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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbessern
der Oberflächeneigenschaften
von Polymeren, wie etwa zum Verbessern der Haftung oder zum Verbessern
der Dochtwirkung, d. h. des Beförderns
einer Flüssigkeit
durch Kapillarwirkung.
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Vorhandene
Verfahren zur Oberflächenbehandlung
von Polymeren umfassen abrasives Polieren, Ätzen, Waschen mit Lösemittel,
Behandlung mit chloriertem Polyolefin (CPO), Behandlungen durch
Exponieren gegenüber
einer Korona- oder Glimmentladung sowie Plasma- oder Flammenbehandlungen.
Außerdem
gibt es Fluorierungs- und Oxyfluorierungsverfahren. Jedes dieser
Verfahren hat seine eigenen Unzulänglichkeiten.
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Wird
eine Polymeroberfläche
einem abrasiven Polieren oder einer Ätzung (mit Lösemittel
oder anderweitig) unterzogen, wird es schwierig, anschließend eine
glatte und glänzende
Anstrichfarbenschicht auf der Polymeroberfläche zu erzielen. Waschen mit
Lösemittel
und CPO-Behandlungen erzeugen große Volumina von Abfallnebenprodukten
und verwenden Lösemittel,
die zu Emissionen flüchtiger
organischer Verbindungen beitragen, wenn sie nicht aufgefangen und
vernichtet werden. Korona- und
Glimmentladungsbehandlungen führen
zum Altern und werden im Lauf der Zeit unwirksam. Plasma und Flammenbehandlungen
ergeben auf einem gebogenen Teil keine homogene Oberflächenmodifizierung.
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Die
Nachteile der bestehenden Fluorierungs- und Oxyfluorierungsverfahren,
bei denen ein Ziel eine Oberflächenmodifizierung
ist, sind offensichtlich. Einige dieser Verfahren erfordern einen
beträchtlichen
Geräteaufwand,
da sie das Befördern
des Fluorgases aus einer Haltekammer in eine Reaktionskammer und
wieder zurück
erforderlich machen. Ein beträchtlicher
Geräteaufwand
kann auch erforderlich sein, da diese Verfahren sehr hohe Konzentrationen
an Fluor oder relativ lange Behandlungszyklen verwenden, während denen
der Druck allmählich
ansteigt. Ist ein höherer
Geräteaufwand
erforderlich, steigen die Kosten an. Verfahren, bei denen Fluor
verwendet wird, stellen eine Bedrohung der Sicherheit dar, da Fluor,
ein hoch toxisches, stark korrodierendes, reizendes Gas ist. Jedes
Verfahren, das relativ hohe Temperaturen, Drücke, Konzentrationen und/oder
Volumina an Fluor nutzt, ist wegen einer erhöhten Wahrscheinlichkeit von
Feuer oder Leckage gefährlich.
Schließlich
erhöhen
diese Verfahren wegen der Menge an Fluor und/oder Fluornebenprodukten wie etwa
Fluorwasserstoff, die nach Abschluss des Fluorierungsprozesses entsorgt
werden müssen,
das Ausmaß der
Verunreinigung.
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Es
wurden zahlreiche Versuche unternommen, die Oberflächeneigenschaften
von Polymeren zu verbessern. Beispielsweise offenbart US-A-5.654.378
(Dehennau u. a.) Gegenstände,
darunter Polyolefine, die oberflächenbehandelt
und mit Druckfarben wie etwa PVC-Farben bedruckt werden. Die Gegenstandsoberfläche enthält Fluor
und Sauerstoff in derartigen Konzentrationen, dass das Sauerstoff-/Kohlenstoff-Atomanzahlenverhältnis in
einer Tiefe von 1,5 nm wenigstens 0,08 beträgt und das Fluor-/Kohlenstoff-Atomanzahlenverhältnis wenigstens
90 % beträgt,
jedoch nicht höher
ist als 290 % des Sauerstoff-/Kohlenstoff-Atomanzahlenverhältnisses
ist.
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US-A-5.654.378
bezieht sich außerdem
auf ein Verfahren zur Herstellung derartiger Gegenstände, das
eine Oxidationsstufe und eine Fluorierungsstufe umfasst. Beispielsweise
zeigt das Patent, dass ein Fluorierungs- oder Oxyfluorierungsverfahren,
das bei Umgebungstemperatur und geringerem Druck als dem Umgebungsdruck
ein Polymer für
etwa sieben Minuten etwa 20 Millibar F2 exponiert,
wobei der Gasdruck während etwa
5 Minuten allmählich
mit einer Rate von 40 Millibar pro Minute von 200 Millibar auf 400
Millibar erhöht wird,
sodass die gesamte Einwirkungszeit des Fluors von etwa fünfzehn Minuten
beträgt,
eine für
Druckfarben aufnahmefähige
Oberfläche
liefern kann, insbesondere wenn der Sauerstoffgehalt an der Oberfläche hoch
ist.
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EP-A-0-502-303
lehrt ein Verfahren zur Behandlung von Gegenständen mit einem fluorhaltigen
Gas sowie eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens. Insbesondere
lehrt die Veröffentlichung
die Konstruktion einer Fluorierungsanlage, die so beschaffen ist,
dass sie stets in einer Betriebsart mit geringerem als dem Umgebungsdruck
arbeitet, wobei Fluor wiederverwertet wird. Sie sagt nichts über die
Druckbeaufschlagungsrate aus.
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US-A-4.752.428
(Williams u. a.) lehrt ein Verfahren zum Fertigen geformter Gegenstände, wobei
ein Thermoplast- oder Duroplastpolymer in eine Gusshohlform eingeleitet
wird, in der bei Atmosphärendruck
eine Konzentration an Fluor und Sauerstoff vorliegt, während das
Polymer in die Gussform eingeleitet wird. Das Verfahren führt zu geformten
Gegenständen
mit veränderten
physikalischen und chemischen Eigenschaften, einschließlich einer
verbesserten Oberflächenhaftung.
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US-A-4.764.405
(Bauman u. a.) offenbart ein Verfahren zum Verbessern der Sperrschichteigenschaften
von thermoplastischen Substraten. Eine Oberfläche des thermoplastischen Substrats
wird mit einem Strom eines reaktiven Gases in Kontakt gebracht,
das eine bestimmte Konzentration an Fluor und Sauerstoff aufweist.
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US-A-4.743.419
(Bierschenk) lehrt eine prozessgekoppelte Schicht-Fluorierungsvorrichtung,
die mit einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Extrusion einer Polymerschicht
zusammenwirkt. Bei einer Ausführungsform
wird eine kontinuierliche Zufuhrschicht in eine geschlossene Kammer
eingeführt,
die Führungswalzen hat,
um die Schicht in ein Gehäuse
zu lenken. Die Schicht bewegt sich um eine aus gesintertem Nickel
gebildete Walze herum, sodass mit einem fluorhaltigen Gasstrom eine
Durchdringung einer Oberfläche
der Schicht durch Gas ermöglicht
wird. Das Gas wirkt auf die freiliegende Seite der Schicht ein,
wobei die Oberfläche
der Polymerschicht verändert
und dadurch eine relativ tief reichende Oberflächenverbesserung der Schicht
erzielt wird. Nachdem sie dem Fluor ausgesetzt wurde, durchläuft die
Schicht einen geschlossenen Vakuumbehälter, der eine offene Seite
aufweist, damit nicht umgesetztes Fluor zum Auffangen und Wiederverwerten
abgezogen werden kann. Die Schicht tritt aus der geschlossenen Kammer
mit modifizierter Oberfläche
aus, und die Kammer wird mit einem leichten Unterdruck evakuiert.
