EP3114247A2 - Verfahren zur beschichtung eines substrates, verwendung des substrats und vorrichtung zur beschichtung - Google Patents

Verfahren zur beschichtung eines substrates, verwendung des substrats und vorrichtung zur beschichtung

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Publication number
EP3114247A2
EP3114247A2 EP15709615.7A EP15709615A EP3114247A2 EP 3114247 A2 EP3114247 A2 EP 3114247A2 EP 15709615 A EP15709615 A EP 15709615A EP 3114247 A2 EP3114247 A2 EP 3114247A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
substrate
heat
plasma
thermal
coating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP15709615.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel Hupel
Rainer Hippler
Christiane Helm
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Alethia Group GmbH
Original Assignee
Ernst Moritz Arndt Universitaet Greifswald
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ernst Moritz Arndt Universitaet Greifswald filed Critical Ernst Moritz Arndt Universitaet Greifswald
Publication of EP3114247A2 publication Critical patent/EP3114247A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying

Definitions

  • the present coating method is used for buffering, isolation, metering and targeted dissipation of heat, so that temperature-sensitive substrates, such as wood, nature (fiber) products or concrete by process-induced heat (or thermal energy) are not destroyed.
  • Thermal coating processes in which the coating material is applied as a melt or in a molten form-as is customary, for example, in plasma spraying-are well known and state of the art.
  • the powder coating is another thermal process.
  • the coating material is applied as still unmelted powder on the surface to be coated and only then melted under heat.
  • the plasma-supported sol-gel syntheses are very expensive to implement (use of a plasma source with comparatively high carrier gas consumption).
  • the long-term stability of vitreous layers produced in this way can be achieved by costly precursors, which are largely polluting.
  • JP H03230095 A discloses a plasma coating in which metal particles are to be brought to a surface. This is done under DC arc discharge, producing extreme heat. In order to shield a part of the heat and thus to avoid destruction of the surface to be coated, a protective plate with a through hole in front of the surface is arranged.
  • the object of the invention is to realize a durable protection of wood with the properties of a thin glass layer, so that it is resistant to chemical substances and environmental influences.
  • the thin glass layers should not be brittle (compare the flexibility of glass fibers) and inexpensive, and umweit- and health-friendly can be produced.
  • the object is achieved by a method for thermal coating of a thermally protected, in particular temperature-sensitive, substrate by heat dissipation by a non-thermal plasma and / or by heat buffering in thermodynamic phase transitions of a dispersion and / or gel and / or glass or glassy layer.
  • the method is carried out under the action of a non-thermal plasma under atmospheric pressure, which is characterized in that an increased electron density directly on the substrate, a heat input of a heat carrier with a higher heat conduction by electrons tangentially to the substrate and thus derives a thermal interaction surface with the Plasma is increased, wherein the increased electron density emerges from a plasma edge layer of the non-thermal plasma.
  • the planteleitgradienten be designed so that only a small proportion of the heat of the heat carrier reaches the substrate and the greater proportion is derived from the substrate.
  • a second embodiment is characterized in that a layer of a brine / dispersion or a gel (short gel layer) is applied and an increased electron density directly on the gel layer, a heat input of a heat carrier with a higher heat conduction by electrons tangentially to the substrate and thus a thermal interaction surface is increased with the plasma, wherein the increased electron density emerges from a plasma edge layer of the nonthermal plasma.
  • a further embodiment is characterized in that on a glass or glassy layer or on a further applied to the glass or glassy layer layer of a brine / dispersion or a gel (short gel layer) an increased electron density directly on the Glass or glassy layer or the gel layer dissipates a heat input of a heat carrier with a higher heat conduction by electrons tangential to the substrate and thus a thermal interaction surface is increased with the plasma, wherein the increased electron density emerges from a plasma edge layer of the non-thermal plasma.
  • the heat transfer medium is supplied to the substrate via an outer flow barrier having at least one opening and treated simultaneously and / or subsequently with a non-thermal plasma jet, the plasma acting below the flow barrier.
  • the heat transfer medium consists of a glass melt in the form of a drop or thread with a diameter of several 10 nm to several 100 ⁇ m or from surface chenangschmolzenen glass or ceramic particles.
  • the threads are laid on the substrate in the form of melted filaments in such a way that, with regard to wettability with water, a surface profile having hydrophobic properties is produced.
  • the droplet size for example, an electrospray method is used.
  • a dimensioning of the local heat quantity of the heat transfer medium is carried out by spray, spin or sputtering process of the melt and a dosage is carried out by a droplet size to a sufficient extent compared to the capacity of the heat buffering of the dispersion or precoated substrate surface.
  • the heat quantity of the heat transfer medium is metered via its size and adapted to the heat buffer capacity of the corresponding thermodynamic phase transitions and to the heat conduction velocity.
  • the amount of heat of the heat carrier is proportional to the volume of the drops or threads.
  • the substrate produced by the coating process can be used as a basis for further coatings with a higher melting temperature in order to build up more durable flame retardant coatings.
  • a device according to the invention for coating a substrate has an outer flow barrier with at least one opening which is arranged below a source for a heat carrier.
