DK165906B - Smoeremetode under anvendelse af ioniserende plasma, samt genstand hvortil smoeremetoden anvendes - Google Patents

Description

i

DK 165906B

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde til at nedsætte statisk og kinetisk friktion mellem overflader, der glider mod hinanden, samt genstande med lav friktion fremstillet derved.

Visse apparater kræver langsom og reguleret igangsætning og ved-5 ligeholdelse af glidende bevægelse af én overflade over en anden overflade. Det er velkendt, at to stationære overflader med et glidende forhold til hinanden ofte udviser så meget modstandsevne mod igangsætning af bevægelse, at gradvis forøget tryk påført på en af overfladerne ikke forårsager bevægelse, før et 10 tærskeltryk er nået, på hvilket punkt der sker en pludselig glidende adskillelse af overfladerne. Denne pludselige adskillelse af stationære overflader til et glidende forhold omtales i den foreliggende beskrivelse som "udbrud".

Udbrud er særlig besværligt i apparater til afgivelse af væske, 15 såsom injektionssprøjter, der anvendes til at afgive små, nøjagtigt afmålte mængder af en væske ved en jævn, stigende fremadskriden linie for linie af én overflade over en gradinddelt anden -overflade. Problemet forekommer også i apparater, der anvender stophaner, såsom buretter, pipetter, skilletragte og lignende, 20 hvor man ønsker en forsigtig, dråbevis regulering af strømmen.

Problemet med udbrud er beslægtet med friktion. Friktion defineres i almindelighed som den modstandskraft, der opstår, når en overflade af et stof glider eller er tilbøjelig til at glide over en tilstødende overflade af sig selv eller af et andet stof. Mel-25 lem overflader af faste stoffer i kontakt med hinanden kan der være to slags friktion: (1) den modstand, som modvirker den kraft, der kræves til at begynde at bevæge én overflade over en anden, traditionelt kaldt statisk friktion, og (2) den modstand, som modvirker den kraft, der kræves til at bevæge én overflade 30 over en anden med en variabel, fastlagt eller forudbestemt hastighed, traditionelt kaldet kinetisk friktion.

2

DK 165906 B

Den kraft, der kræves til at overvinde statisk friktion og inducere udbrud, omtales som "udbrudskraften", og den kraft, der kræves til at vedligeholde konstant gliden af én overflade over en anden efter udbrud, omtales som "vedligeholdelseskraften".

5 To hovedfaktorer bidrager til statisk friktion og derfor til udbrudskraften. Udtrykket "klæbning" anvendes i den foreliggende beskrivelse til at betegne tendensen hos to overflader i stationær kontakt til at udvikle en grad af klæbning til hinanden. Udtrykket "inerti" defineres traditionelt som den manglende til-10 bøjelighed til bevægelse, som må overvindes for at sætte en masse i bevægelse. I den foreliggende opfindelses sammenhæng forstås inerti som den komponent af udbrudskraften, som ikke indebærer klæbning.

Udbrudskraften, især graden af klæbning, varierer med sammensæt-15 ningen af overfladerne. I almindelighed udviser materialer, der har elasticitet, større klæbning end uelastiske materialer, især når overfladerne er af uens sammensætning. Længden af den tid, hvor overflader har været i stationær kontakt med hinanden, påvirker også udbrudskraften. Hvor det drejer sig om sprøjter, 20 betegner udtrykket "parkering'! lagertiden, henliggetiden eller intervallet mellem fyldning og udtømning. Parkering forøger i almindelighed udbrudskraften, især hvis sprøjten er blevet afkølet under parkering.

En sædvanlig fremgangsmåde til at overvinde udbrud har været på-25 føring af et smøremiddel på en overflade eller rensefladen mellem overflader. Almindeligt anvendte smøremidler er hydrocarbonolier, såsom mineralolier, jordnøddeolie, vegetabilske olier og lignende. Disse produkter har den ulempe at være opløselige i forskellige væsker, såsom bærerstoffer, der almindeligvis anvendes til at 30 dispensere lægemidler. Desuden er disse smøremidler udsat for luftoxidation, som resulterer i viskositetsændringer og skadelig farveudvikling. Endvidere er de særligt tilbøjelige til at vandre fra overfladen til overfladegrænsefladen. En sådan vandring af smøremidler menes i almindelighed at være ansvarlig for stignin- 3

DK 165906B

gen i udbrudskraft med parkeringstiden.