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US-A-4.484.954
(Tarancon) lehrt ein Verfahren zur Halogenierung von festem polymerem
oder metallischem Material. Ein Halogen wird in eine evakuierte
Kammer eingeleitet und umgewälzt.
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US-A-4.404.256
(Anand u. a.) bezieht sich auf mit geringer Energie fluorierte Polyolefinoberflächen und
auf damit produzierte fluorierte Polymere. Dieses Patent lehrt Plasmafluorierungen
von Oberflächen
zum Erzeugen schwach fluorierter sauerstofffreier Oberflächen von
weniger als 200 Angstrom (20 nm).
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US-A-4.296.151
und 4.237.156 (Boultinghouse) lehren jeweils die Behandlung der
Oberfläche
eines festen Gegenstands, der aus einem Polymer wie etwa Polyolefin
oder Polystyrol gefertigt ist, mit einem fluorhaltigen Gas, um den
Gegenstand für
eine Haftung empfänglich
zu machen.
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US-A-4.142.032
(D'Angelo) lehrt
ein Verfahren zum Erzielen erheblicher Verbesserungen in den Sperrschichteigenschaften
polymerer Gegenstände,
wie etwa Schichten und Behältern,
durch Oberflächenbehandlung
sowohl mit Fluor als auch mit Brom.
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US-A-4.081.574
(Hawkins u. a.) offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum
Exponieren von Gegenständen
gegenüber
reaktiven gasförmigen
Fluiden, um ihre Oberflächeneigenschaften
zu verändern.
Die Gegenstände
werden einem oder mehren Fluiden ausgesetzt, die zwischen einer
Reaktionskammer und einer Haltekammer hin und her umgeladen werden.
Wenn die Fluide umgeladen werden, passieren sie ein Auffanggefäß, das dazu
bestimmt ist, Reaktionsnebenprodukte zu entfernen, ohne dass wertvolle
Reaktandenfluide beeinflusst werden. Da die Fluide unter Vakuum
umgeladen werden können
und die Gesamtreaktion bei relativ niedriger Temperatur stattfinden
kann, bietet das Verfahren eine zweckmäßige und sichere Methode zur
Handhabung reaktiver Fluide. Das Verfahren ist insbesondere für die Fluorierung
einer Vielfalt von Gegenständen, wie
etwa Kunststoffbehältern,
Aerosolflaschen und Schichten, nützlich,
um ihren Sperrschichtwiderstand gegenüber Lösemitteln und Gasen zu verbessern.
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US-A-4.020.223
(Dixon u. a.) lehrt die Oberflächenmodifizierung
von Polyolefin- und Polyacrylnitrilfasern unter Verwendung von elementarem
Fluor und von Mischungen mit geringem Sauerstoffgehalt zum Verbessern
von Eigenschaften hinsichtlich der Ölfreisetzung und des Feuchtigkeitstransports.
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US-A-4.009.304
(Dixon u. a.) lehrt ein Verfahren zum Verbessern der Haftung von
Polyestergarn, Reifenkord oder -gewebe und polyesterverstärkten Gummiwaren
wie etwa Reifen. Eine verbesserte Haftung wird durch Fluorierung
des Polyestergarns, Reifenkords oder -gewebes vor dessen Einfügen in den
Reifen oder die Gummiwaren erzielt.
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US-A-3.988.491
(Dixon u. a.) offenbart ein Verfahren zum Verbessern des Farbstoffaufnahmevermögens sowie
der Schmutz- und Färbemittelablösungseigenschaften
von aus Fasern gebildeten Materialien wie etwa Polyestern und Polyamiden.
Die verbesserten Eigenschaften werden erzielt, indem die Fasern
für kurzen Zeitdauern
einer Fluorbehandlung in Gegenwart von wenig oder keinem Sauerstoff
ausgesetzt werden.
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US-A-3.413.266
(Saines u. a.) lehrt die Fluorierung von Polycarbonatschichten unter
Verwendung von elementarem Fluor bei geringeren Drücken als
dem Umgebungsdruck.
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US-A-2.811.468
(Joffre) lehrt die Nachbehandlung von Polyethylenschichten und -behältern zum
Verbessern ihrer Gassperrschichteigenschaften.
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US-A-2.715.075
(Wolinski) bezieht sich auf ein Verfahren zur Behandlung der Oberfläche von
Polyethylenstrukturen, insbesondere einer Polyethylenschicht, um
die Haftung aufgedruckter Druckfarben und verschiedener anderer
Materialien darauf zu fördern.
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US-A-2.502.841
(Henderson) bezieht sich auf Polyethylenstrukturen, bei denen die
Oberfläche,
die Druckfarbenverdichtungen aufzunehmen hat, modifiziert wurde,
sodass die getrockneten Druckfarbenverdichtungen fest und zäh darauf
haften. Das Patent lehrt auch ein Verfahren zum Vorbereiten derartiger
Oberflächen.
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US-A-4.830.810
(Ufer u. a.) lehrt ein Verfahren zur Blasformung und Fluorierung
von Kunststoffbehältern,
das im Wesentlichen in drei Schritten ausgeführt wird, einschließlich der
Blasformung des Behälters
in einer mechanisch verschlossenen Gussform mit einem Inertgas bei
einem vorgegebenen Druck, der Prüfung der
Gussform auf Druckdichtigkeit bei einem zweiten höheren Druckpegel
mit einem Inertgas sowie anschließenden Einleitens eines fluorhaltigen
Gases in die Gussform bei einem dritten Druckpegel.
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US-A-5.487.810
(Thurm u. a.) lehrt die Verwendung von Schwefelhexafluoridplasma
zum Verbessern der Oberflächeneigenschaften
von Kunststoffkomponenten für
die Haftung von Beschichtungen, insbesondere von metallischen Beschichtungen.
Bei diesem Verfahren werden die Kunststoffoberflächen während der Vorbehandlung von
Fluorabscheidungen oder Einschlüssen
freigehalten.
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US-A-5.484.651
(Sasaki u. a.) lehrt die Verbesserung der Hydrophilie von nicht
gewobenen Stoffbahnen aus Polyolefin, wobei diese Fluor und Sauerstoff
ausgesetzt werden.
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US-A-5.744.257
(Carstens) lehrt ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundmaterials,
das ein zementartiges Substrat enthält, das durch ein darauf haftendes
Verstärkungsmaterial
verfestigt oder verstärkt wird.
Die Haftung der Substratkomponente auf der Verstärkungskomponente wird verbessert,
indem die Verstärkungskomponente
einer Oberflächenfluorierung
unterzogen wird, bevor die Komponenten miteinander in Kontakt gebracht
werden.
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EP-A-0629654
(veröffentlicht
am 22. April 1994), DE-A-2412025 (veröffentlicht am 19. September 1974)
und EP-A-0502303 (veröffentlicht
am 24. Januar 1992) offenbaren Verfahren, bei denen die Oberflächenchemie
eines Polymergegenstands modifiziert wird durch: Anordnen des Gegenstands
in einer geschlossenen Reaktionskammer; Evakuieren der Reaktionskammer
auf einen Unterdruck; Einleiten eines fluorhaltigen Behandlungsgases
in die Reaktionskammer; Zulassen, dass das Behandlungsgas mit dem
Oberflächenbereich
innerhalb der geschlossenen Reaktionskammer reagiert; und Entfernen
des Behandlungsgases aus der Reaktionskammer.