  • a non-thermal plasma acts in the space between a substrate and the flow barrier.
  • a plasma jet is arranged to act in the space between the substrate and the flow barrier.
  • the heat carrier is generated in a feeder which contains the source, a coil and a protective gas.
  • a SiO takes x - and / or M 0 ⁇ -, M 2 O x2 -, ⁇ , MNO xn -containing dispersion
  • M metal, semi-metal or alkaline earth metal
  • index M 2,, N stands for different substances M
  • Index O xi x2 xn stands for specific ones
  • Oxygen components (hereinafter referred to briefly MO x dispersion), which is produced in the context of the sol-gel technique, a large amount of heat from particles or drops on the order of several 10 nm to a few 100 prn, without the boiling point the solvent of the dispersion or the gel is exceeded until complete evaporation of the same.
  • MO x dispersion which is produced in the context of the sol-gel technique, a large amount of heat from particles or drops on the order of several 10 nm to a few 100 prn, without the boiling point the solvent of the dispersion or the gel is exceeded until complete evaporation of the same.
  • wood can be treated below its critical temperature, if a distribution of heat load takes place, which still allows sufficient local cooling until the renewed impingement of the heat transfer medium (droplets / melted particles).
  • a glass melt with a reduced melting point special composition
  • the dispersion used here in addition to the role of the heat buffer and the role of a primer.
  • the electrospray method is suitable, in which a Taylor cone is formed at the end of the cannula in an electric field and from which, in turn, a thread (jet) with a thickness of several 10 to a few 100 nm is dissolved, which decays to form further droplets ,
  • the amount of heat per drop or thread cross-section is adjustable and the heat of vaporization of the corresponding amount of the dispersion can be adjusted.
  • the thermal protection of the substrate during the spraying of a melt has not yet been realized in this form and makes it possible to produce a load-bearing layer, the dispersion at the same time ensuring the bonding between substrate and layer as thermal buffer. Due to the small size of the heat transfer medium large-scale stresses that can cause cracking due to the thermal expansion, avoided.
  • the latter for example magnesium oxide or carbonate, can also be applied as a pure pretreatment in a solution and can increase the flame resistance together with the further built-up layer.
  • metal oxides particularly preferably Fe 2 O 3, cobalt (II) oxide, zirconium (IV) oxide, titanium oxide), metal carbonates (particularly preferably copper (II) carbonate) or silicates of metals (particularly preferably of aluminum, Zinc and copper).
  • a glass or ceramic layer applied according to one or more principles of heat buffering can itself serve as a protective layer for molten or molten heat carriers, for example with a higher melting temperature. In this way, correspondingly stronger flame retardant coatings can be built up.
  • the present invention is preferably based on the object of providing an improved method-and an associated device-for coating a substrate.
  • a device according to the invention for coating a substrate under the action of a non-thermal plasma under atmospheric pressure is characterized in that an outer flow barrier is arranged with at least one opening below a source for a heat carrier and a non-thermal plasma in a gap, in particular on a side facing away from the source the flow barrier, between a substrate and the flow barrier acts.
  • the invention relates to a device for coating a substrate under the action of a non-thermal plasma under atmospheric pressure, comprising: a receiving device having a receiving region for receiving the substrate to be coated, an emission device for Emission of a heat carrier in the direction of the substrate receiving receiving area, which has at least one opening portion which is designed to be permeable to the heat carrier, and a plasma supply means for supplying a non-thermal plasma to the substrate having the receiving area, characterized in that the opening portion on the receiving device disposed facing side of the emission device, the emission means and the plasma supply means are arranged relative to the receiving means so that the supply of the nonthermal plasma takes place in the space extending between the emission device and the receiving device.
  • the apparatus for coating a substrate under the influence of a non-thermal plasma under atmospheric pressure preferably further comprises a holding device for holding the substrate to be coated in the receiving area.
  • the invention is based on the approach to exploit two physical mechanisms by providing a specific substance on a substrate to be thermally protected, which is a transfer of heat energy - resulting from a thermal coating - on the substrate to be thermally protected, which is particularly temperature-sensitive, significantly reduced and therefore can avoid an adverse and undesirable impairment of this substrate.
  • a significantly better fire resistance can be achieved during a thermal coating.
  • the provision of the abovementioned specific substance on the substrate to be thermally protected may serve to absorb this heat energy arising during the thermal coating and convert it into an energy form, which is accompanied by a phase transition of constituents of this substance.
  • a further effect can be brought about which achieves a reduction in the amount of heat reaching the substrate to be thermally protected.
  • a substrate to be thermally protected is also to be understood as an object which, according to objective criteria, is to be regarded as being in need of protection and / or protection during a thermal coating.
  • these are temperature-sensitive substrates, which can undergo a modification of their state, in particular their shape and / or their composition and / or a phase transition, by a thermal action.
  • the temperature influence relates to an increase in temperature, particularly preferably to an increase in temperature from essentially room temperature to higher temperatures.