Siliconeolier anvendes også almindeligt som smøremidler. De er dårlige opløsningsmidler og er ikke udsat for oxidation, men der sker vandring og klæbning, og høje udbrudskræfter er et problem.

5 Polytetrafluorethylenoverflader giver nogen reduktion i udbrudskræfter, men dette materiale er meget dyrt, og forsøg på dets anvendelse har ikke været helt vellykket. Der er således et behov for en bedre fremgangsmåde til at overvinde høje udbrudskræfter, hvorved der kan fås glat overgang af to overflader fra 10 stationær kontakt til glidende kontakt.

Dannelse af en ioniserende plasma ved elektromagnetisk aktivering af en gas ved enten glødeudladning eller coronaudladning og anvendelse af en sådan plasma til modifikation af en overflade, især til aflejring af et materiale på en polymer overflade , er 15 velkendt. Eksempler på denne teknik kan findes i de amerikanske patenter nr. 4.364.970 og nr. 4.072.769.

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde til at reducere de kræfter, der kræves til udbrud af overflader fra stationær kontakt til glidende kontakt, og til at holde over-20 fladerne i glidende kontakt.

Det ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen benyttede smøremiddel er en lavmolekylær siliconeolie påført på mindst én af overfladerne før plasmabehandlingen, hvorved både silicone-olien og overfladen udsættes for plasmaen. I den mest fore-25 trukne udførelsesform ifølge opfindelsen er smøremidlet en lavmolekylær polydialkylsiloxan påført på overfladerne af en sprøjtecylinder og det tilhørende sprøjtestempel før plasmabehandl ingen.

30 4

DK 165906 B

Opfindelsen angår også genstande, der har gi ideoverflader med lave udbrudskræfter og vedligeholdelseskræfter, som er opnået i hovedsagen i overensstemmelse med fremgangsmåden ifølge opfindelsen.

5 Ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen er den kraft, der kræves til at opnå udbrud, meget reduceret, hvorved overgang af overflader fra stationær kontakt til glidende kontakt sker uden et pludseligt sæt. Når udbrud er fuldstændigt, og overfladerne er i glidende kontakt, glider de jævnt ved påføring af en meget 10 lav vedligeholdelseskraft. Der kræves væsentligt mindre smøremiddel, og vandring af smøremiddel elimineres. Virkningen, der opnås ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen, er af lang varighed, og genstande, såsom sprøjter, bevarer fordelene ved lav udbrudskraft og vedligeholdelseskraft gennem enhver parkeringsperiode.

15 Når overfladerne er del af et væskedispenseringsapparat, kan små, meget nøjagtige væskemængder dispenseres gentagne gange uden pludselige sprøjt. En sprøjte behandlet ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen kan således anvendes til at administrere et lægemiddel til en patient uden fare for pludselige sprøjt, hvor- 20 ved der opnås nøjagtig regulering af dosen og meget forøget sikkerhed for patienten.

Tegningen viser en kurve over udbrudskraft og vedligeholdelseskraft for en sprøjtecylinder smurt med en siliconeolie, der viser virkningen af behandling med en ioniserende plasma.

25 Opfindelsen tilfredsstilles af mange forskellige udførelsesformer, men i det følgende vil i detaljer blive beskrevet foretrukne udførelsesformer, idet det skal forstås, at beskrivelsen kun skal betragtes som eksempel på principperne ifølge opfindelsen og ikke skal begrænse opfindelsen til de viste udførelsesformer.