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In
EP-A-0629654 wird die Reaktionskammer auf einen Absolutdruck von
200 mbar evakuiert, und dann wird eine Gasmischung aus 10 Vol.-%
Fluor und 90 Vol.-% Stickstoff eingeleitet, um in der Kammer einen Druckanstieg
von 100 bis 200 mbar/min (1,7 bis 3,3 mbar/sec) zu erzeugen, bis
der Absolutdruck auf 400 mbar angestiegen ist. Unter Berücksichtigung
von Restgas in der evakuierten Kammer enthält das Behandlungsgas 3-5 Vol.-%
Fluor und 10-16 Vol.-% Sauerstoff. Die Zeit, während der das Behandlungsgas
einwirkt, beträgt
10 bis 180 Sekunden, und das Behandlungsgas hat einen Druck von
333 bis 400 mbar.
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Obwohl
die oben erwähnten
Verfahren für
ihre vorgesehenen Zwecke geeignet sein können, wäre es auf dem Gebiet ein erheblicher
Fortschritt, ein Verfahren bereitzustellen, um die Oberfläche eines
Polymers für andere
Materialien haftfähig
auszuführen,
indem sie einem fluorhaltigen Gas ausgesetzt werden, wobei das Verfahren
in einer vergleichsweise kürzeren
Zykluszeit mit einer vergleichsweise geringeren Konzentration von ...
ausgeführt
werden kann.
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Es
ist wünschenswert, über ein
Verfahren zum Verbessern der Oberflächeneigenschaften von Polymeren
zu verfügen,
das die während
des Prozesses verwendete Menge an Behandlungsgas verringert.
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Es
ist weiterhin wünschenswert, über ein
Verfahren zum Verbessern der Oberflächeneigenschaften von Polymeren
zu verfügen,
das die Zykluszeit für
die Behandlung während
des Prozesses verringert.
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Es
ist weiterhin wünschenswert, über ein
Verfahren zum Verbessern der Oberflächeneigenschaften von Polymeren
zu verfügen,
das die Nachteile nach dem Stand der Technik überwindet.
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Es
ist weiterhin wünschenswert, über ein
Verfahren zum Verbessern der Oberflächeneigenschaften von Polymeren
zu verfügen,
das einfacher und ökonomischer
als nach dem Stand der Technik ist.
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Es
ist weiterhin wünschenswert, über ein
Verfahren zum Verbessern der Oberflächeneigenschaften von Polymeren
zu verfügen,
das im Betrieb zuverlässiger
als nach dem Stand der Technik ist.
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Es
ist weiterhin wünschenswert, über ein
Verfahren zur Behandlung einer Polymeroberfläche zu verfügen, um die Oberfläche aufnahmefähig für andere
Materialien zu machen, wie etwa Klebstoffe, Leime, Beschichtungen,
Anstrichfarben, Druckfarben und Dekormaterialien.
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Es
ist weiterhin wünschenswert, über ein
Verfahren zur Behandlung einer Polymeroberfläche zu verfügen, um die Oberfläche empfänglich für die Haftung
an anderen unähnlichen
Polymeren zu machen.
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Es
ist weiterhin wünschenswert, über ein
Verfahren zum Verbessern der Oberflächeneigenschaften von Polymeren
in einer verringerten Zykluszeit zu verfügen.
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Es
ist weiterhin wünschenswert, über ein
Verfahren zum Verbessern der Oberflächenhaftung von Polymeren zu
verfügen,
das die Anwendung geringerer Konzentrationen an Behandlungsgas erfordert.
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Es
ist weiterhin wünschenswert, über ein
Verfahren zum Verbessern der Oberflächenhaftung von Polymeren zu
verfügen,
bei dem toxisches Behandlungsgas leichter aus dem Reaktionsgefäß evakuiert
werden kann.
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Es
ist weiterhin wünschenswert, über ein
Verfahren zum Verbessern der Oberflächenhaftung von Polymeren zu
verfügen,
bei dem toxisches Behandlungsgas leichter und ökonomischer entsorgt werden
kann.
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Es
ist weiterhin wünschenswert, über ein
Verfahren zum Verbessern der Oberflächenhaftung von Polymeren zu
verfügen,
das die Verwendung eines kleineren Reaktionsgefäßes ermöglicht.
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Es
ist außerdem
wünschenswert, über ein
Verfahren zum Verbessern der Oberflächenhaftung von Polymeren zu
verfügen,
das zu einer gleichmäßigeren
Verteilung des Behandlungsgases in der gesamten Reaktionskammer
führt.
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Die
vorliegende Erfindung offenbart Verfahren zum Modifizieren der Oberflächenchemie
eines Gegenstands, der wenigstens einen Oberflächenbereich aufweist, der wenigstens
ein Polymer enthält.
Die Erfindung umfasst das Exponieren des Gegenstands gegenüber einem
Behandlungsgas in einer Reaktionskammer. Es sind geringere Konzentrationen
an Behandlungsgas erforderlich, um die gleichen verbesserten Oberflächeneigenschaften
zu erzielen, wie sie nach dem Stand der Technik erzielt werden.
Außerdem
sind kürzere
Zykluszeiten erforderlich, um die gleichen verbesserten Oberflächeneigenschaften
zu erzielen, wie sie nach dem Stand der Technik erzielt werden.
Außerdem
ist, da geringere Konzentrationen an Behandlungsgas verwendet werden,
die Evakuierung aus der Reaktionskammer leichter, und es werden
geringere Abfallmengen erzeugt, wodurch die Entsorgung weniger kostspielig
wird.
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Eine
erste Ausführungsform
umfasst Mehrfachschritte. Der erste Schritt besteht darin, einen
oder mehrere Gegenstände
in einer geschlossenen Reaktionskammer anzuordnen, die auf einen
geeigneten Unterdruck evakuiert wird. Nach dem Evakuieren wird in
die Reaktionskammer ein Behandlungsgas mit einer Druckbeaufschlagungsrate
von nicht weniger als 5 kPa (50 Millibar) pro Sekunde eingeleitet,
wobei das Behandlungsgas eine im Wesentlichen vorgegebene Zusammensetzung
hat, die eine oder mehrere Komponenten umfasst, die mit den Gegenständen in
der Reaktionskammer reagieren können.
Es wird zugelassen, dass das Behandlungsgas mit den Gegenständen in
der geschlossenen Reaktionskammer reagiert. Dann wird das Behandlungsgas
aus der Reaktionskammer entfernt und durch ein Inertgas bei etwa
Atmosphärendruck
ersetzt. Schließlich
werden die behandelten Gegenstände
aus der Reaktionskammer entfernt. Das hierin beschriebene Verfahren
kann zum Verbessern der Haftung der Gegenstände an anderen Materialien
wie etwa Anstrichfarben, Klebstoffen oder unähnlichen Polymeren verwendet
werden. Alternativ kann das Verfahren zum Verbessern der Dochtwirksamkeit
der Gegenstände
verwendet werden.
