DE68912145T2

DE68912145T2 - Verfahren und Vorrichtung, um Materialien leitend zu machen.

Info

Publication number: DE68912145T2
Application number: DE68912145T
Authority: DE
Inventors: Jack Rooklyn
Original assignee: Industrial Management Co
Current assignee: Industrial Management Co
Priority date: 1988-01-20
Filing date: 1989-01-19
Publication date: 1994-08-04
Anticipated expiration: 2009-01-20
Also published as: JPH01296504A; EP0326021B1; MY105961A; US4988419A; DE68912145D1; AU2861489A; JP2823876B2; EP0326021A1; KR890012328A; CA1333784C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, um ein im festen Aggregatszustand befindliches Substrat ("Material") leitend zu machen oder die Leitfähigkeit eines solchen Materials zu erhöhen.
Diese Erfindung fällt in das Gebiet der statisch dissipativen Materialien, d.h. der Materilien, die statische Ladung ableiten. Das Gebiet umfaßt nicht nur statisch dissipative Materialien, sondern beinhaltet auch das Konzept und die Verwirklichung des Konzepts der Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit von Materialien oder die Erzeugung von elektrischer Leitfähigkeit in elektrisch eigentlich nichtleitfähigen Materialien.
Hinsichtlich statisch dissipativer oder eine statisch dissipative Arbeitsfläche bereitstellender Materialien wird auf die US-A-4,456,944, 4,525,398, 4,702,951 verwiesen. Diese Patente betreffen hauptsächlich für verschiedene Zwecke nützliche Materialien, welche eine statisch dissipative Oberfläche aufweisen. Die Materialien dieser Patente stellen statisch dissipative Oberflächen bereit, die nicht nur als Arbeitsflächen, sondern auch als Fußbodenbeläge, Wandoberflächen und verschiedene andere Oberflächenarten geeignet sind.
Wie in früheren Patenten erläutert, ist es bei der Arbeit mit und der Handhabung von vielen Arten von elektronischen Komponenten unbedingt notwendig, in der Umgebung vorhandene statische Ladungen nach Erde abzuleiten, da sie andernfalls; solche Komponenten schädigen oder sogar zerstören können.
Bei der heutigen Produktion solcher Komponenten können viele verschiedene Materialien wie Kunststoffe, Gummi, Metalle und zahllose andere Materialarten verwendet werden. Es ist daher aüßerst wünschenswert, daß alle diese Materialien, die bei der Produktion solcher Bauteile und bei anderen Produktionen eventuell verwendet werden, elektrisch leitend sind. Dies ist selbstverständlich bisher nicht möglich und keine dem Stand der Technik innewohnende Fähigkeit gewesen. Das, was zur Verfügung gestanden ist, wird in den früheren, oben erwähnten Patenten dargestellt. Es ist also höchst wünschens- und erstrebenswert, elektrisch eigentlich nichtleitende Materialien leitend zu machen oder die Leitfähigkeit- von elektrisch leitenden Materialien zu erhöhen oder zu verbessern.
"Metal Finishing Abstracts", Band 25, Nr.1, Jan.-Feb. 1983, Seite 17, Abstract E, beschreibt ein Verfahren zur chemischen Ablagerung von metallischen Überzügen, bei dem eine Komponente einem elektromagnetischen Wechselfeld und mechanischen Schwingungen ausgesetzt wird. Durch das Beschichten eines Materials mit einem Metall wird ein andernfalls schlecht leitendes Material mit einer leitenden Oberflächenschicht versehen.
Die vorliegende Erfindung umfaßt detailliert beschriebene Ausführungsbeispiele, die ein Verfahren und eine Vorrichtung betreffen, um elektrisch eigentlich nichtleitende Materialien elektrisch leitend zu machen und/oder die elektrische Leitfähigkeit von an sich elektrisch leitenden Materialien zu erhöhen oder zu verbessern.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die geeignet sind, elektrische Leitfähigkeit in elektrisch eigentlich nichtleitenden Materialien herzustellen oder die elektrische Leitfähigkeit von an sich elektrisch leitenden Materialien zu erhöhen odei zu verbessern.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bzw. 10 zur Verfügung.
Das Verfahren wird in einer bevorzugten Form der Vorrichtung durch- bzw. ausgeführt. Die in Form eines Gefäßes oder eines Flüssigkeitsbehälters ausgeführte Vorrichtung enthält eine Flüssiglösung, eine Badlösung oder ein Behandlungsmittel. Das Gefäß könnte eine beliebige Form besitzen, in der hierin beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es jedoch rechteckig. Die Lösung oder das Bad ist vorzugsweise eine Flüssigkeit, die einfach gefiltertes und so vom Eisen befreites Wasser sein kann. Im wesentlichen ist das Wasser deionisiert oder es wird destilliertes Wasser verwendet. Der Filter kann ein bekannter Typ von Kohlefilter sein. Durch die Entfernung des Eisens wird das Wasser in einem für die Zwecke des Verfahrens ausreichendem Maße deionisiert.