  • the reduction of heat energy at a certain location due to a directed outflow of heat is a position within the temperature-sensitive substrate or a position within an object, particularly preferably a layer which is in physical contact with the substrate to be thermally protected and particularly preferably applied or applied to the substrate to be thermally protected is.
  • the directed outflow of heat occurs along a substantially increased electron density.
  • the heat dissipation takes place along a plasma edge layer brought about essentially by a plasma, particularly preferably substantially parallel to the surface of the substrate to be thermally protected.
  • the state of a plasma to understand which is not substantially in thermal equilibrium.
  • this state has significant differences with respect to the temperatures of the particle types contained in the plasma, in particular neutral particles, ions, electrons.
  • Heat buffering also means the property of a substance, in particular a dispersion and / or a brine and / or a gel and / or a gel-like substance, and their components Absorb heat amount and thus perform a thermodynamic phase transition, the amount of heat in particular substantially originates from a process for thermal coating.
  • the substance is applied to the substrate to be thermally protected or in another contact with the substrate to be thermally protected and can thus reduce the amount of heat reaching a substrate to be thermally protected.
  • thermodynamic phase transition is also understood to mean the phase change of a substance, in particular essentially caused by a temperature change.
  • a phase change, particularly preferably immediate, of an essentially liquid brine or dispersion into a gel-like substance or a gel is to be understood.
  • a phase change of a gel or a gelatinous substance into a substantially glassy substance or a glass or an airgel is also to be understood, such an airgel being suitable for further transformation into a vitreous substance or a glass.
  • a dispersion according to one aspect of the invention also means a substantially heterogeneous mixture of at least two substances.
  • the dispersion comprises at least one solvent and one substance, wherein the substance in particular the composition SiO x - and / or M-
  • O x1 -, M 2 O x2 -, M N O xn - (with M metal, semimetal or Index M 1 2 N stands for different substances M, index O x i , x2 xn, stands for specific oxygen fractions).
  • the dispersion is brought into contact with the substrate to be thermally protected, particularly preferably applied to the substrate to be thermally protected.
  • the dispersion serves to heat buffer the substrate to be thermally protected.
  • a layer is to be understood, which has a glass content and / or at least one physical property which corresponds to substantially the same physical property of a glass layer.
  • the physical property is their thermodynamic property, particularly preferably melting point and / or melting point. hold, and / or their protection against environmental influences, in particular water and / or heat, and / or to understand their abrasion resistance.
  • an outer flow barrier is also understood to mean an element which at least partially spatially separates the effective area of a non-thermal plasma from a source and / or emitter providing a heat carrier and further comprises at least one opening and / or at least one opening area allows the passage of a heat transfer medium from at least the source and / or the emission device to the effective range of a non-thermal plasma.
  • the flow barrier is substantially a plate and / or a disc and arranged substantially parallel to the surface of a substrate to be thermally protected.
  • the heat carrier has a molten glass and can be configured drop-like, particle-like or thread-like in at least one of the shapes.
  • an intermediate space is also to be understood as meaning a three-dimensional area which extends between spatial points of any arrangement and number of an arbitrarily arranged Cartesian coordinate system He a contact area with an object, more preferably with a outer flow barrier and / or an emission device and / or a holding device of a coating device and / or with a substrate to be thermally protected during the coating of this thermal
  • an emission device is also understood to mean a device of a coating device which has a source for a heat carrier and an outer flow barrier with at least one opening, wherein the flow barrier is arranged below the source.
  • An opening section according to one aspect of the invention also means an opening, in particular an opening of a flow barrier.
  • Under a plasma supply device according to one aspect of the invention is also to be understood as a plasma jet.
  • a receiving device is also to be understood as meaning an object of a device for coating a substrate, which is designed to receive a substrate, in particular a substrate to be thermally protected.
  • a heat transfer medium is supplied to the substrate via an outer flow barrier having at least one opening and treated simultaneously and / or subsequently with a non-thermal plasma jet, wherein the plasma below the flow barrier, in particular on one of the feeds of the Heat carrier facing away from the flow barrier, acts.
  • a shielding gas between the Flow barrier and the source are housed, which prevents a fire by contact between the solvent of the heat buffer and the hot surrounding area of the source in that it replaces the oxygen content in the ambient air by an inert gas.
  • the heat transfer medium a) consists of a molten glass in the form of drops or filaments with a diameter of several 10 nm to several 100 ⁇ m or b) of surface-fused glass or ceramic particles and / or c) has molten droplets or particles with a lignin content, which preferably consist of lignin and / or d) has constituents from the non-thermal plasma.
  • the movement of the components out of the non-thermal plasma is essentially pulsed and / or time-controlled, in particular using a microwave plasma.
  • a cost-effective and easily controllable coating material can be provided.
  • a molten glass such as a glass solder
  • a low melting point can be achieved, resulting in energy savings for the provision of a heat carrier.
  • the dimension and shape of a molten glass can be controlled with particularly simple means.
  • the use of glass as the heat carrier can generate a coating which only slightly modifies the optical properties of a substrate to be thermally protected, for example wood, which can be perceived as aesthetically pleasing.