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Die
Gegenstände,
die gemäß dieser
Erfindung oberflächenbehandelt
werden sollen, weisen wenigstens eine Oberfläche auf, die von einem Polymer
gebildet wird, das der Oberflächenmodifizierung
durch das Behandlungsgas zugänglich
ist. Die polymere Oberfläche
kann aus einem Thermoplast- oder Duroplastpolymer bestehen. Das polymere
Material kann von elastomerer Beschaffenheit sein. Die polymere
Oberfläche kann
beispielsweise aus einem Polymer oder Copolymer aus Olefinen, Styrolen,
Dienen, Epoxiden, Vinyl- oder Vinylidenchlorid oder -fluorid, Polycarbonaten,
Polyestern, Polyethern, Polyacetalen, Polyacrylaten, Polymethacrylaten,
Polyamiden, Polyimiden, Polysulfonen, Polyphenylenethern oder Polyaryletherketonen
und Mischungen daraus gebildet sein, bei denen festgestellt wurde,
dass sie einer Oberflächenmodifizierung
zugänglich
sind.
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Bei
der ersten Ausführungsform
ist das Behandlungsgas eine Mischung aus Fluor und Sauerstoff in einem
Verdünnungsmittel
aus Intergas. Die Mischung kann beispielsweise 0,01 % bis 1 % Fluor
und 0,01 % bis 21 % Sauerstoff enthalten. Mögliche Verdünnungsmittel umfassen Kohlendioxid,
SF6, Stickstoff, trockene Luft, Argon und
Helium, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
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Bei
der ersten Ausführungsform
ist das Behandlungsgas in einem Speichergefäß gespeichert, bevor es in
die Reaktionskammer umgeladen wird. Bei einer Abwandlung kann das
Speichergefäß ein festes
Volumen haben, wobei das darin gespeicherte Behandlungsgas auf einem
Druck über
dem Atmosphärendruck
gehalten wird. Bei dieser Abwandlung wird die Reaktionskammer auf
einem Unterdruck gehalten. Wenn das Speichergefäß mit der Reaktionskammer in
Verbindung gebracht wird, wird das Behandlungsgas durch Druckausgleich
schnell in die Reaktionskammer eingeleitet. Bei einer weiteren Abwandlung
kann das Speichergefäß von einer
Konstruktion sein, die seinem Volumen eine Abnahme ermöglicht,
wie etwa der Konstruktion vom Typ eines Kolbens in einem Zylinder
oder vom Typ eines Gasbalgs. Bei dieser Abwandlung wird das Behandlungsgas
nicht durch Druckausgleich schnell in die Reaktionskammer eingeleitet,
sondern dadurch, dass das Volumen des Speichergefäßes durch
die Bewegung des Kolbens im Zylinder oder durch die Kompression
des Gasbalgs verringert wird.
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Bei
einer weiteren Abwandlung der ersten Ausführungsform wird das Behandlungsgas
durch Spritzen oder Sprühen
in die Reaktionskammer eingeleitet, um eine gute Verteilung des
Behandlungsgases über
die Oberfläche
der in der Reaktionskammer angeordneten Gegenstände sicherzustellen.
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Bei
einer weiteren Abwandlung der ersten Ausführungsform wird das Behandlungsgas
in statischem Kontakt mit dem Gegenstand gehalten.
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Bei
einer weiteren Abwandlung der ersten Ausführungsform wird das Behandlungsgas
in der Reaktionskammer verwirbelt, um eine gute Verteilung des Behandlungsgases über die
Oberfläche
der in der Reaktionskammer angeordneten Gegenstände sicherzustellen.
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Bei
einer weiteren Abwandlung der ersten Ausführungsform wird das Behandlungsgas
schnell eingeleitet, bis die Reaktionskammer einen Absolutdruck
von etwa 900 Millibar erreicht.
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Bei
einer weiteren Abwandlung der ersten Ausführungsform wird die Reaktionskammer
auf einen Absolutdruck von nicht mehr als 200 Millibar und vorzugsweise
von nicht mehr als 10 Millibar evakuiert, bevor das Behandlungsgas
in die Reaktionskammer eingeleitet wird.
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Bei
einer weiteren Abwandlung der ersten Ausführungsform wird das Behandlungsgas
innerhalb einer Zeitdauer von etwa einer Sekunde schnell in die
Reaktionskammer eingeleitet.
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Bei
einer weiteren Abwandlung der ersten Ausführungsform wird das Behandlungsgas
in die Reaktionskammer mit einer Rate schnell eingeleitet, die ausreicht,
um einen Temperaturanstieg in der Reaktionskammer von wenigstens
fünf Grad
Celsius (5°C)
hervorzurufen.
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Bei
einer weiteren Abwandlung der ersten Ausführungsform wird zugelassen,
dass das Behandlungsgas mit den in der Reaktionskammer angeordneten
Gegenständen
für wenigstens
0,5 Sekunden und nicht mehr als zehn Sekunden reagiert.
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Bei
einer weiteren Abwandlung der ersten Ausführungsform umfasst der Schritt
des Entfernens des Behandlungsgases aus der Reaktionskammer den
Teilschritt, in dem nach der Reaktion eine vorgegebene Menge eines
Inertgases durch die Reaktionskammer geschickt wird.
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Bei
einer weiteren Abwandlung der ersten Ausführungsform umfasst der Schritt
des Entfernens des Behandlungsgases aus der Reaktionskammer die
Teilschritte, in denen in der Reaktionskammer ein Vakuum erzeugt
und danach eine vorgegebene Menge eines Inertgases durch die Reaktionskammer
geschickt wird.
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Bei
einer weiteren Abwandlung der ersten Ausführungsform umfasst der Schritt
des schnellen Einleitens eines Behandlungsgases in die Reaktionskammer
den Teilschritt der Druckbeaufschlagung der Reaktionskammer mit
einer Druckbeaufschlagungsrate von nicht weniger als 100 Millibar
pro Sekunde, wobei eine Konzentration an Fluor im Behandlungsgas
weniger als 20 % beträgt.
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Bei
einer weiteren Abwandlung der ersten Ausführungsform umfasst der Schritt
des schnellen Einleitens eines Behandlungsgases in die Reaktionskammer
den Teilschritt der Druckbeaufschlagung der Reaktionskammer mit
dem Behandlungsgas mit einer Druckbeaufschlagungsrate zwischen 500
Millibar pro Sekunde und 8000 Millibar pro Sekunde. Bei dieser Abwandlung
wird das Behandlungsgas innerhalb von weniger als zwei Sekunden
in die Reaktionskammer eingeleitet, und die Konzentration an Fluor
im Behandlungsgas beträgt
etwa 100 ppm. Es wird zugelassen, dass das Behandlungsgas mit den
Gegenständen
in der geschlossenen Reaktionskammer für eine Zeitdauer von etwa fünf Sekunden
reagiert.
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Bei
einer weiteren Abwandlung der ersten Ausführungsform wird das Behandlungsgas
mit einer vorgegebenen Druckbeaufschlagungsrate von mehr als 200
Millibar pro Sekunde und am stärksten
bevorzugt von mehr als 500 Millibar pro Sekunde in die Reaktionskammer
eingeleitet.
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Bei
einer weiteren Abwandlung der ersten Ausführungsform wird das Behandlungsgas
innerhalb einer Zeitdauer von etwa fünf Sekunden schnell in die
Reaktionskammer eingeleitet.
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Bei
einer weiteren Abwandlung der ersten Ausführungsform wird das Behandlungsgas
innerhalb einer Zeitdauer von etwa zehn Sekunden schnell in die
Reaktionskammer eingeleitet.
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Bei
einer wiederum weiteren Abwandlung der ersten Ausführungsform
wird das Behandlungsgas durch Evakuieren aus der Reaktionskammer
entfernt.