Chemische Zusätze werden in das Wasser eingebracht und damit vermischt. Die Chemikalien umfassen Säuren, die als Träger des elektrischen Stroms dienen, welcher durch das Flüssigbad und das Molekulargefüge der in das Flüssigbad eingebrachten Materialien geschickt wird, die elektrisch leitend gemacht oder deren elektrische Leitfähigkeit erhöht oder verbessert werden soll. Die chemischen Zusätze werden durch den an späterer Stelle ausführlicher beschriebenen Prozeß dazu veranlaßt, in das gelockerte (oder entspannte, so daß der Abstand zwischen den Molekülen vergrößert ist) Molekulargefüge einzudringen. Mit Hilfe von Ultraschallschwingugen, die durch das Flüssigbad geschickt werden, zieht sich das Molekulargefüge, nachdem es gelockert worden ist, zusammen und bildet mit Beendigung des Prozesses ein homogenes Material, das elektrisch leitend ist oder eine erhöhte Leitfähigkeit besitzt.
Die chemischen Zusätze werden einfach durch Einrühren in das Flüssigbad gemischt, wobei das Flüssigbad, d.h. das Wasser, vorzugsweise im wesentlichen auf 26,7ºC (80ºF) erhitzt ist, wodurch das Mischen der Chemikalien während des Kührens beschleunigt wird. Die in die Flüssigkeit eingebrachten Zusätze umfassen ein Tensid in einer Menge von beispielsweise 5 bis 15 Gewichtsprozenten. Das Tensid ist vorzugsweise eine Flüssigkeit. Es ist eine nichtionisierte Tensidflüssigkeit. Dieses Tensid ist ein Produkt zur Herstellung von Seife. Andere Tenside, die verwendet werden könnten, sind im Handel erhältlich, einschl. eines unter dem Handelsnamen "MAZOX CAPA" bekannten Produkts. Das Tensid ist ein Salz. Die Verwendung eines bestimmten Tensids ist nicht entscheidend. Außerdem wird Salzsäure einer Menge von im wesentlichen 5-15 Gewichtsprozent hinzugegeben. Außerdem wird im wesentlichen ein halbes (0,5) Gewichtsprozent Silbernitrat hinzugegeben. Das Silbernitrat liegt vorzugsweise in Form von Silbernitratkristallen vor. Dieses Produkt ist im Handel erhältlich. Dieses Produkt kann in bestimmten photographischen Prozessen verwendet werden. Während des Prozesses wird das Flüssigbad oder die Lösung ständig von Umwälzeinrichtungen, die zusammen mit dem erwähnten Gefäß oder Flüssigkeitsbehälter vorgesehen sind, umgewälzt und gefiltert.
Die Vorrichtung, in der oder von der der Prozeß ausgeführt wird, beinhaltet eine Vielzahl bezogen auf das Gefäß einander gegenüberliegender Elektroden, die so der Flüssigkeit ausgesetzt sind, daß sie einen elektrischen Wechselstrom dazu veranlassen, die Flüssiglösung und die zu behandelnden Materialien quer zu durchfließen. Die Elektroden umfassen vorzugsweise eine Vielzahl von Elektrodenpaaren, denen alle eine Wechselspannung eingeprägt ist, die vorzugsweise im Bereich von 60-120 V liegen kann; andererseits kann die angelegte Wechselspannung, abhängig von den zu behandelnden Materialien, insbesondere deren Dichte und der gewünschten Leitfähigkeit, bis zu 800 V betragen.
Die Vorrichtung umfaßt des weiteren eine Vielzahl von einander gegenüberliegend angeordneten Ultraschallgeneratoren, die Ultraschallschwingungen dazu veranlassen, die Flüssiglösung und die darin zur Behandlung befindlichen Materialien quer zu durchwandern. Die Ultraschallgeneratoren können einfach an einander gegenüberliegenden Seiten des Gefäßes angeordnet werden, d.h. an einander gegenüberliegenden Seiten des rechteckigen Flüssigkeitsbehälters, falls er diese Konfiguration besitzt. Zum Zwecke der praktischen Durchführung der Erfindung wird eine bevorzugte Form von Ultraschallgenerator bereitgestellt, obwohl handelsübliche Ultraschallgeneratoren verwendet werden könnten.