  • a particularly low melting point can be realized, which on the one hand requires less energy for the provision of the particles and on the other hand, the flame retardant during an ongoing process and the impact resistance, ie the strength of the Material by a plurality of equal strokes with predetermined energy, can be improved.
  • the use of components from the non-thermal plasma as heat transfer can be taken into account in particular the fact that the impact of these components on a thermally protected substrate and / or a heat buffer can be timed by simple means.
  • the movement of the droplets or particles having a lignin fraction takes place with the addition of heat energy, in particular essentially by a microwave plasma.
  • the droplets or particles having a lignin content can be tempered, in particular heated, during the movement in the direction of the substrate to be thermally protected, whereby stresses during the coating of the heat carrier on the substrate or heat buffer to be thermally protected are reduced.
  • the heat carrier is generated essentially by sputtering using a microwave plasma or by ultrasonic atomizing.
  • porous materials or non-porous materials preferably wood or Naturfa ⁇ fibers or concrete or metals or straw plates are coated.
  • the coating causes the surface of the substrate to be thermally protected, to which environmental influences such as heat or moisture can attack the substrate to be thermally protected, as a result of which the substrate to be thermally protected can become more resistant to environmental influences.
  • non-porous materials in particular coatings of higher quality are obtained, as a result of which the substrate to be thermally protected becomes more resistant to environmental influences.
  • the fire resistance is particularly significantly improved by the coating.
  • particles of the dispersion for a) surface structuring and / or b) flame retardation are added for the coating, in particular magnesium oxide or magnesium carbonate are used for flame retardancy.
  • shark-skin-like coating profiles can be realized in this way, which have a particularly low flow resistance. This is of particular relevance for the coating of materials in the field of shipbuilding.
  • flame retardancy by adding suitable particles in particular a higher resistance to extraordinary heat deposits can be realized.
  • thermal stresses on the heat buffer surface can be reduced, resulting in layers of higher quality when coating with a heat transfer medium, which offer a substance to be thermally protected in particular a better protection against environmental influences, such as heat and moisture.
  • the gel is previously generated by the action of the non-thermal plasma on a brine or dispersion and applied these brine or dispersion preferably by sputtering.
  • the electromagnetic field applied to the non-thermal plasma in particular its intensity and / or orientation, is changed during the coating process.
  • the heat transfer medium can be accelerated towards the substrate.
  • the thermal coating process can be faster, on the other hand, the time of flight of the heat carrier is shortened to the substrate, whereby the risk of significant cooling of the heat carrier is reduced.
  • the substrate produced by the coating method, in particular coated is used as the basis for further coatings having a higher melting temperature in order to build up more durable flame retardant layers.
  • the inventive method which is characterized by a particularly low thermal load of a thermally protected, in particular temperature-sensitive substrate, after applying a protective layer can be combined with a method which in particular the fast and cost-effective coating of an already protected, thermally protective substrate is used.
  • a plasma jet is arranged so that it acts in the intermediate space between the substrate and the flow barrier, in particular on a side of the flow barrier facing away from the source.
  • the heat carrier is generated in a feed device, which contains the source, a coil and a protective gas.
  • the heat carrier By means of a coil, the heat carrier can be additionally heated on its trajectory in the direction of the substrate to be thermally protected by an inductive alternating field and thus prevent a molten heat carrier in turn cools and solidifies on its trajectory.
  • This means for maintaining temperature also requires a lower temperature control of the heat transfer medium generated by the source.
  • ignition by contact between the solvent of the heat buffer and the hot surrounding area of the source can be prevented from replacing the oxygen content in the ambient air with an inert inert gas, so that explosion or propagation of combustion is prevented can be.
  • the coil has a high winding density and a small cross-sectional area.
  • the coil has a cross-sectional area which is lower on the side to be thermally protected than on the side facing away from the substrate to be thermally protected and preferably has a substantially funnel-shaped form.
  • the coil has a suitability as a mechanical barrier, which reduces the solid angle of trajectories for heat transfer, which can get to the substrate to be thermally protected.
  • the source has a wolf wire, which is adapted to emit electrons to a melt, in particular to a molten glass, wherein the melt for the formation of heat transfer for coating the substrate to be thermally protected can be.
  • the plasma jet is set up to emit a microwave plasma, which a) is suitable for controlling the temperature of the heat carrier and / or b) for impairing the movement of the heat carrier.
  • the device has the ability to allow a targeted impact of the heat carrier at a specific temperature and / or at a desired time on a heat buffer.
  • the former is able to contribute to a low surface tension as possible coating.
  • the source has a sputtering device and a microwave plasma delivery device, wherein the sputtering device is set up under supply from a microwave plasma of the microwave plasma delivery device for providing the heat carrier in sputtered configuration.
  • the device has the ability to separate components of the heat carrier from each other and thus contribute to the most homogeneous possible coating.
  • the invention is characterized in that an increased electron density directly on the substrate, a heat input of a heat carrier with a higher heat conduction by electrons tangentially to the substrate and thus derives a thermal interaction. surface is increased with the plasma, wherein the increased electron density emerges from a plasma edge layer of the non-thermal plasma.