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Eine
zweite Ausführungsform
umfasst gegenüber
den Schritten bei der ersten Ausführungsform einen zusätzlichen
Schritt. Der zusätzliche
Schritt besteht darin, das Behandlungsgas auf eine ausgewählte Temperatur
vorzuwärmen,
z. B. im Bereich von 30 bis 60 Grad Celsius (°C), während das Behandlungsgas im
Speichergefäß gehalten
wird. Bei einer Abwandlung dieser zweiten Ausführungsform kann das Be handlungsgas, sobald
es das Speichergefäß verlassen
hat, vorgewärmt
werden, während
es schnell in die Reaktionskammer eingeleitet wird.
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Eine
dritte Ausführungsform
umfasst gegenüber
den Schritten bei der ersten Ausführungsform einen zusätzlichen
Schritt. Der zusätzliche
Schritt besteht darin, den Druck in der Reaktionskammer und im Speichergefäß während der
Schritte zu überwachen,
in denen die Reaktionskammer evakuiert, das Behandlungsgas eingeleitet
und das Behandlungsgas mit den in der Reaktionskammer angeordneten
Gegenständen
zur Reaktion gebracht wird.
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Eine
vierte Ausführungsform
umfasst gegenüber
den Schritten der ersten Ausführungsform
einen zusätzlichen
Schritt. Der zusätzliche
Schritt besteht darin, ein Neutralisationsgas in die Reaktionskammer
einzuleiten, um die Toxizität
des Behandlungsgases zu vermindern, bevor das Behandlungsgas aus
der Reaktionskammer entfernt wird. Bei einer Abwandlung der vierten
Ausführungsform
enthält
das Behandlungsgas eine Konzentration an Fluor, und das Neutralisationsgas
enthält
eine Konzentration an Wasserstoff. Das Neutralisationsgas reagiert
mit dem Behandlungsgas in der Reaktionskammer, wobei Fluorwasserstoff
gebildet wird.
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In
der beigefügten
Zeichnung ist:
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1 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Ausführen des
Verfahrens der vorliegenden Erfindung; und
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2 ein
Diagramm, das einen Temperaturanstieg auf Grund der adiabatischen
Erwärmung
in einer leeren Reaktionskammer veranschaulicht.
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Das
Verfahren umfasst das Anordnen des Polymers in einer geschlossenen
Reaktionskammer und das Exponieren der Polymeroberfläche gegenüber dem
fluorhaltigen Behandlungsgas, wobei das Behandlungsgas in die Reaktionskammer
mit einer Rate eingeleitet wird, die ausreicht, um auf Grund der
schnellen Kompression des Behandlungsgases einen Temperaturanstieg
in der Kammer hervorzurufen. Es wurde festgestellt, dass dieser
Temperaturanstieg, der im Folgenden als adiabatische Erwärmung bezeichnet
wird, die Fluorierungsrate der polymeren Oberfläche erhöht.
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In
der Zeichnung ist in 1 ein Fließschema (10) gezeigt,
das eine bevorzugte Ausführungsform
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die Reak tionskammer 12 kann
von irgendeiner geeigneten Größe, z. B.
100 Liter, und Form sein, um ein leichtes Anordnen und Entfernen
eines oder mehrerer Gegenstände
zu ermöglichen,
deren Oberflächen
zu behandeln sind. Die Reaktionskammer 12 kann aus irgendeinem
geeigneten Material, z. B. rostfreiem Stahl, ausgebildet sein und
kann von irgendeiner auf dem Gebiet bekannten geeigneten Konstruktion
sein.
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Die
Gegenstände,
deren Oberflächen
zu behandeln sind, weisen wenigstens einen Oberflächenbereich
auf, der von einem Polymer gebildet wird, das einer Oberflächenmodifizierung
zugänglich
ist, einschließlich
Polymerer und Copolymerer thermoplastischer oder duroplastischer
Beschaffenheit, jedoch nicht darauf beschränkt, aus Olefinen, Styrolen,
Dienen, Acrylnitril, Epoxiden, Vinyl- oder Vinylidenchlorid oder
-fluorid, Polycarbonaten, Polyestern, Polyethern, Polyacetalen,
Polyacrylaten, Polymethacrylaten, Polyamiden, Polyimiden, Polysulfonen,
Polyphenylenethern, Polyaryletherketonen oder Ähnlichem sowie Mischungen daraus,
bei denen festgestellt wurde, dass sie einer Oberflächenmodifizierung
zugänglich
sind. Außerdem
können
gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung Gegenstände oberflächenbehandelt werden, die wenigstens
einen Oberflächenbereich
aufweisen, der aus einem elastomeren Material ausgebildet ist, einschließlich, jedoch nicht
darauf beschränkt,
thermoplastischer oder duroplastischer, vulkanisierter oder unvulkanisierter,
polymerer und copolymerer Elastomerer aus Olefinen, einschließlich chlorierter
und partiell fluorierter Olefine, Styrole, Diene oder Acrylnitril.
Beispielhafte Gegenstände,
denen die Oberflächenbehandlung
der vorliegenden Erfindung zugute kommt, umfassen, sind jedoch nicht
darauf beschränkt,
Kraftfahrzeugstoßstangen,
reflektierende Gehäuse
von Seitenblinkleuchten, Türschweller,
Werkzeuggriffe, Dichtungen, elektrochemische Zell- oder Trennmembranen,
Kunststoffplattenerzeugnisse und Fasern, die zu Fertigprodukten
verarbeitet werden sollen. Die Gegenstände, deren Oberflächen zu
behandeln sind, werden in der Reaktionskammer 12 angeordnet, bevor
Behandlungsgas in die Reaktionskammer 12 eingeleitet wird.
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Nachdem
die Gegenstände
in der Reaktionskammer 12 angeordnet wurden, wird die Reaktionskammer
auf einen geeigneten Unterdruck evakuiert, um die Umgebungsluft
größtenteils
zu entfernen. Die Reaktionskammer 12 sollte auf einen Druck
von nicht mehr als 200 Millibar und vorzugsweise von nicht mehr
als 10 Millibar evakuiert werden. Ein Teil der ursprünglichen
Umgebungsluft kann in der Reaktionskammer belassen werden, um Sauerstoff
für die
Oberflächenbehandlung
zu liefern.
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Wie
nun in 1 gezeigt ist, enthält eine Quelle 15 von
Behandlungsgas eine Konzentration an Fluor (F2),
vorzugsweise 1 %, und eine Konzentration an Sauerstoff (O2), vorzugsweise 21 %, in einem Verdünnungsmittel,
das mit einem vorgegebenen Druckbeaufschlagungspegel, z. B. 60 p.s.i.g.,
zugeführt
wird. Es können
andere Konzentrationen an Fluor verwendet werden, z. B. irgendeine
Konzentration an Fluor von 0,01 % bis 20 %. Ebenso können andere
Konzentrationen an Sauerstoff verwendet werden, z. B. irgendeine
Konzentration an Sauerstoff von 0,01 % bis 21 %. Das Verdünnungsmittel
kann irgendein Inertgas sein und ist vorzugsweise Kohlendioxid,
SF6, Stickstoff, trockene Luft, Argon oder
Helium. Jedoch können
andere Umgebungsgase als Verdünnungsmittel
verwendet werden. Das Behandlungsgas strömt aus der Quelle 15 durch eine
Zuführungsleitung 20 in
eine herkömmliche
Ventilanordnung 25, z. B. ein oder mehrere Absperrventile oder
Kugelventile. Die Ventilanordnung 25 lenkt die Strömung des
Behandlungsgases in eine von zwei Richtungen. In der ersten Richtung
lenkt die Ventilanordnung 25 das Behandlungsgas von der
Zuführungsleitung 20 nach
unten durch eine Zuführungsleitung 30 und
in ein Speichergefäß 35.