Die bevorzugte Form des Ultraschallgenerators ist aus Rohrteilen mit vorzugsweise U-fömiger Konfiguration aufgebaut. Der hierin beschriebene Ultraschallgenerator besteht vorzugsweise aus durch Krümmer miteinander verbundenen Rohrteilen. Die Rohrteile sind mit Bariumtitanat gefüllt, können andererseits aber auch mit Quarzkristallen gefüllt werden. An den Enden der Schenkel mit der U-förmigen Konfiguration sind Elektroden vorgesehen, und es wird eine Wechselspannung im Bereich zwischen 60 und 120 V geliefert. Aufgrund der Konfiguration der Teile breiten sich die durch den wechselnden Fluß des Wechselstroms hervorgerufenen Ultraschallschwingungen in alle Richtungen aus. Innerhalb jeder Einheit befindet sich zwischen dem Bariumtitanat oder den Quarzkristallen eine Drahtspule, deren Enden nicht mit den Elektroden an den Enden der Schenkel der Einheit verbunden sind. Der Zweck der Drahtspule besteht darin, den Stromfluß durch das Material in der Ultraschalleinheit zu erleichtern oder zu erhöhen. Die Ultraschalleinheit könnte als eine Art Schalloszillator bezeichnet werden. Es wird an sämtliche der vilen Ultraschallgeneratoren der vorbeschriebenen Konfiguration dieselbe Spannung angelegt. Bei der bevorzugten Form des Prozesses könnte der Frequenzbereich zwischen 40.000 bis 280.000 Hz liegen.
Bei der Durchführung des Prozesses wird das zu behandelnde Material in die Lösung getaucht. Die beschriebenen Elektroden werden mit einer Wechselspannung gespeist, um den Strom dazu zu veranlassen, die Lösung und die zu behandelnden Materialien zu durchfließen; gleichzeitig werden die Ultraschallgeneratoren mit Spannung versorgt, damit die Ultraschallschwingungen die Lösung und das zu behandelnde Material quer durchwandern.
Der Prozeß findet Anwendung bei der Erhöhung der Leitfähigkeit zahlloser verschiedener Materialien, einschl. Gummi, Leinen (Tennisschuhe), Vinyle, Hochdruckschichtstoff, synthetische Teppichbeläge und andere Materialien, wie sie weiter unten ausführlicher beschrieben werden. Andere Materialien sind u.a. Metalle wie Messing, Kupfer, Stahl sowie Beton, Polycarbonat, Acryl, Styrol, Polypropylen, Polyäthylen, Leder
Ein Verfahren für den angegebenen Zweck, welches das Eintauchen des zu behandelnden Materials in einer mit als Träger des elektrischen Stroms dienenden chemischen Zusätzen versehenen Lösung oder einem Flüssigbad beinhaltet, umfaßt die folgenden Schritte: Bereitstellung eines elektrischen Stromflusses durch das Bad oder die Lösung und durch das zu behandlende Material bei gleichzeitiger Übertragung von Ultraschallschwingungen durch die Flüssiglösung und das zu behandelnde Material; Lockerung des Molekulargefüges des zu behandelnden Materials, um ein Eindringen der Chemikalien in das Molekulargefüge zu ermöglichen; und nach Beendigung des Prozesses erneutes Schließen oder Zusammenziehen des Molekulargefüges, wodurch das zu behandelnde Material zu einem homogenen elektrisch leitenden Material oder einem Material mit erhöhter elektrischer Leitfähigkeit gemacht wird
Die an die den Wechselstromfluß erzeugenden Elektroden angelegte Wechselspannung liegt im Bereich von 60-120 V, die an die Ultraschallgeneratoren angelegte Wechselspannung liegt im Bereich von 60-120 V, wobei die Spannungen zur Erzeugung des Stomflusses und zur Erzeugung der Ultraschallschwingungen gleichzeitig angelegt werden, wodurch sie die beschriebenen Effekte der Lockerung des Molekulargefüges des zu behandlenden Materials erzeugen, so daß die Chemikalien in das Molekulargefüge eindringen und das Molekulargefüge sich wieder schließen oder in seinen Ausgangszustand zurückkehren kann.
Eine Vorrichtung wie oben beschrieben besteht aus einem Gefäß, welches eine Lösung mit chemischen Zusätzen wie oben beschrieben enthält, min einander bezogen auf das Gefäß dem Flüssigkeit gegenüberliegend angeordneten Elektroden, einer Einrichtung zum Anlegen einer Spannung zur Bereitstellung eines Wechselstromflusses durch die Lösung, sowie einer Vielzahl an dem Gefäß zueinander gegenüberliegend angebrachten Ultraschallgeneratoren, womit gleichzeitige Ultraschallschwingungen quer durch die Lösung und das zu behandelnde Material geschickt werden.
Eine verbesserte Form von Ultraschall- oder Schwingungsgenerator besitzt eine einzigartige Konfiguration mit der Fähigkeit, Schallschwingungen in alle Richtungen zu streuen.
Der Ultraschallgenerator ist aus vorzugsweise U-förmigen Rohrteilen aufgebaut, wobei die Einheit Bariumtitanat, oder alternativ dazu Quarzkristalle enthält und eine Wechselspannung an die Einheit angelegt wird, um durch das Material der Einheit zu fließen und wobei in dem Material der Einheit eine Drahtspule angeordnet ist, um den Fluß des Wechselstroms durch die Einheit zu erleichtern oder zu vergrößern.
Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachstehenden detaillierten Beschreibung und der beiliegenden Zeichnungen erläutert; es zeigen:
Fig. 1 eine isometrische Ansicht einer bevorzugten Form der Vorrichtung, wobei der Flüssigkeitsbehälter oder das Gefäß, die Elektroden zur Bereitstellung des Wechselstromflusses und die Anordnung der Ultraschallgeneratoren dargestellt sind;
Fig. 2 eine Ansicht eines Querschnitts entlang der Linie 2-2 der Fig. 1;
Fig. 3 eine Ansicht eines Querschnitts entlang der Linie 3-3 der Fig. 1;
Fig. 4 eine schematische Ansicht einer bevorzugten Form eines Ultraschallschwingungsgenerators;
Fig. 5 ein Schaltschema der Schaltung für die Elektroden, die das elektrische Feld erzeugen; und
Fig. 6 ein Schaltschema der Schaltung für jeden einzelnen Schallgenerator.
Wie aus den Fig. 1, 2 und 3 der Zeichnungen zu ersehen ist, ist mit 10 allgemein ein Gefäß in Form eines rechteckigen Flüssigkeitsbehälters zur Aufnahme der Prozeßlösung oder des Prozeßbades gekennzeichnet. Die Wände des Gefäßes einschl. einer Seitenwand 12 und einer Stirnwand 14 sind aus Plastikmaterialplatten geformt. Die Seitenwände des Gefäßes sind genau gleich, ebenso wie seine Stirnwände. 18 kennzeichnet eine Rahmenstruktur, die aus Metall bestehen kann und eine Halterung für die Wand 12 bereitstellt. 20 kennzeichnet eine ähnliche Halterungsrahmenstruktur für die Stirnwand 14. An der anderen Seiten- und Stirnwand des Flüssigkeitsbehälters sind ähnliche Halterungsrahmenstrukturen vorgesehen.
Stützfüße wie die mit 24a, 24b und 24c bezeichneten sind für den Flüssigkeitsbehälter selbst vorgesehen. Die Halterungsrahmenstruktur 18 besitzt mit 26a, 26b, 26c und 26d bezeichnete Beine oder Stützen. 28 und 30 kennzeichnen längliche Seitenelemente an den oberen Enden der Beine 26.
Der Stirnwandrahmen 20 weist ähnliche Beine 34a und 34b auf. Diese Rahmenstruktur besitzt an den oberen Enden der Beine mit 36 und 38 gekennzeichnete Querelemente. Wie zuvor angegeben, sind die Strukturen an den beiden Seitenwänden bzw. an den Stirnwänden des Flüssigkeitsbehälters jeweils gleich.
An dem einen Ende des Flüssigkeitsbehälters befindet sich eine mit 44a, an dem anderen Ende befindet sich eine ähnliche mit 44b gekennzeichnete Wanne. Die Wanne 44a ist in der Fig. 3, die Wanne 44b in der Fig. 2 zu sehen, wobei diese im Aufbau identischen Wannen einen Boden und Seitenwände wie gezeigt aufweisen. Innerhalb der Wanne 44b befindet sich ein ein Filter bildendes Drahtsieb, welches mit 46 gekennzeichnet ist, und innerhalb der Wanne 44a befindet sich ein ähnliches Sieb. Die Wanne 44b und das Filtersieb 46 sind in der Fig, 2 in einem Querschnitt dargestellt. Wie oben angegeben, sind die Strukturen an den beiden Stirnwänden identisch.
Zur ständigen Umwälzung und Filterung der Lösung in dem Flüssigkeitshehälter ist eine Vorrichtung vorgesehen. Die Umwälzeinrichtung an einem Ende umfaßt eine Umwälzpumpe, wie in der Fig. 1 mit 50 gekennzeichnet. Oben auf der Wanne 44b sind Halter 52a, 52b, 52c und 52d, von denen feder eine Einkerbung am oberen Rand aufweist, angebracht. In diesen Einkerbungen ist ein Verteilerrohr 58 gehaltert, welches an seinen Enden mit 60 und 62 bezeichnete Krümmer aufweist, die so angebracht sind, daß die Lösung aus den Enden in die Wanne 44b und durch das Drahtsiebfilter 46 fließen kann. Das Rohr 58 weist vorzugsweise an der Unterseite eine Perforierung auf, die ein Ablassen der Flüssiglösung nach unten in die Wanne 44b gestatten, wie in der Fig. 2 dargestellte. Die Wanne 44b besitzt im Boden mit 66 bezeichnete Öffnungen, die ein Ablassen der Lösung zurück in den Flüssigkeitsbehälter erlauben. Siehe Fig. 3.
Die Umwälzpumpe ist durch eine Rohrleitung 70 mit einem "T"-Fitting 72 des Rohres 58 verbunden, um die Lösung zu dem Verteilerrohr 58 zu fördern. Die Pumpe saugt Lösung vom Boden des Flüssigkeitsbehälters durch eine Rohrverbindung 74 an. 76, 78, 80 und 82 kennzeichnen manuell betätigte Ventile zur manuellen Durchflußregelung der zirkulierenden Lösung und zum Ablassen von Lösung aus dem Flüssigkeitsbehälter, falls gewünscht.