  • the invention is characterized in that a layer of a brine / dispersion or a gel (gel layer short) is applied and an increased electron density directly on the Gel layer dissipates a heat input of a heat transfer medium with a higher heat conduction by electrons tangential to the substrate and thus a thermal interaction surface with the plasma is increased, the increased electron density emerges from a plasma edge layer of the non-thermal plasma.
  • the substrate was pretreated by a process for sol-gel synthesis and is thereby provided with a glassy or glassy layer and experiences an action of a non-thermal plasma under atmospheric pressure and is further characterized by that on the glass or glassy layer or on another on the glass or glassy layer applied layer of a brine / dispersion or a gel (short gel layer) an increased electron density directly on the glass or glassy layer or the gel layer dissipates a heat input of a heat carrier with a higher heat conduction by electrons tangentially to the substrate and thus a thermal interaction surface is increased with the plasma, wherein the increased electron density emerges from a plasma edge layer of the non-thermal plasma.
  • the threads in the form of melted filaments are deposited on the substrate so that a surface profile with hydrophobic properties is formed with respect to the wettability with water.
  • an electrospray method is used for dimensioning the drop size.
  • a dimensioning of the local heat quantity of the heat transfer medium by spray, spin or sputtering of the melt and a dosage by a droplet size is sufficient to the capacity of the heat buffering of the dispersion or precoated substrate surface.
  • the heat quantity of the heat transfer medium is metered via its size and adapted to the heat buffer capacity of the corresponding thermodynamic phase transitions and to the heat conduction velocity.
  • the amount of heat of the heat transfer medium is proportional to the volume of the drops or the threads.
  • any desired substrate is coated.
  • the substrate itself is used as the counterelectrode.
  • a device for providing heat carriers by electrospray ionization is set up such that the source has an electrical potential P1, the counter electrode an electrical potential P2 and the coil has an electrical potential, where: I P1 - P3 I ⁇ I P1 - P2 I and where, in particular, P1 ⁇ P3.
  • a device for providing heat carriers by electrospray ionization is set up so that it further comprises a dielectric - preferably comprising quartz - which at a first location for the trajectory of heat carriers established area of separated at a second location and set up for the trajectory of heat transfer from a coil at a second location, wherein the dielectric at the second location is at least twice as thick as at the first location.
  • this further comprises a substantially coherent irradiation device, preferably a laser, more preferably a C0 2 laser, which is adapted to irradiate heat carrier on its trajectory from a source to the substrate to be thermally protected , Due to the absorbed energy of the substantially coherent irradiation device, heat carriers can undergo a phase transition via Coulomb explosion, whereby an impact of particularly small heat carrier volume on the substrate to be thermally protected is made possible. Because of this very small coating unit Thermal stress in the coating material can be reduced, resulting in a higher quality of the created layers.
  • a substantially coherent irradiation device preferably a laser, more preferably a C0 2 laser
  • the heat carrier is plasma-treated during substantially the entire trajectory between a source and the substrate to be thermally protected.
  • a brine heat transfer medium can already experience a phase transition to a gel-like state before impinging on a substrate to be thermally protected.
  • this may result in the advantage of better sealing porous areas of a substrate to be thermally protected.
  • this method can facilitate the creation of thick gel coatings on the substrate to be thermally protected.
  • the generation of the gel before impinging on the substrate to be thermally protected also leads to the creation of a high packing density and the concomitant decrease in volume of these substances already before Kontak ein - instead of in contact - with the substrate to be thermally protected. As a result, cracking in the coating material can be substantially avoided.
  • multiple layers of a heat buffer are applied to the substrate to be thermally protected before heat carriers are supplied to the substrate to be thermally protected.
  • a higher average distance to the surface of the substrate to be thermally protected can be realized when hitting a heat carrier on the coating of a substrate to be thermally protected due to the greater thickness of the heat buffer, which can better prevent the kinetic energy and heat energy of the heat carrier is transferred in the form of heat energy to the substrate to be thermally protected. This results in a better thermal protection for the substrate to be thermally protected.
  • the adhesion promoter is preferably hexamethyldisiloxane (HMDSO), tetraethyl orthosilicate (TEOS) or hexamethyldisilazane (HMDS), and wherein the adhesion promoter is preferably present in a carrier gas environment, more preferably argon and / or helium.
  • the region in which the non-thermal plasma acts on the substrate to be thermally protected helium as a carrier gas. Due to the good thermal conductivity of helium, not only heat can be dissipated along the substrate surface in this case. Rather, a significant proportion is dissipated over the space in which helium is present in the gaseous state. In this way, an even better thermal protection of the substrate to be thermally protected can be realized.
  • any means for providing a non-thermal plasma for the effect in a gap to understand is set up such that its effect in an intermediate space can be beneficial for the treatment and / or modification of a surface of an object, in particular of the substrate to be thermally protected.
  • a glassy substance to understand which has undergone or undergoes a thermodynamic phase transition from a solid phase directly into a liquid phase.
  • this phase transition is preferably brought about essentially by the specific temperature of a spatial region.
  • this glass melt to induce a lower melting point glass solder and / or another suitable substance for this purpose.