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Das
Speichergefäß 35 kann
irgendein geeignetes Volumen haben, das ein Überfüllen der Reaktionskammer 12 während eines
Druckausgleichs des Speichergefäßes 35 mit
der Reaktionskammer 12 verhindert. Daher müssen beim
Festlegen des Volumens des Speichergefäßes 35 Parameter berücksichtigt
werden, die das Volumen der Reaktionskammer 12, den Unterdruck,
auf den die Reaktionskammer 12 vor dem Druckausgleich evakuiert
wird, und den Druckbeaufschlagungspegel des Behandlungsgases, das
im Speichergefäß 35 zu
speichern ist, umfassen, jedoch nicht darauf beschränkt sind.
Das Speichergefäß 35 kann
ein festes Volumen haben oder kann von einer Konstruktion sein,
die seinem Volumen eine Abnahme ermöglicht, wie etwa der vom Typ
eines Kolbens in einem Zylinder. Bei einer Konstruktion vom Typ
eines Kolbens in einem Zylinder oder vom Typ eines zusammenfaltbaren
Balgs, anstatt einer Druckbeaufschlagung der Reaktionskammer 12 mittels
Druckausgleich, kann das Behandlungsgas schnell vom Speichergefäß in die
Reaktionskammer eingeleitet werden, wobei der Kolben dazu dient,
das Behandlungsgas aus dem Speichergefäß heraus zu treiben. Bei einer
Konstruktion vom Typ eines zusammenfaltbaren Balgs, anstatt einer
Druckbeaufschlagung der Reaktionskammer 12 durch Druckausgleich,
kann das Behandlungsgas schnell vom Speichergefäß in die Reaktionskammer eingeleitet
werden, indem der Balg unter äußerem Druck
zusammengefaltet wird.
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Das
Speichergefäß 35 wird
mit Behandlungsgas auf einen vorgegebenen Druckbeaufschlagungspegel über Atmosphärendruck,
z. B. 2 bar, mit Druck beaufschlagt. Aus Sicherheitsgründen sollte
die Ventilanordnung 25, sobald der Druck im Spei chergefäß 35 den
vorgegebenen Pegel erreicht hat, so verstellt werden, dass das Speichergefäß 35 von
der Quelle 15 des Behandlungsgases getrennt wird. Außerdem bleibt
das Speichergefäß 35 von
der Reaktionskammer 12 mechanisch getrennt, bis das Speichergefäß 35 auf
seinen vorgegebenen Pegel mit Druck beaufschlagt ist. Dann, wenn
der Druck des Behandlungsgases in der Zuführungsleitung 30 einen
maximalen Betriebsdruck übersteigt,
kann das Behandlungsgas mittels auf dem Gebiet bekannter Methoden
in einen (nicht gezeigten) Gaswäscher
abgelassen werden.
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Sobald
ermittelt ist, dass im Speichergefäß 35 der vorgegebene
Druckpegel erreicht ist, kann das Behandlungsgas durch Druckausgleich
oder durch andere, oben besprochene Mittel schnell in die Reaktionskammer 12 eingeleitet
werden. Insbesondere können
Ventilanordnungen 25 und 37 so verstellt werden,
dass sie das im Speichergefäß 35 gespeicherte
Behandlungsgas durch Zuführungsleitungen 30, 40 und 50 in
die Reaktionskammer 12 lenken. Auf Grund der Druckdifferenz,
die zwischen dem Speichergefäß 35,
das deutlich über
Atmosphärendruck
mit Druck beaufschlagt wurde, und der Reaktionskammer 12,
die auf einen Druck unterhalb des Atmosphärendrucks evakuiert wurde,
besteht, strömt
das Behandlungsgas vom Speichergefäß 35 schnell in die
Reaktionskammer 12, wobei der Druck in der Reaktionskammer 12 bis
auf Atmosphärendruck ansteigt.
Das auf diese Weise erfolgende Einleiten des Behandlungsgases wird
als Druckausgleich bezeichnet.
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Das
schnelle Umladen des Behandlungsgases in die Reaktionskammer 12 und
die Kompression darin rufen eine adiabatische Erwärmung in
der Reaktionskammer hervor, sodass die erwünschte Oberflächenmodifizierung
beschleunigt wird. Um eine adiabatische Erwärmung zu erreichen, sollte
das Behandlungsgas in das Reaktionsgefäß 12 mit einer Rate
von nicht weniger als 50 Millibar pro Sekunde eingeleitet werden.
Vorzugsweise wird das Behandlungsgas in die Reaktionskammer mit
wesentlich höheren
Raten, z. B. mit mehr als 200 Millibar pro Sekunde, und am stärksten bevorzugt
mit einer Druckbeaufschlagungsrate von mehr als 500 Millibar pro
Sekunde eingeleitet. Auf jeden Fall sollte das Behandlungsgas in
die Reaktionskammer auf eine Weise eingeleitet werden, die in der
Reaktionskammer auf Grund adiabatischer Erwärmung einen Temperaturanstieg
von wenigstens fünf
Grad Celsius (°C)
hervorruft. Das Einleiten des Behandlungsgases in die Reaktionskammer 12 durch
schnelle Druckbeaufschlagung erzielt eine gleichmäßigere Verteilung
des Behandlungsgases in der Kammer und führt zu einer verbesserten Gleichmäßigkeit
in der Oberflächenhaftung der
darin behandelten Gegenstandsoberfläche. Bei Verfahren nach dem
Stand der Technik kann eine uneinheitliche Haftung resultieren,
wenn das Behandlungsgas bei Atmosphärendruck durch eine offene
Reaktionskammer geschickt wird.
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Obwohl
es bevorzugt ist, dass der Druckausgleich innerhalb einer kurzen
Zeitdauer, z. B. weniger als einer Sekunde, erfolgt, kann eine adiabatische
Erwärmung
auch erreicht werden, wenn der Druckausgleich über längere Zeitdauern, z. B. fünf Sekunden
oder sogar zehn Sekunden, erfolgt. Selbstverständlich tritt in der Reaktionskammer 12 eine
geringere adiabatische Erwärmung
auf, wenn der Druckausgleich über
eine längere Zeitdauer
erfolgt. Daher müssen,
wenn der Druckausgleich länger
dauert, zum Erzielen des gleichen Grads an Oberflächenmodifizierung
ein oder mehrere andere Parameter entsprechend angepasst werden,
wie etwa das Erhöhen
der Konzentration an Fluor im Behandlungsgas und/oder die Erwärmung des
Behandlungsgases vor dem schnellen Einleiten in die Reaktionskammer 12 und/oder
das Verlängern
der Zeit, für
die der Gegenstand dem Behandlungsgas ausgesetzt ist. Das Verfahren,
ein Behandlungsgas durch schnellen Druckausgleich in die Reaktionskammer 12 einzuleiten,
führt allgemein
zu einer guten Vermischung des Behandlungsgases mit den darin angeordneten
Gegenständen.