Elektronische Vorrichtungen, einschl. Elektroden, sind an den Enden des Flüssigkeitsbehälters vorgesehen, so daß eine Wechselspannung angelegt werden kann, welche einen die Lösung in dem Flüssigkeitsbehälter und das zu behandelnde Material durchfließenden Wechselstrom erzeugt. Die Fig. 3 stellt die Elektroden an einem Ende des Flüssigkeitshehälters dar. Die Struktur ist an beiden Enden des Flüssigkeitsbehälters dieselbe. Drei der Elektrodeneinheiten sind in der Fig. 3 mit 84a, 84b und 84c gekennzeichnet. Jede dieser Elektrodeneinheiten weist einen ähnlichen Aufbau, einschl. eines mit 86 bezeichneten unteren Teils und senkrechter Verbindungs- oder Kontaktteile 88 und 90 auf. Über elektrische Anschlüsse wird an die oberen Enden der Verhindungs- oder Kontaktteile 88 und 90 Spannung angelegt. Es wird eine Wechselspannung von 60-120 V zwischen den Elektroden angelegt, die jedoch auf bis zu 800 V erhöht werden kann, je nach Dichte und anderen Eigenschaften der zu behandelnden Materialien und dem jeweils gewünschten Grad der elektrischen Leitfähigkeit.
Die Teile 84a, 84b und 84c erstrecken sich bzw. sind so angeordnet, daß sie mit der Lösung im Gefäß oder Behälter in Berührung stehen. Die Elektrodenanordnung ist an beiden Enden gleich, so daß der Wechselstrom die Lösung und das zu behandelnde Material durchfließt. Wie bereits erwähnt, ist die Struktur an beiden Enden des Behälters oder Behälters ebenso wie an beiden Seiten des Behälters gleich.
Die Fig. 5 zeigt die elektrische Schaltung zum Anlegen der Spannung an die Elektroden an gegenüberliegenden Enden des Behälters. Mit 85 ist ein Regeltransformator gekennzeichnet, welcher zu dem Zweck vorgesehen ist, die an die Elektroden anzulegende Wechselpannung zu regeln. Die Figur zeigt weiterhin die Schaltung zur Lieferung einer Spannung an die Ultraschallgeneratoren, welche außerdem in der Fig. 6 dargestellt ist.
85 kennzeichnet eine Sekundärwicklung des Regeltransformators, welche wie dargestellt mit der Spannungsversorgung verbunden ist. Die Spannungsversorgung ist an Klemmen 1 nur 4 an den Enden der Sekundärwicklung 85 angeschlossen. Es ist ein Schleifer 85a vorgesehen, welcher entlang der Sekundärwicklung 85 verstellt werden kann. Die Teile der Sekundärwicklung an den verschiedenen Seiten des Schleifers sind mit 2 und 4 bezeichnet. Der Schleifer ist an einer Klemme 3 angeschlossen. Der Buchstabe "V" kennzeichnet an die Schaltung angeschlossene Voltmeter. Das Bezugszeichen 85b kennzeichnet einen Steuerschalter.
Das Bezugszeichen 3 ist wie dargestellt über eine Schmelzsicherung und eine Anzeigelampe mit einem Verteiler- oder "J"-Kasten 89 verbunden. Ein Stecker verbindet wie gezeigt den "J"-Kasten bei 84a und 87 mit den Elektroden, bei denen es sich um an gegenüberliegenden Enden des die Lösung enthaltenden Behälters angeordnete Elektroden handelt. Selbst verständlich kann eine Vielzahl von Elektroden an jedem Ende parallel angeschlossen werden.
Das zwischen den Klemmen 1 und 3 angeschlossene Meßgerät zeigt die an die Schaltung angelegte Spannung, auf die nachstehend verwiesen wird, an und das über die Leitungen an den Klemmen 84a und 87 angeschlossene Meßgerät zeigt die über die Länge der Badlösung im Behälter angelegte Spannung an.
Eine der Schaltung der Fig. 5 ähnliche oder gleiche Schaltung dient zur Bereitstellung der Spannung an jeden der Ultraschallgeneratoren, wie z.B. mit 98 gekennzeichnet, die sämtlich parallelgeschaktet werden können.
Zusätzlich zu der Vorrichtung zur Bereitstellung eines Wechselstroms zur Erzeugung eines Stromflusses durch die Badlösung sind Anordnungen von Ultraschall- oder Schwingungsgeneratoren vorgesehen, um Ultraschallschwingungen zu erzeugen, welche die Badlösung und das zu behandelnde Material durchwandern. Wie aus der Fig. 1 der Zeichnungen zu ersehen ist, kennzeichnet 90a ein Querelement, welches die Ultraschalleinheiten und die Elektroden trägt, mittels derer die einzelnen Ultraschalleinheiten mit elektrischer Spannung versorgt werden. Das Element 90a wird durch senkrechte Tragelemente 92a, 92b, 92c, 92d, 92e und 92f auf dem zuvor beschriebenen länglichen Element 28 gehaltert. 90b kennzeichnet ein ähnliches Tragelement auf der anderen Behälterseite, hei dem die oberen Enden der einzelnen vom Element 90b gehalterten Ultraschalleinheiten zu sehen sind. Eine der Ultraschalleinheiten ist in der Fig. 3 mit 96 gekennzeichnet, welche die Verbindung einer der Elektroden 100 mit der Ultraschalleinheit darstellt.
Die Fig. 2 zeigt bei 98 eine andere der Ultraschalleinheiten, wobei diese Einheiten hinsichtlich ihres Aufbaus selbstverständlich identisch sind. Die Fig. 4 ist eine schematische Ansicht einer bevorzugten Form der mit 98 gekennzeichneten Ultraschalleinheit.