  • This glass melt preferably has such an additive. composition, so that it has a suitability for the provision of drops and / or threads and / or particles as a heat transfer medium.
  • a pulsed movement, in particular the constituents of the non-thermal plasma, according to one aspect of the invention, also means a movement which provides changes, in particular periodically repeating changes, in the direction and / or speed of these components.
  • a pulsed movement of the constituents from the non-thermal plasma is provided so that the impact of the heat carrier on the heat buffer and / or on the substrate to be thermally protected is regulated.
  • a movement is to be understood, which matched to the needs of a user impingement of the heat carrier, in particular the components of the non-thermal plasma, on the heat buffer and / or on the substrate to be thermally protected.
  • Timed movement of these components is particularly provided using a microwave plasma.
  • Under a microwave plasma according to one aspect of the invention is also to be understood as a plasma state of a substance which is caused by microwaves or significantly affected by microwaves.
  • the microwaves are preferably introduced into an active area and / or reaction area, in which a receiving area for a substrate to be thermally protected is particularly preferably arranged and / or the thermal coating of a substrate to be thermally protected is provided and / or the thermal coating of a thermally too protective substrate is exercised.
  • a microwave plasma in a plasma jet particularly preferably in the effective range of the plasma jet, is provided.
  • flame retardance is the property of an at least partially burning substance to extinguish after removal of an ignition source within a short time, essentially without external influence, wherein the substance is preferably a dispersion or a sol, which is used to carry out a Sol-gel process, that is, the bringing about of a gel-like substance from a brine / dispersion using suitable means is provided.
  • the substance is preferably a dispersion or a sol, which is used to carry out a Sol-gel process, that is, the bringing about of a gel-like substance from a brine / dispersion using suitable means is provided.
  • a brine also means an aqueous solution of salts which is particularly suitable for carrying out a sol-gel process, more preferably by the action of a non-thermal plasma, so that a gel-like substance can be produced from this solution
  • sputtering is also understood to mean the splitting of a liquid into very fine droplets or particles.
  • atomization is to be understood as a divided and / or metered application of brine and / or dispersion to a substrate to be thermally protected or to a layer applied to the substrate to be thermally protected.
  • ultrasonic atomization is also understood to mean atomization of a substance essentially brought about by ultrasound.
  • a gel and / or a sol as a substance which can be sprayed through a plasma.
  • Sputtering is to be understood in particular as exercising atomization.
  • Ultrasonic atomizing according to one aspect of the invention is also particularly preferably understood to mean atomization of a molten glass essentially brought about by ultrasound in order to produce the smallest possible droplets.
  • a flame retardant layer is also to be understood as a coating to be applied to an object, in particular the substrate to be thermally protected, as a result of which the object, in particular the substrate to be thermally protected, is more resistant to fire.
  • this coating results in a higher resistance to the temperature existing in a thermal coating device according to the invention.
  • a microwave plasma delivery device Under a microwave plasma delivery device according to one aspect of the invention, an object is to be understood, which in a spatial area a microwave plasma provides. In particular, this provision takes place by generating and / or bringing about a plasma state using microwaves and optionally by supplying the microwave plasma to the aforementioned spatial region.
  • a sputtering device is understood to be an object which is set up to provide sputtered constituents of a solid - a so-called target - in its gas phase, the sputtered components being provided in gas phase by supplying energy to the target.
  • this supply of energy to the target is preferably carried out by supplying electromagnetic waves - particularly preferably microwaves - and / or by supplying high-energy ions.
  • the supply of microwaves serves to maintain a microwave plasma in the sputtering device, wherein the microwave plasma can be used for sputtering. It is also particularly preferred to ignite a plasma in the sputtering device by applying a high voltage pulse.
  • a heat dissipation "tangential to the substrate” is according to one aspect of the invention a heat dissipation to be understood, which takes place substantially parallel to the substrate, in particular substantially parallel to the substrate surface.
  • Figure 1 is a schematic representation of the interaction of the heat buffer, the heat dosage and the generation of a beideleitdesgradienten and the structure of the different layers in the coating phase and
  • Figure 2 with incorporated heat transfer Figure 3 is a schematic representation of a coating and a correspondingly configured coating device.
  • Figure 4 shows a preferred embodiment of a device for providing a heat carrier
  • FIG. 1 shows the structure of the different layers in the coating phase.
  • a glass or glassy layer 2 (short glass layer 2) from a pretreatment.
  • the substrate to be coated may preferably consist of a porous or non-porous material, more preferably of wood, natural fibers, metals or straw plates.
  • the process for sol-gel synthesis according to DE patent application DE 1020121 1 1710.1 can be used.
  • This glass layer 2 represents a homogeneous réelleleitbarriere and / or oxygen barrier and an insulating layer opposite to the substrate to be coated.
  • a further layer 3 with a brine / dispersion or a gel (short gel).