Es kann erforderlich sein, dieses Verfahren des Gaseinleitens um
ein Einspritzen zu ergänzen,
damit eine gute Verteilung des Behandlungsgases über die Oberfläche der
in der Reaktionskammer 12 angeordneten Gegenstände sichergestellt
wird.
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Nach
dem Druckausgleich wird das Behandlungsgas für eine vorgegebene Zeitdauer
in Kontakt mit der einen oder den mehreren polymeren Oberflächen der
Gegenstände
gehalten, um die erwünschte
Oberflächenmodifizierung
zu vervollständigen.
Vorzugsweise wird zugelassen, dass das Behandlungsgas mit den Gegenständen in
der Reaktionskammer für
wenigstens 0,5 Sekunden und nicht mehr als zehn Sekunden reagiert. Um
den gleichen Grad an Oberflächenmodifizierung
zu erreichen, obwohl die Zeit verkürzt wird, für die die Gegenstände dem
Behandlungsgas ausgesetzt sind, müssen andere Parameter entsprechend
angepasst werden, wie etwa das Erhöhen der Druckbeaufschlagungsrate
oder das Erhöhen
der Konzentration an Fluor im Behandlungsgas.
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Das
Behandlungsgas kann statisch in Kontakt mit der polymeren Oberfläche gehalten
werden oder kann in der Reaktionskammer 12 verwirbelt werden.
Die Verwirbelung des Gases trägt
dazu bei, irgendwelche Ungleichmäßigkeiten
in der Gasverteilung auszugleichen, die in der Reaktionskammer vorliegen
können.
Da eine adiabatische Erwärmung
erfolgt, ist eine geringere Einwirkungszeit erforderlich, um die
gleichen Oberflächeneigenschaften
zu erzielen.
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Beispielsweise
kann durch schnelles Einleiten eines Behandlungsgases mit einer
Fluorkonzentration von 100 ppm in die Reaktionskammer 12,
was zu einem Druckanstieg in der Kammer um 500 Millibar bis 8000 Millibar
pro Sekunde führt,
und anschließendes
Aussetzen darin angeordneter Gegenstände gegenüber dem Behandlungsgas für eine Dauer
von fünf
Sekunden eine vorteilhaftere Oberflächenbehandlung erreicht werden,
als wenn das gleiche Behandlungsgas mit der gleichen Fluorkonzentration
für die
gleiche Zeitdauer isobar durch eine offene Reaktionskammer geschickt
wird.
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Wie
wiederum in 1 gezeigt ist, ist das Speichergefäß 35 mit
einem optionalen Heizelement 37 ausgestattet. Das im Speichergefäß 35 befindliche
Behandlungsgas kann auf eine ausgewählte Temperatur erwärmt werden,
z. B. im Bereich von 30 bis 60 Grad Celsius (°C), bevor es in die Reaktionskammer 12 eingeleitet
wird. Das Heizelement 39 kann optional in oder an der Zuführungsleitung 50 angeordnet
sein, um das Behandlungsgas zu erwärmen, während es in die Reaktionskammer 12 eingeleitet
wird.
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Schließlich werden
in einem oder in mehreren Schritten das restliche Behandlungsgas
und Nebenproduktgas aus der Reaktionskammer über eine Auslassleitung 60 in
eine Auslassvorrichtung 65 befördert. Das Behandlungsgas kann
mittels eines von mehreren Verfahren aus der Reaktionskammer 12 entfernt
werden. Bei einem ersten Evakuierungsverfahren kann die Reaktionskammer 12 einmal
oder mehrmals evakuiert werden, um das Behandlungsgas zu entfernen,
bis ein hinnehmbarer Gehalt an restlichen schädlichen Gasen in der Reaktionskammer 12 erreicht
ist. Da bei der Erfindung geringere Konzentrationen an Fluor verwendet
werden, sind weniger Evakuierungsschritte erforderlich, und die
Evakuierungsvorrichtung kann weniger verschleißfest ausgeführt sein.
Ein Teil dieses Gases kann mittels Verfahren, die nach dem Stand
der Technik bekannt sind, für
eine erneute Verwendung wiedergewonnen werden. Derartige Verfahren
sind beispielsweise in US-A-4.439.126 (Fukushima u. a.) gezeigt.
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Bei
einem zweiten Evakuierungsverfahren wird eine vorgegebene Menge
eines Inertgases durch die Reaktionskammer 12 geschickt,
um die Reaktionskammer 12 von irgendwelchen restlichen
schädlichen
Gasen zu reinigen. Zum Reinigen der Reaktionskammer 12 kann
irgendein geeignetes Inertgas verwendet werden, wie etwa Stickstoff
bei Umgebungsdruck oder vorzugsweise gefilterte Raumluft. Aus einer
Quelle oder Zufuhr 33 wird Spülgas durch eine Reinigungsleitung 55,
durch die Ven tilanordnung 37 und durch die Zuführungsleitung 50 in
die Reaktionskammer eingeleitet. Vorzugsweise sollte eine Menge
an inertem Spülgas
hindurchgeschickt werden, die wenigstens gleich drei Volumenänderungen
in der Reaktionskammer ist, um das vollständige Entfernen jeglicher schädlicher
Gase sicherzustellen. Obwohl die Zuführungsleitung 50 so
gezeigt ist, dass sie sowohl das Behandlungsgas als auch das Inertgas
für die
Reinigung zuführt,
ist es selbstverständlich,
dass das Spülgas
in die Reaktionskammer 12 vorzugsweise durch eine Zuführungsleitung
eingeleitet werden sollte, die von der Zuführungsleitung 50 getrennt
und isoliert ist, um zu verhindern, dass während der Reinigung der Reaktionskammer 12 restliches
in der Zuführungsleitung 50 verbliebenes
Fluor in die Reaktionskammer 12 eingeleitet wird. Alternativ
kann die Reaktionskammer 12 bei diesem Verfahren einmal
oder mehrmals evakuiert werden, bevor ein inertes Spülgas hindurchgeschickt
wird.
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Bei
einem dritten Evakuierungsverfahren kann das Behandlungsgas in der
Reaktionskammer neutralisiert werden, indem es mit einem geeigneten
Neutralisationsgas wie etwa Wasserstoff zur Reaktion gebracht wird,
um Fluorwasserstoff zu bilden, und anschließend das neutralisierte Gas
aus der Reaktionskammer 12 über eine zu einer Auslassvorrichtung 65 führende Auslassleitung 60 wiedergewonnen
wird. Restliche in den Zuführungsleitungen 20, 30, 40 und 50 verbliebene
Mengen von Fluor können
mit auf dem Gebiet bekannten Methoden abgetrennt oder entfernt werden,
um eine Einwirkung von Fluor zu verhindern, sobald die Reaktionskammer 12 geöffnet wird.
Danach kann die Reaktionskammer 12 geöffnet werden, und die Gegenstände können entfernt
werden.
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Für den Fachmann
auf dem Gebiet ist es offensichtlich, dass an den oben beschriebenen
Verfahren bestimmte Veränderungen
vorgenommen werden können,
ohne dass vom Umfang der Erfindung abgewichen wird, wie er in den
nachfolgenden Ansprüchen
definiert ist. Es ist daher beabsichtigt, dass jeglicher hierin
offenbarte Sachverhalt als lediglich veranschaulichend und nicht
als den begehrten Umfang des Schutzes einschränkend auszulegen ist. Außerdem wird
das Verfahren der vorliegenden Erfindung nicht durch die bestimmten,
im Folgenden dargelegten Beispiele, einschließlich der Tabelle und der Figur,
auf die sie sich beziehen, eingeschränkt. Vielmehr veranschaulichen
diese Beispiele sowie die Tabelle und die Figur, auf die sie sich beziehen,
das Verfahren der Erfindung.