Die Einheit 98 ist aus Rohrteilen aufgebaut, wie mit 102, 104 und 106 gekennzeichnet, wobei die Teile die senkrechten Schenkel 102 und 104 und den unteren Querteil 106 umfassen, der über Krümmer 108 und 110 mit den senkrechten Teilen verbunden ist. Wie aus der Fig. 2 zu ersehen ist, sind die Krümmer vorzugsweise an den oberen Enden der Rohrteile 102 und 104, wie bei 116 und 118 dargestellt, vorgesehen. An den oberen Enden der Teile 102 und 104 sind, wie bei 120 und 122 gekennzeichnet, Elektroden vorgesehen, an welche die Wechselspannung gelegt wird. Ein Regeltransformator ist zur Regelung der an diese Elektroden gelegten Spannung bereitgestellt. Die Fig. 5 und 6 stellen bevorzugte Schaltungen der Ultraschallgeneratoren dar.
Die Rohrteile des Ultraschallgenerators sind mit einem Material gefüllt, bei dem es sich vorzugsweise um Bariumtitanat oder wahlweise Quarzkristalle handeln kann. Diese handelsüblichen Materialien dienen zur Erzeugung von Ultra schallschwingungen, wenn sie von einem Strom durchflossen werden. Innerhalb des Materials ist, wie mit 126 gekennzeichnet, eine elektrische Spule angeordnet, deren Enden nicht mit den Elektroden 120 und 122 verbunden sind. Der Zweck der elektrischen Spule ist die Erleichterung des Stromflusses durch die Rohrteile. Der Aufbau des Ultraschallgenerators ist deshalb einzigartig, da er aufgrund seiner Konfiguration die Fähigkeit besitzt Schallschwingungen durch die Lösung zu übertragen und in alle Richtungen zu streuen, wobei die Ultraschallgeneratoren natürlich der Lösung innerhalb des Behälters oder Gefäßes 10 ausgesetzt sind. Der Aufbau aller einzelnen Ultraschallgeneratoren ist identisch. Die Generatoren sind, wie in der Fig. 1 dargestellt, an gegenüberliegenden Seiten des Behälters oder Gefäßes zur Streuung und Übertragung der Ultraschallschwingungen durch den Lösungsbehälter und das zu behandelnde Material angeordnet. Ein hevorzugter Bereich der von den Ultraschallgeneratoren erzeugten Frequenzen kann zwischen 40.000 und 280.000 Hz liegen.
Nunmehr sei auf die Lösung oder das Bad verwiesen, welches im Prozeßhehälter verwendet wird, bei der es sich vorzugsweise um eine wäßrige Lösung mit gefiltertem oder destilliertem Wasser handelt. Das Wasser wird gefiltert, um das Eisen mittels eines handelsüblichen Kohlefilters zu entfernen. Die Entfernung von Eisen aus dem Wasser deionisiert das Wasser in einem für den Prozeß hinreichendem Maße. Es kann destilliertes Wasser verwendet werden. Bestimmte Zusätze oder Chemikalien werden in das Wasser eingebracht, d.h. durch einfaches Mischen mit diesem vermischt. Vorzugsweise erfolgt das Mischen jedoch in auf im wesentlichen 26,7ºC (80ºF) erwärmtes Wasser, wodurch beim Rühren eine schnellere Mischung der Chemikalien erfolgt.
Ein Tensid wird in das Wasser gebracht, d.h. mit diesem gemischt, und dieser Zusatz kann im Bereich von etwa 5 bis etwa 15 Gewichtsprozent liegen, je nachdem, in welchem Maße die Leitfähigkeit des zu behandelnden Materials erhöht werden soll bzw. muß. Es handelt sich dabei um eine nicht ionisierte Tensidflüssigkeit. Dieses Produkt wird in der Seifenherstellung verwendet. Das Tensid kann ein Produkt sein, welches unter den Handelnamen "MAZOX CAPA" vermarktet wird. Es können auch andere handelsübliche Tenside verwendet werden. Die Verwendung eines bestimmten Tensids ist nicht entscheidend. Das Tensid ist ein Salz. Außerdem wird Salzsäure einer Menge von im wesentlichen 5-15 Gewichtsprozent hinzugegeben. Die Zusätze können durch Rühren mit einer Schaufel zugemischt werden, wobei die tatsächliche Art des Einrührens nicht kritisch ist. Außerdem wird im wesentlichen 0,5 bis 1 Gewichtsprozent Silbernitrat hinzugegeben. Das Silbernitrat liegt vorzugsweise in Form von Kristallen vor. Dieses Produkt ist im Handel erhältlich. Die Wirkung der Lösung während des Prozesses zusammen mit den anderen Schritten wird nunmehr detaillierter beschrieben.
Wie oben beschrieben, findet eine kontinuierliche Umwälzung und Filterung der Lösung im Behälter oder Gefäß mittels deran jedem Ende befindlichen Umwälzpumpe statt.
Im folgenden wird eine Beschreibung des Prozesses gegeben. Diese Beschreibung umfaßt ein spezifisches Prozeßbeispiel, welches sich der jeweiligen Ausrüstung oder Vorrichtung bedient, die oben beschrieben worden ist.