30 Opfindelsens omfang måles af kravene og deres ækvivalenter.

Ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen bliver overflader, der glider i forhold til hinanden, behandlet med et smøremiddel og

DK 165906B

5 underkastet en ioniserende plasma, hvorved udbrud af overfladerne kan opnås uden tilførsel af høj udbrudskraft. Fremgangsmåden ifølge opfindelsen kan anvendes til enhver overflade, der glider i kontakt med en anden overflade. Materialer, hvoraf overfla-5 derne kan være fremstillet, indbefatter glas, metal, keramik, plast, gummi og lignende. Fremgangsmåden er mest effektiv og mest nyttig til overflader fremstillet af materialer, som har elasticitet, som f.eks. overflader bestående af gummi eller forskellige polymerer. Overflader, der reagerer særligt godt på 10 fremgangsmåden ifølge opfindelsen, er de der er fremstillet af naturlige eller syntetiske gummier eller af termoplastiske eller termohærdede polymerer, såsom polyethylen, polypropylen, polystyren, polytetrafluorethylen og lignende.

15 Et smøremiddel påføres på mindst én af overfladerne, således at, når overfladerne er i kontakt med hinanden, befinder smøremidlet sig på grænsefladen mellem overfladerne. Enhver egnet silico-neolie kan anvendes, eller, hvis det ønskes, en blanding af olier. Foretrukne si 1iconeolier har en molekylvægt fra 100 til 20 200.000, fortrinsvis fra ca. 1,000 til 100.000. Den meste fo

retrukne klasse af smøremidler er polydialkylsiloxanerne med den almene struktur I

Λ λ _L_ Si - O -j— (I) V*' J n hvori R og R1 uafhængigt af hinanden kan være lavere alkyl med 30 1-20 carbonatomer, fortrinsvis 1-8 carbonatomer, og n kan væ re et tal fra 1 til 2.000, fortrinsvis 1 - 800. De foretrukne smøremidler med strukturen I har viskositeter fra 10 til 100.000, fortrinsvis 50 - 1.000 centistoke.

35 Påføring af en film af smøremiddel på de glidende overflader kan 6

DK 165906 B

opnås på enhver egnet måde, f.eks. ved dypning, pensling, sprøjtning og lignende. Smøremidlet kan påføres i ren tilstand eller kan påføres i et opløsningsmiddel og opløsningsmidlet derpå fjernes ved fordampning. Smøremiddelfilmen kan have enhver 5 passende tykkelse, og i praksis vil tykkelsen være bestemt af sådanne faktorer som viskositeten af smøremidlet og påføringstemperaturen. Af økonomiske grunde påføres filmen så tyndt som praktisk muligt, da der ikke opnås nogen særlig fordel ved tykkere film.

10 Smøremidlet og overfladerne kan behandles hver for sig med en ioniserende plasma før påføring af smøremidlet. Fortrinsvis påføres smøremidlet på overfladen, og overfladen og smøremidlet behandles sammen med den ioniserende plasma, hvorved både smøremidlet og overfladen udsættes for plasmaen. Hvis det ønskes, 15 kan overfladerne efter smøring samles til stationær kontakt før plasmabehandling.

Plasmabehandlingen kan udføres i enhver plasmagenerator, f.eks. de, der er beskrevet i amerikansk patent nr. 3.847.652. Enhver egnet ioniserende plasma kan anvendes, f.eks. en plasma udviklet 20 ved glødeudladning eller coronaudladning. Plasmaen kan udvikles af forskellige gasarter eller blandinger deraf. Gasarter, der hyppigt anvendes, indbefatter luft, hydrogen, helium, ammoniak, nitrogen, oxygen, neon, argon, krypton og xenon. Ethvert gastryk kan anvendes, men gastrykkene holdes med fordel på 5 mm Hg 25 eller derunder, fortrinsvis fra 0,1 til 1,0 mm Hg, for at få fordelene ved reducerede spændingskrav.

Mange forskellige kraftindstillinger, strålingsfrekvenser og varigheder af eksponeringen af smøremidlet og overfladen for plasmaen kan anvendes. Intervaller for disse tre parametre, som 30 giver fordelagtige resultater, er jævnstrøms- eller vekselstrømskraftniveauer op til ca. 200 watt^- fra 0,1 til 50 MHz og fra 0,1 til 30 minutter. Foretrukne intervaller er

DK 165906B

7 henholdsvis 10 - 50 watt, 10 - 20 MHz og 2 - 10 minutter.

