zu den Beispielen zählen
ein Goldkolloid, Silberkolloid oder eine Kupferkolloidlösung.
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Ferner
ist es möglich,
der Flamme auch weitere Komponenten zuzuführen, wie zum Beispiel ein Beschichtungsmaterial,
das die die kolloidale Farbe erzeugenden Partikel überzieht,
oder eine glasbildende Flüssigkeit
oder ein gasförmiges
Material, welche die Bildung von kolloidalen Partikeln mit der richtigen
Größe im Material
unterstützen.
Beispiels weise kann, wenn Glas mit Gold gefärbt wird, die erste der Flamme
zuzuführende
Komponente eine Ionenlösung
von Gold, wie etwa Goldchlorid HAuCl4, sein, das
in der Flamme Goldpartikel bildet, und die zweite Komponente kann
eine Alkalimetallverbindung, wie Lithiumnitrat LiNO3,
sein, das die Größe der in
der Flamme gebildeten Goldpartikel verringert. Die Substanzen können entweder
separat oder, wenn sie nicht nachteilig miteinander reagieren, gemeinsam zugeführt werden.
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Es
ist auch möglich,
in das Verfahren andere, nicht mit der kolloidalen Färbung zusammenhängende Komponenten
einzubringen, wie z.B. eine andere eine Färbung erzeugende Komponente.
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Im
nächsten
Schritt 13 des Verfahrens wird die flüssige Komponente derart zerstäubt, dass
die gebildeten Tropfen die erste Komponente oder eine dritte Komponente,
welche als Ergebnis einer Reaktion gebildet wurde, in der die erste
Komponente einen Reaktanten darstellte, oder eine Kombination von
diesen enthalten. Vorzugsweise wird veranlasst, dass diese Tropfen
die erste Komponente aufnehmen, wenn die erste Komponente gemischt
oder in der Flüssigkeit
gelöst
wurde, um schon beim Zuführen
zur Flamme zerstäubt
zu werden.
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Das
Zerstäuben
kann vorzugsweise durch ein der Flamme, vorzugsweise der Umgebung
der Flamme, zugeführtes
Gas durchgeführt
werden. Zudem wird das Zerstäuben
vorzugsweise in derselben Vorrichtung wie die Flammenbildung durchgeführt.
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Im
nächsten
Schritt 14 des Verfahrens werden die Tropfen verdampft,
wobei die nicht verdampfenden Komponenten in den Tropfen metallische Kleinstpartikel
bilden. Die Partikel können
entweder direkt durch Nukleation herausgebildet werden, oder die
Komponenten im Tropfen können
zuerst mit weiteren vorhandenen Komponenten unter Bildung neuer
Verbindungen reagieren, die dann zu Partikeln nukleiert werden.
Beispielsweise kann metallisches Silber während des Verfahrens noch mals
oxidiert und reduziert werden, während
metallisches Gold in der Flamme zu Nanopartikeln nukleiert wird.
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Die
Verdampfung kann vorzugsweise entweder mittels der Eigenwärme der
Flamme oder zum Beispiel mittels der Wärme, die von einem als Zerstäubungsgas
verwendeten und der Reaktion Wärme
zuführenden
Gas erzeugt wurde, oder mittels eines exotherm reagierenden Lösungsmittels,
bewirkt werden.
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Durch
Steuern der funktionellen Verfahrensparameter, wie z.B. der Flammentemperatur,
der Gasströmungsrate
sowie der Zusammensetzung, der Verhältnisse und der absoluten Mengen
der der Flamme zugeführten
Komponenten ist es möglich, nicht
nur die Zusammensetzung der gebildeten Partikel, sondern auch deren
Konzentration und Größenverteilung
zu steuern.