Für die Durchführung des Prozesses kann die obenbeschriebene Lösung verwendet wenden. Zur Ausführung des Prozesses wird die beschriebene Spannung über die beschriebene Schaltung an die Elektroden an gegenüberliegenden Behälterenden gelegt. Die Daten eines spezifischen Beispiels sind wie folgt:
Material - Vinylfolie
Tensid - 15 Gew.-%
Salzsäure - 15 Gew.-%
Silbernitrat - 1 Gew.-%
Wechselspannung (für Strom) - 107 V
Wechselspannung (für Ultraschall) - 110 V
Die Wechselspannung sorgt für einen Wechselstrom durch die Lösung im Gefäß und durch die zu behandelnden Materialien. Gleichzeitig wird die obige Spannung an alle einzelnen an gegenüberliegenden Seiten des Behälters befindlichen Ultraschallgeneratoren gelegt, um die Schallschwingungen zu veranlassen, den Behälter und das zu behandelnde Material (Vinyl) mit den angegebenen Frequenzen, d.h. im Bereich zwischen 40.000 und 280.000 Hz zu durchwandern. Eine typische Frequenz der Ultraschallschwingungen beträgt 60.000 Hz; beispielsweise ist das Material eine rechteckige Folie aus Vinylmaterial, die im Behälter in die Lösung eingetaucht ist. Bei dem Material kann es sich um jedes beliebige Material oder Materialstück handeln, das sich in die Lösung eintauchen läßt. Das beispielhafte zu behandelnde Materialstück ist eine Schichtstoffolie mit einer Dicke vor z.B. 1,0 mm (0,040 Zoll). Das Material kann folienweise in die Lösung getaucht werden, oder es kann gleichzeitig eine große Anzahl von Folien, zwischen denen Distanzhalter eingelegt sind, behandelt werden. Es können verschiedene Typen von Handhabungsausrüstung zum Plazieren des Materials, wie z.B. Schichtstoffolien, in die Lösung im Behälter und zum Einlegen von Distanzhaltern vorgesehen werden. Diese Ausrüstung, d.h. die Handhabungsausrüstung, ist natürlich zusätzlich für das Verfahren und die Ausrüstung bzw. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorgesehen.
Während des Prozesses lockern der Wechselstrom und die Schallschwingungen das Molekulargefüge des zu behandelnden Materials, so daß die Chemikalien in und durch das Molekulargefüge gebracht werden, wodurch das Material elektrisch leitend oder seine elektrische Leitfähigkeit verbessert wird. Das Tensid und das Silbernitrat sind leitende Materiallen, die durch den Strom und die Schwingungen veranlaßt werden, direkt in das Molekulargefüge einzudringen. Bei Beendigung des Prozesses und Abschalten der Ultraschallgeneratoren, schließt sich das Molekulargefüge bzw. zieht sich wieder zusammen, was dazu führt, daß das behandelte Material ein homogenes leitendes oder elektrisch leitendes Material wird, dessen Leitfähigkeit erhöht oder verbessert worden ist. Eine Anzahl verschiedener Materialtypen, einschließlich Gummi und Leinen (d.h. Tennisschuhe) sowie Vinyle, synthetische Teppichbeläge u.a. ist durch diesen Prozeß erfolgreich behandelt worden.
Bei der Beobachtung des Prozesses und seiner Auswikrungen hat man ein Gerät zur Messung des spezifischen Oberflächenwiderstandes, d.h. Modell 262A, verwendet, welches von Monroe Electronics., Inc., vermarktet wird. Dieses Instrument kann den Oberflächenwiderstand von Materialfolien sowie den Widerstand gegenüber Erde von Materialstücken prüfen, welche behandelt worden sind. Das Gerät zur Messung des spezifischen Oberflächenwiderstandes ist ein Instrument mit parallelen Elektroden an der Unterseite, die in Kontakt mit dem zu prüfenden Material gebracht werden, so daß das Instrument eine Anzeige des spezifischen elektrischen Widerstandes der von den Elektroden eingeschlossenen Fläche liefert. Die Anzeige kann als der spezifische Widerstand pro Fläche, d.h. die Fläche zwischen den Elektroden und/oder als der Widerstand gegen Erde bereitgestellt werden. Beispielsweise kann ein nicht behandeltes Material einen Widerstand von 10¹&sup0; oder 10¹³ Ohm aufweisen. Nach der Behandlung des Beispielmaterials fiel der Widerstandswert von den obigen Zahlen auf 10&sup6; bis 10&sup7;. Selbstverständlich ist der spezifische Widerstand in Ohm ein Hinweis auf die Zunahme der elektrischen Leitfähigkeit des behandelten Materials. Die elektrische Leitfähigkeit kann weiter erhöht oder verbessert werden, indem man das zu hehandelnde Material länger im Bad beläßt oder indem man die Spannung und die Frequenz der von den Ultraschallgeneratoren erzeugten Schwingungen erhöht.