Udbrudskræfter og vedligeholdelseskræfter kan bekvemt måles på et universelt mekanisk prøveapparat eller på en prøvemaskine af den type, som har en konstant hastighed af krydshoved-5 bevægelsen, såsom f.eks. en Instron, model 1122. Tegningen viser udbrudskræfterne af et termoplastisk, syntetisk gummi -sprøjtestempel i en sprøjtecylinder og vedligeholdelseskræfterne, der kræves til at bevæge stemplet med en hastighed af 100 mm pr. minut efter en parkeringstid på 5 minutter. Den fuldt op-10 trukne linie viser disse kræfter for et ubehandlet sprøjtestempel og cylinder smurt med en siliconeolie, og den punkterede linie viser de samme kræfter målt efter behandling af den smurte cylinder med ioniserende plasma. Det vil ses, at udbrudskraften og vedligeholdelseskraften i fravær af plasmabehandling er 15 henholdsvis 0,72 og 0,61 kg, og at disse kræfter efter plasmabehandling falder til henholdsvis 0,1 og 0,065 kg. Efter udbrud forbliver disse vedligeholdelseskræfter i hovedsagen konstante, uanset længden af stemplets bevægelse.

Det antages, men er endnu ikke bevist, at plasmabehandlingen in-20 ducerer tværbinding i siliconeolien, hvorved smøremidlet om dannes til et højpolymert, tredimensionalt, polymert netværk.

Det antages endvidere, at meget reaktionsdygtige typer, sandsynligvis frie radikaler, dannes i netværket af siliconepolyme-ren og i overfladerne, som reagerer med hinanden og giver en 25 grad af kemisk binding mellem smøremidlet og overfladerne. Foruden binding postuleres det, at plasmabehandlingen bevirker, at dele af smøremidlet, sandsynligvis ikke-tværbundne ender, går ind i åbninger udviklet i overfladen ved plasmabehandlingen, hvorved stabiliteten af smøremiddelfilmen og modstandsevnen mod 30 vandring forøges.

En anden side af opfindelsen angår genstande, der har glide-overflader med reduceret udbrudskraft og vedligeholdelseskraft. Enhver genstand, der har giideoverflader behandlet ved fremgangs- 8

DK 165906 B

måden ifølge opfindelsen, ligger inden for opfindelsens rammer. Eksempler på genstandene er sprøjter, sprøjter udstyret med sprøjtepumper og apparater til dispensering og afmåling af væsker, især de der anvender stophaner til præcisionsregulering 5 af strømning, såsom pipetter, buretter, skilletragte og lignende .

De følgende eksempler anføres til nærmere at beskrive opfindelsen.

EKSEMPEL I.

10 En film af 100 cS polydimethylsiloxan blev smurt på kontaktkanten af et Kraton ® (Shell Corp., varemærke for styren-butadien copolymer)-stempel. Efter udsættelse for en nitrogengasplasma i 5 minutter ved et tryk på 250 mTorr og 50 watt i en International Plasma Corp.(IPC)-plasmagenerator, model 3 15 2103-B,blev stemplet samlet i en ikke-smurt 10 cm polypropylen sprøjtecylinder. Udbrudskraften blev bestemt på en Instron, model 1122, universel mekanisk prøvemaskine og viste sig at være 500% lavere end udbrudskraften af et ubehandlet stempel målt under samme betingelser.

20 EKSEMPEL II.

3

En film blev påført på indersiden af en 10 cm polypropylen sprøjtecylinder ved at dyppe cylinderen i en 1,5% (vægt/rumfang) opløsning af 100 cS polydimethylsiloxan i Freon® (E.I.DuPont Co., varemærke for dichlordifluormethan). Cylinderen blev udsat for 25 en luftplasma i 10 minutter ved 300 mTorr og 125 watt i IPC-plasmageneratoren. Et ikke-smurt Kraton-stempel blev samlet i sprøjtecylinderen, og efter at samlingen var sat til side i 5 minutter, blev udbrudskraft.en bestemt på Instron-apparatet og sammenlignet med udbrudskraften af en identisk samling af 30 smurt sprøjte og stempel i fravær af plasmabehandling. Resulta-

DK 165906B

9 terne er vist på tegningen og viser udbrudskræfter på henholdsvis 0,72 og 0,1 kg for henholdsvis den ubehandlede samling og den behandlede samling. Tegningen viser også, at de vedligeholdelseskræfter, der kræves til at bevæge stemplet med en 5 hastighed af 100 mm pr. minut, var 0,61 kg for den ubehandlede samling og 0,065 kg for den plasmabehandlede samling.