  • Layer 3 is applied, wherein this pretreated glass or glassy layer 2 and / or the gel layer 3 is preferably previously produced by the action of a non-thermal plasma 4 on a brine or dispersion and wherein these brine or dispersion is applied particularly preferably by sputtering ,
  • the further layer 3 preferably comprises fibers of at least one layer, in particular substantially carbon fibers and / or basalt fibers. Due to the action of the non-thermal plasma 4, electrons 6 are released on the surface in the plasma boundary layer 5.
  • the heat carrier 7 of FIG. 1 may also be a molten droplet or particle which has a lignin content and which preferably consists of lignin.
  • the heat transfer medium 7 may also preferably comprise constituents of a non-thermal plasma whose movement is particularly preferably carried out in a substantially pulsed and / or time-controlled manner, very particularly preferably using a microwave plasma.
  • the movement of the droplets or particles having a lignin component takes place with the addition of heat energy, in particular essentially by a microwave plasma.
  • the electromagnetic field applied to the non-thermal plasma in particular its intensity and / or orientation, is changed during the coating process.
  • FIG. 2 shows, by way of example, the incorporation of a heat carrier 7 into the gel layer 3.
  • the glass layer 2 serves as an oxygen barrier with respect to the substrate to be coated and as an insulating layer which somewhat buffers the strong thermal gradient and thus also prevents tensions.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a possible coating.
  • the prepared substrate 1 with the heat-buffering gel layer 3 is treated with a non-thermal plasma jet 8.
  • the plasma 4 acts below the flow barrier 12, in particular on a side facing away from the supply of the heat carrier 7 side of the flow barrier 12.
  • the plasma jet 8 is arranged such that it in the space between the substrate 1 and the flow barrier 12, especially preferably on a side facing away from the source 9 of the flow barrier acts.
  • the plasma jet 8 is also adapted to emit a microwave plasma, which is suitable for controlling the temperature of the heat transfer medium 7 and / or for impairing the movement of the heat transfer medium, and the heat transfer medium 7 is particularly preferably traversed in its trajectory in the direction of the substrate 1 Microwave plasma can be heated.
  • a heat transfer medium 7 is supplied via an outer flow barrier 12 with at least one opening 13, which may be a melt droplet or a melted thread, which was previously produced in a crucible and additionally inductively heated in its trajectory with the coil 10 , Similarly, surface fused glass or ceramic particles produced by plasma molding are useful.
  • the protective gas 11 prevents the ignition or thermal / chemical reactions of the heat buffer solution. Through the opening 13, the heat of the ambient gas and / or the microwave plasma is shielded.
  • the device in particular also has a receiving device with a receiving area for receiving the substrate 1 to be coated, an emitting device for emitting a heat carrier 7 in the direction of the substrate 1 receiving receiving area, which has at least one opening portion 13, which is designed to be permeable to the heat carrier 7, and a plasma supply means 8 to Supplying a non-thermal plasma 4 to the receiving region having the substrate 1, wherein the opening section 13 is arranged on the side of the emission device facing the recording device, and the emission device and the plasma supply device 8 are arranged relative to the receiving device such that the supply of the non-thermal plasma - Mas 4 takes place in the space extending between the emission device and the receiving device.
  • FIG. 4 shows a preferred embodiment of a device for providing heat carriers.
  • the device according to FIG. 4 has a source 9 in the configuration of an electrodial cannula for the electrode spray ionization, wherein the electrodial cannula has an electrical potential P1, preferably on a side remote from the counterelectrode 15.
  • This cannula is designed heat-resistant, set up for the storage of a Analytiösung to provide the heat carrier 7 and preferably has at least one metallic material.
  • the device furthermore has the counterelectrode 15 with an electrical potential P2, an electrical voltage being applied between P1 and P2 for providing the heat carrier 7 (not shown).
  • a dielectric 16, preferably comprising quartz, is furthermore provided which at least partially covers the coil 10 and / or the counterelectrode 15 having an electrical potential P3, so that an interaction between the heat carrier 7 and the coil 10 and / or the heat carrier 7 and the counter electrode 15 is substantially avoided.
  • the thickness of the dielectric element 16 at a first location at which it separates the heat carrier 7 from the counterelectrode 13 is made less thick than at a second location at which the heat carrier 7 of the Spool 10 separated.
  • the dielectric 16 at the second location is at least twice as thick as at the first location. In this way, the lowest possible attenuation of the electric field extending between the source 9 and the counterelectrode 15 can be achieved.
  • a glass coating of wood takes place.
  • O x1 stands for specific oxygen components
  • the MO x dispersion absorbs a large part of the heat quantity of particles or drops on the order of several 10 nm to a few 100 ⁇ m without exceeding the boiling temperature of the solvent of the dispersion until it evaporates completely.
  • the dispersion to be applied may include a combination of different proportions of different MO x and Mo x (R), respectively.
  • the MOx dispersion distributes the heat load so that sufficient local Cooling until the re-impingement of the heat carrier (droplets / melted particles) allows and the wood is treated below its critical temperature.
  • the thermal expansion of the brine / gel / pre-layer is adapted to the particular glass by the use of an adapted mixture of precursors which have a similar coefficient of thermal expansion in their porous solid structure.
  • a suitable composition of the glass melt e.g. a glass solder
  • a lowered melting point is reached.