Claims

1. Verfahren, um ein festes bzw. massives Substrat leitend zu machen oder um die elektrische Leitfähigkeit eines festen bzw. massiven Substrats zu erhöhen, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

a) Vorbereitung eines Flüssigbades einschließlich gelöster Behandlungsmittel, wobei die Behandlungsmittel mindestens ein Leitungsmittel enthalten;

b) Eintauchen des festen bzw. massiven Substrats in das Flüssigbad;

c) beaufschlagen des Flüssigbades und des festen bzw. massiven Substrats mit Ultraschallschwingungen, wodurch das Molekulargefüge des festen Substrats gelockert oder entspannt wird; und

d) gleichzeitig mit Schritt c)

Schicken eines elektrischen Wechselstroms durch das Flüssigbad und das feste Substrat, wodurch Moleküle des Leitungsmittels in das entspannte Molekulargefüge des festen Substrats eintreten und dadurch dessen elektrische Leitfähigkeit erhöhen.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Wechselstrom seitlich durch das Flüssigbad geschickt wird und die Ultraschallwchwingungen so einwirken, daß sie das Flüssigbad in seitlicher Richtung durchwandern.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlungsmittel ein Salz enthalten, welches das Flüssigkeitsbad elektrisch leitend macht.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß:

a) das Salz ein grenzflächenaktiver Stoff bzw. ein Tensid ist; und

b) die Behandlungsmittel Salzsäure und einen geringen prozentualen Gewichtsanteil an Silbernitratkristallen enthalten.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Tensid mit im wesentlichen 5 bis 15 Gewichtsprozent, die Salzsäure mit im wesentlichen 5 bis 15 Gewichtsprozent und die Silbernitratkristalle mit im wesentlichen 1/2 bis 1 Gewichtsprozent zugesetzt werden.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallschwingungen mit einer Frequenz im Bereich von 40.000 bis 280.000 Hz aufgebracht werden.

7. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Wechselstrom durch das Bad und das Behandlungsmaterial mit einer Wechselspannung im Bereich von 60 bis 120 V geschickt wird.

8. Verfahren gemäß einen beliebigen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigbad deionisiertes Wasser als Basis enthält.

9. Verfahren gemäß einnem beliebigen der vorstehenden Arsprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zunahme an elektrischer Leitfähigkeit eine Zunahme der elektrischen Oberflächenleitfähigkeit ist.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, um ein festes bzw. massives Substrat leitend zu machen oder um die elektrische Leitfähigkeit eines festen bzw. massiven Substrats zu erhöhen, gekennzeichnet durch:

a) einen Behälter (10), welcher so ausgeführt ist, daß er das feste bzw. massive Substrat und ein Flüssigbad einschließlich gelöster Behandlungsmittel aufnimmt, wobei die Behandlungsmittel mindestens ein Leitungsmittel enthalten;

b) Elektroden (84a, 84b, 84c), welche bezogen auf den Behälter 910) in elektrischem Kontakt mit der Flüssigkeit angeordnet sind, wodurch die Elektroden (84a, 84b, 84c) einen elektrischen Wechselstrom durch die Flüssigkeit im Behälter (10) schicken;

c) eine Vielzahl von am Behälter (10) angebrachten Ultraschallgeneratoren (98), so daß die Ultraschallgeneratoren die Flüssigkeit im gesamten Behälter (10) mit Ultraschallschwingungen einer vorgegebenen Frequenz zur selben Zeite beaufschlagen, in der die Elektroden (84a, 94b, 84c) elektrischen Wechselstrom durch die Flüssigkeit schicken, wodurch das Molekulargefüge des festen Substrates gelockert oder entspannt wird und Moleküle des Leitungsmittels in das entspannte Molekulargefüge des festen Substrats eintreten und dadurch dessen elektrische Leitfähigkeit erhöhen.

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, gekennzeichnet durch ein Mischgerät, welches die Flüssigkeit im Behälter kontinuierlich umwälzt.

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder einzelne Ultraschallgenerator (98) so konfiguriert ist, daß er vom Generator aus Ultraschallschwingungen in alle Richtungen aussendet.

13. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, gekennzeichnet durch den im wesentlichen rechtwinkligen Behälter (10) mit Stirn- und Seitenwänden, so daß die Elektroden (84, 84b, 84c) mit der Flüssigkeit in Kontakt stehen und an gegenüberliegenden Stirnwänden des Behälters (10) angeordnet und die Ultraschallgeneratoren (98) an gegenüberliegenden Seitenwänden des Behälters (10) angeordnet sind und die Ultraschallschwingungen zwischen den Seitenwänden des Behälters (10) aussenden.

14. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Flüssigkeit mit einem Leitungsmittel gemischtes Wasser enthält.

15. Vorrichtung gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dqß das Flüssigbad einen grenzflächenaktiven Stoff bzw. ein Tensid, eine Säure und Silbernitratkristalle enthält.

16. Vorrichtung gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Tensin im Bereich von 5 bis 15 Gewichtsprozent, die Säure als Salzsäure im Bereich von 5 bis 15 Gewichtsprozent und das Silbernitrat im wesentlichen mit 1/2 bis 1 Gewichtsprozent enthalten ist.

17. Vorrichtung gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallschwingungen eines Frequenz im Bereich von 40.000 bis 280.000 Hz haben.

18. Behälter gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jeder einzelne Ultraschallgenerator (98) folgendes umfaßt:

- rohrförmige Teile (102, 104, 106). welche Bariumnitanat oder Quarzkristalle enthalten; - Elektroden (120, 122), mittels derer ein elektrischer Wechselstrom an das Bariumtitanat oder die Quarzkristalle gelegt wird; und

- eine innerhalb des Bariumtitanats oder der Quarzkristalle angeordnete Drahtspule (126), wobei die Enden der Spule (126) im Abstand zu den Elektroden (120, 122) angeordnet sind.

19. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit eine Erhöhung der elektrischen Oberflächenleitfähigkeit ist.