EKSEMPEL III.

Forsøget fra eksempel II blev gentaget, med undtagelse af at sprøjtecylinderen blev behandlet i 15 sekunder med en corona-10 induceret plasma ved et tryk på 20 Torr med en kapacitetsmæssigt koblet, pulseret 150 kHz generator. Udbrudskraften af den plasmabehandlede samling blev reduceret med 500% sammenlignet med en ubehandlet samling.

EKSEMPEL IV.

15 Forsøget fra eksempel III blev gentaget, med undtagelse af at der blev anvendt 500 cS polymethyloctylsiloxan. Udbrudskraften af den plasmabehandlede samling blev reduceret med 500% sammenlignet med en ubehandlet samling.

EKSEMPEL V.

20 Forsøget fra eksempel II blev gentaget, med undtagelse af at der blev anvendt en siliconeblanding bestående af 2 rumfangsdele 10 cS polydimethylsiloxan og 1 rumfangsdel 12.500 cS polydimethyl-siloxan. Udbrudskraften af den plasmabehandlede samling blev reduceret med 500% sammenlignet med en ubehandlet samling.

Claims (12)

1. 2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at sammensætningen af overfladen er valgt fra gruppen af overfladesammensætninger bestående af glas, metal, keramik, plast, 25 naturlig gummi og syntetisk gummi.
2. 3. Fremgangsmåde ifølge krav 2, kendetegnet ved, at plasten er valgt fra gruppen bestående af polyethylen, polypropylen, polystyren og polytetraf1uorethylen. 30
3. 4. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at si 1iconeolien er en polydialkylsiloxan med den almene struktur 35 DK 165906 B 5 {i'·); hvor R og R' uafhængigt af hinanden kan være lavere alkyl med 1-20 carbonatomer, og n kan være et tal fra 1 til 2.000.
4. 5. Fremgangsmåde ifølge krav 4, kendetegnet ved, 10 at polydialkylsiloxanen er en polydimethy1 siloxan med strukturen 15 \CH3 / n hvor n er et tal fra 1 til 2.000.
5. 6. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at plasmaen udvikles af en gas, der er valgt fra gruppen af gasarter bestående af luft, oxygen, ammoniak, hydrogen, helium, neon, argon, krypton, xenon og nitrogen.
6. 7. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at plasmaen udvikles under anvendelse af en strålingsfrekvensudladning.
7. 8. Fremgangsmåde ifølge krav 1, hvor de glidende overflader 30 findes i det indre af en sprøjtesamling, kendetegnet ved, at et polydimethylsiloxan-smøremiddel påføres på en sprøjtecylinders vægge, og at cylinderen med smøremidlet derpå udsættes for en ioniserende plasma.
8. 9. Fremgangsmåde ifølge krav 10, kendetegnet ved, at den yderligere omfatter påføring af smøremidlet på et sprøjtestempel og udsættelse af det smurte stempel for den ioniserende plasma. DK 165906 B
9. 10. Genstand, der omfatter overflader, som kan glide mod hinanden, og hvor den mellem overfladerne er påført s i 1 iconeo1 ie, kendetegnet ved, at olien og overfladerne har været udsatforen ioniserende plasma. 5
10. 11. Genstand ifølge krav 10, kendetegnet ved, at den er en sprøjte.
11. 12. Genstand ifølge krav 10, kendetegnet ved, at 10 den er et væskedispenseringsapparat med en stophane.
12. 13. Genstand ifølge krav 10, kendetegnet ved, at den er et væskeafmålingsapparat med en stophane. 15 20 25 30 35