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BEISPIEL 1
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Dieses
Beispiel soll die adiabatische Wärmezunahme
eines Gases veranschaulichen, die von der Kompression des Gases
herrührt,
die erfolgt, wenn das Gas schnell in eine geschlossene Reaktionskammer eingeleitet
wird. Die bei diesem Beispiel verwendete Reaktionskammer ist ein
zylindrisches Rohr aus rostfreiem Stahl mit einem Innendurchmesser
von etwa 2,2 Zentimetern (cm) und einer Länge von etwa 32 cm. Die Reaktionskammer
ist mit einem 36-Gauge-Thermoelement des Typs J ausgestattet, mit
dem die Temperatur in der Reaktionskammer vor, während und nach dem Einleiten
des Gases gemessen wird. Jedes Ende des zylindrischen Rohrs ist
mit einer ebenfalls aus rostfreiem Stahl ausgebildeten Endkappe
verschlossen. Bei diesem Beispiel wurden in der Reaktionskammer
keine Gegenstände
für die
Oberflächenbehandlung
angeordnet, und es wurde kein Fluorgas verwendet.
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Der
leere Reaktionskammer wurde verschlossen und auf einen unter dem
Atmosphärendruck
liegenden Druck von etwa 10 Torr (1,5 kPa) evakuiert. Ein 14-Liter-Speichergefäß wurde
mit Stickstoff (N2) bis auf einen Druck
von etwa 900 Torr (120 kPa) gefüllt.
Es wurde zwischen dem Druck in der Reaktionskammer und dem Druck
im Speichergefäß ein Ausgleich
bewirkt, sodass die Reaktionskammer schnell mit N2 aus
dem Speichergefäß gefüllt wurde.
Während
des Druckausgleichs wurde die Temperatur in der Reaktionskammer überwacht.
In 2 ist eine Auftragung der Reaktionstemperatur
gegen die Zeit gezeigt. Wie durch 2 veranschaulicht
ist, schnellt die Temperatur auf Grund der adiabatischen Erwärmung des
Gases, die von der schnellen Füllung
der Reaktionskammer herrührt,
auf ein Maximum herauf. 2 veranschaulicht außerdem, dass
die Temperatur langsam abnimmt, während die Wärme durch die Wandungen der
Reaktionskammer absorbiert wird. Die Temperaturänderung für die Reaktion ist definiert
als die Differenz zwischen der maximalen beobachteten Temperatur
und der Anfangstemperatur der Reaktionskammer. Bei diesem Beispiel
betrug die beobachtete Temperaturänderung 23,7 Grad Celsius (°C).
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BEISPIEL 2
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Dieses
Beispiel soll die Haftungsleistung bei Plättchen aus oxyfluoriertem Polyethylen
hoher Dichte bei adiabatischer Erwärmung veranschaulichen. In
der Reaktionskammer wurden sieben Sätze von Plättchen, mit drei Plättchen in
jedem Satz, angeordnet und für
verschiedene Einwirkungszeiten mit verschiedenen Konzentrationen
an Fluor zur Reaktion gebracht. Jedes Plättchen war aus Polyethylen
hoher Dichte (HDPE) gefertigt und maß zwei Zentimeter in der Breite
mal zehn Zentimeter in der Länge
mal 0,8 Zentimeter in der Dicke. Die bei diesem Beispiel verwendete
Reaktionskammer war die gleiche wie die beim Beispiel 1 verwendete.
Um die HDPE-Plättchen
unter adiabatischer Erwärmung
zur Reaktion mit einem Behandlungsgas zu bringen, wurde das Reaktionsgefäß zunächst auf
einen unter dem Atmosphärendruck
liegenden Druck von etwa 10 Torr (1,5 kPa) evakuiert und dann innerhalb
weniger als einer Sekunde mit dem Behandlungsgas bis auf 800 Torr (105
kPa) gefüllt.
Die verschiedenen Testkonzentrationen an Fluor im Behandlungsgas
aus trockener Luft und die verschiedenen Einwirkungszeiten sind
in der nachstehenden Tabelle 1 veranschaulicht. Nach jeder Reaktion
wurde das Behandlungsgas etwa zwanzig Sekunden lang aus der Reaktionskammer
abgepumpt, die daraufhin wieder mit Umgebungsluft gefüllt wurde.
Das Evakuieren und das Nachfüllen
der Reaktionskammer wurden wiederholt. Jeder Satz mit drei Plättchen wurde
gemäß ASTM (American
Society for Testing and Materials) D3359-95 auf Farbhaftung untersucht,
wofür die
Ergebnisse in der nachstehenden Tabelle 1 erscheinen.
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VERGLEICHSBEISPIEL 3
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Dieses
Beispiel soll die Haftungsleistung bei Plättchen aus oxyfluoriertem Polyethylen
hoher Dichte ohne adiabatische Erwärmung veranschaulichen. In
der Reaktionskammer wurden sieben Sätze von Plättchen, mit drei Plättchen in
jedem Satz, angeordnet und ohne adiabatische Erwärmung mit einem Behandlungsgas
zur Reaktion gebracht. Die bei diesem Beispiel verwendeten HDPE-Plättchen hatten
die gleichen Abmessungen und die gleiche Zusammensetzung wie die
beim Beispiel 2 verwendeten. Die bei diesem Beispiel verwendete
Reaktionskammer war die gleiche wie die bei den zwei vorangehenden
Beispielen verwendete, abgesehen von der Tatsache, dass sie vor
der Reaktion nicht evakuiert wurde und während des Einleitens des Behandlungsgases
offen blieb. Für
die in Tabelle 1 angegebenen Reaktionszeiten wurden mit 400 Standardkubikzentimetern
pro Minute verschiedene Testkonzentrationen an Fluor (F
2)
in trockener Luft bei Umgebungstemperatur durch die Reaktionskammer
geschickt. Da die Reaktionskammer offen blieb, trat in der Reaktionskammer
keine Druckänderung
und dadurch keine Temperaturänderung
auf. Nach der Reaktionszeit wurde für eine Minute trockene Luft
durch die Reaktionskammer geschickt. Dann wurde die Reaktionskammer
evakuiert und wieder mit Luft gefüllt. Jeder Satz mit drei Plättchen wurde
gemäß ASTM D3359-95
auf Farbhaftung untersucht. Tabelle 1 fasst die Ergebnisse dieser
Tests zusammen, wobei die Haftleistung von Plättchen, die mit Fluor reagiert
haben, für
die Fälle
verglichen ist, bei denen ei ne adiabatische Erwärmung auftrat und bei denen keine
adiabatische Erwärmung
auftrat. TABELLE
1: Ergebnisse für
die Haftung bei HDPE-Plättchen
- 1. 0B bis 5B: 0B = keine Haftung, 5B =
perfekte Haftung.
- 2. Plättchen
zeigten keine gleichmäßige Leistung;
Plättchen
vorn in der Reaktionskammer zeigten die beste Leistung.
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Die
vorliegende Erfindung wurde mit Bezug auf mehrere bevorzugte Ausführungsformen
dargelegt, jedoch sollte der vollständige Umfang der vorliegenden
Erfindung anhand der nachfolgenden Ansprüche ermittelt werden.