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Die
Steuerung der Größenverteilung
der gebildeten Partikel ist von wesentlicher Bedeutung, da, wie
im Zusammenhang mit der Beschreibung des Stands der Technik erläutert, die
Partikelgröße einen wesentlichen
Faktor für
die erfolgreiche kolloidale Färbung
darstellt. Einer der wesentlichsten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
gegenüber
der aus dem Stand der Technik bekannten kolloidalen Färbung besteht
somit darin, dass die Größenverteilung
der gebildeten Partikel einfacher gesteuert werden kann. Im Gegensatz
zu der aus dem Stand der Technik bekannten, auf thermischer Behandlung
basierenden Lösung
ist die Größenverteilung
der gebildeten Partikel nicht nur einfacher zu steuern, sondern lässt sich
beim erfindungsgemäßen Verfahren
auch einfacher theoretisch modellieren.
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Die
Größenverteilung
wird vorzugsweise derart gesteuert, dass die Größenverteilung der sich bildenden
Partikel so begrenzt ist, dass sie unterhalb einer bestimmten Partikelgröße liegt,
oder zumindest so, dass, als Einheit betrachtet, die Absorptionseigenschaften
der optischen Wellenlängen
gegenüber den
Streuungseigenschaften der optischen Wellenlängen der Partikel überwiegen.
Das Maximum der Partikelgrößenverteilung
bei der kolloidalen Färbung liegt üblicherweise
unterhalb von 50 nm, vorzugsweise zwischen 1 und 20 nm. Es ist besonders
wichtig, das Herausbilden von zu großen Partikeln zu vermeiden,
da die Streuungseigenschaften bei großen Partikeln überwiegen,
was das Erreichen des gewünschten
Farbergebnisses verhindert.
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Von
den Erfindern durchgeführte
praktische Tests haben überraschenderweise
ergeben, dass eine Vergrößerung des
Partikelinhalts nicht immer zu einem besseren oder effektiveren
Farbergebnis führt, selbst
wenn die Partikelgrößenverteilung
der gebildeten Partikel günstig
war. Überraschenderweise
hat die Vergrößerung des
Partikelgehalts unter gewissen Umständen bei der Färbung zu
schwerwiegenden Verfärbungen
geführt.
Um dies zu verhindern, wird die Steuerung vorzugsweise durch Begrenzung
des Gehalts der sich bildenden Partikel auf einen Wert unterhalb
eines bestimmten Gehaltswertes durchgeführt, der vom jeweiligen zu
färbenden
Material, der verwendeten färbenden
Komponente und den Parametern des Färbungsverfahrens abhängt.
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Im
letzten Schritt 15 des Verfahrens werden die gebildeten
Partikel mit dem zu färbenden
Material in Kontakt gebracht. Die Partikel sammeln sich durch Thermophorese
und Diffusion in dem zu färbenden Material
an. Da die gebildeten Partikel klein sind, ist auch ihre Diffusion
im Material stark, wobei die Partikel in das Material eindringen
und es dabei auch tiefer als die Oberfläche färben.
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Falls
gewünscht,
ist es auch möglich,
das zu färbende
Material in Verbindung mit der Färbung
zu besprühen.
In diesem Fall ist es möglich,
zum Beispiel eine neue, gefärbte
Schicht aus Glas auf der Oberfläche
eines vorgeformten Glasobjekts herzustellen. Durch abwechselndes
Sprühen
von verschiedenen Farben und farblosem/ungefärbtem Material in einer gewünschten
Reihenfolge ist es möglich, zum
Beispiel verschiedene färbende
Schichten in einer Weise zu verwirklichen, die im Vergleich zum Stand
der Technik wesentlich einfacher ist.
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2 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung 20 zur
Erzeugung einer kolloidalen Färbung
von Materialien. Beim dargestellten Beispiel handelt es sich um
eine auf einem Brenngas basierende Flammensprüh-Vorrichtung, es ist jedoch für jeden
Fachmann naheliegend, dass eine entsprechende Vorrichtung auch mit
einer zum Beispiel auf einer Plasmaflamme basierenden Einrichtung
realisiert werden kann.
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Die
Vorrichtung 20 umfasst ein Düsenteil 21, das eine
Flamme 29 zum Sprühen
einer färbenden Komponente 27 erzeugt.
Die Düse
besteht vorzugsweise aus ineinander angeordneten Röhren 22a, 22b, 22c, 22d,
durch welche die beim Sprühen
verwendeten Komponenten leicht der Flamme 29 zugeführt werden
können.
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Um
die Flamme 29 zu erzeugen, wird dem Düsenteil 21 ein Brenngas
zugeführt,
bei dem es sich zum Beispiel um Wasserstoff handelt, welches in 2 von
einem Behältnis 23b in
eine als Zuführleitung
verwendete Röhre 22b geleitet
wird. Auf entsprechende Weise kann auch zur Erzeugung der Flamme
benötigter
Sauerstoff von einem Behältnis 23c in
die Zuführröhre 22c geleitet
werden. Die Zuführröhre 22c kann
mit der Zuführröhre 22b verbunden
werden, um eine vorgemischte Flamme zu erzeugen. Die Flamme 29 wird
vom Brenngas und vom durch die Düse 5 strömenden Sauerstoff
erzeugt. Um die Reaktionen in der Flamme oder in deren Umgebung
zu steuern, kann dem Verfahren durch die Zuführleitung 22a ein
Schutzgas aus dem Behältnis 23a zugeführt werden.
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Der
Einfachheit halber ist in 2 nur eine Situation
gezeigt, bei der die für
die kolloidale Färbung
erforderliche Komponente fertig gemischt oder gelöst in einer
zu zerstäubenden
Flüssigkeit
in einem Behältnis 23d vorliegt.
Geringfügige Änderungen
bei der Vorrichtung, die erforderlich sind, um die anderen, im das
erfindungsgemäße Verfahren
betreffenden Abschnitt dargestellten vorteilhaften Alternativen zu
verwirklichen, wie zum Beispiel das Vorsehen mehrerer Flüssigkeitseinlässe durch
Erhöhung
der Anzahl der ineinander angeordneten Röhren oder durch Verbinden mehrerer
Behältnisse
mit dem gleichen Einlass oder durch Sprudeln der Komponente entsprechend
den Brenngasen, dürften
für jeden Fachmann
im Lichte des oben dargestellten Verfahrens naheliegend sein.
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In
der Vorrichtung von 2 wird die zu zerstäubende Flüssigkeit
aus einer Kammer 23d in eine Zuführleitung 22d geleitet.
Die Flüssigkeit
wird durch die Zuführleitung
zu einer Düse
S zum Zerstäuben der
Flüssigkeit
geleitet, die in einer an sich bekannten Weise ausgebildet ist,
um die gewünschten
Strömungseigenschaften
zu erzielen. Die durch die Düse S
fließende
Flüssigkeit
wird vorzugsweise durch ein aus der Zuführleitung 22b strömendes Gas
zu Tröpfchen 28 zerstäubt. Unter
der Wirkung der von der Flamme 29 freigesetzten thermischen
Energie reagieren oder verdampfen die Tröpfchen 28, um Partikel 27 zu
bilden, welche vorteilhafterweise in das zu färbende Material eingebracht
werden.
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Die
Vorrichtung 20 umfasst ferner einen Steuerungsrechner 26 oder Ähnliches,
um die Betriebsparameter der Vorrichtung derart zu steuern, dass
es möglich
ist, die Eigenschaften der bei der Verdampfung der Tröpfchen 29 gebildeten
Partikel 27, wie zum Beispiel die Konzentration und die
Partikelgrößenverteilung,
zu steuern.
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Die
oben gezeigten Figuren und die hierauf bezogenen Beschreibungen
sollen lediglich dazu dienen, die Idee der Erfindung zu veranschaulichen. Die
Details der Erfindungen können
innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche variieren.