  • the applied dispersion then takes on the role of a bonding agent in addition to the role of the heat buffer.
  • the dispersion is converted by the thermal energy into a Ge state (between brine / dispersion and solid structure). Another part of the heat energy is absorbed by the gel to the solid for further phase transformation. This leads to a cooling of the heat carrier, without the substrate is heated by the corresponding heat content of the respective phase transformation.
  • the process for sol-gel synthesis according to DE patent application DE 1020121 1 1710.1 can be applied.
  • a gel layer of a dispersion applied to the substrate 1 is produced, which prevents the direct contact of the impinging heat carrier with the substrate due to the increased viscosity compared to a pure brine / dispersion.
  • This method used for sol-gel synthesis involves a low-temperature plasma treatment of a substrate soaked with a brine / dispersion and in the meantime leads to gelation.
  • the process for sol-gel synthesis according to DE patent application DE 1020121 1 1710.1 can be used to produce a solid, glass-like insulating layer, for example, as thermal protection (FIG. 1).
  • thermal protection layer which suppresses the one hand, the supply of oxygen to the substrate and thus If appropriate, the critical substrate temperature (with respect to destruction) is increased and, on the other hand, a certain amount of heat is absorbed, in turn the heat buffering can be achieved with a gel and / or a brine / dispersion (FIG. 1).
  • a gel and / or a brine / dispersion FOG. 1
  • the material composition of the heat-buffering dispersion it is possible to use all solutions or mixtures of substances which can be assigned to the sol-gel process (ie not just SiO x -containing).
  • hydrogels which are used for example for the production of water glass, suitable as a heat buffer.
  • the material application may differ from the glass (eg ceramic). With this, other layers besides those made of glass become possible.
  • the dimensioning and metering of the local amount of heat is carried out by spray, spin or sputtering of the melt.
  • the amount of heat of the melt droplets is metered by a corresponding droplet size to a sufficient extent with respect to the capacity of the heat buffering of the dispersion or precoated substrate surface.
  • the melting droplets strike locally scattered and separated from each other in a temporal Abkühlrahmen on the substrate to be coated.
  • only local stresses arise (low thermal expansion difference between substrate and solidified melt droplet), which relax after cooling with a contact of another heat carrier again something and in turn express only in droplet size.
  • the tensions remain only local, lower and slightly curved.
  • small glass balls which are strongly cooled from the melt, have a higher load capacity than weakly cooled ones, since the resulting stresses (cooling and contraction is the strongest in the outer layer) increase the surface load capacity. This eliminates the risk of crack formation in comparison with a flat enamel coating in one step.
  • the electrospray method is particularly suitable, in which a Taylor cone is formed at the end of the cannula in an electric field and from which, in turn, a thread (jet) in the thickness of several tens to several 100 nm dissolves, leading to further droplets decays.
  • the amount of heat over the size is very small and finely adjustable and can be adapted to the heat of evaporation or heat storage capacity of the corresponding amount of dispersion or thickness of the heat protection layer.
  • the amount of heat is essentially proportional to the volume of the drops or the filaments, if they are at the same temperature.
  • Pure glass layers are applied in a layer thickness that, for example, does not affect the grip of the wood.
  • Other layer thicknesses are also possible.
  • a self-cleaning effect can be produced.
  • Ti0 2 - nanoparticles for example, a UV protection and additionally a photocatalytic antimicrobial effect (eg Ti0 2 -Anatas) realized. All other UV radiation absorbing particles are also usable. If the melt has a special composition with BO x , MgO x , TiO x , PO x , MO x fractions, a flame retardant is increased if the layer is sufficiently thick.
  • the formation of a gel on the substrate represents a very strong thermal conductivity barrier similar to the aerogels.
  • the solvent buffers in the interstices of the gel network with its enthalpy of vaporization in addition a corresponding amount of heat.
  • the temperature of the ions and neutral particles of the low-temperature plasma is at room or carrier gas temperature.
  • the burning of the low-temperature plasma directly above the substrate leads to greatly increased thermal conductivity in the combustion region.
  • the heat removal from the substrate is greatly accelerated and a plasma marl layer with a corresponding electron density is produced on the substrate.
  • a resistance heating by the plasma remains.
  • the plasma ignition region cools the locally hot regions of the heat transfer medium after solidification in the brine or the gel.
  • the carrier gas temperature can be additionally cooled to increase the temperature gradient between the heat transfer medium and the plasma.
  • the high electron density on the substrate or its thermal protective layer gives it a high electron heat conductivity directly on the surface.
  • a locally high heat range of a heat carrier currently impinging immediately relaxes tangentially over the substrate, as a result of which the area for the heat exchange via the plasma boundary layer with the plasma increases.
  • the described heat buffer and / or the described heat metering dosage and / or the plasma-assisted generation of a heat conductivity gradient can be used for the success of the method.
  • a suitable flow channel can be created along the surface. This is realized by a flow barrier 12 in the form of a plate or another form parallel / tangential to the substrate 1.
  • the flow barrier 12 includes at least one opening 13 (preferably a gap) of a magnitude that does not significantly affect the flow.
  • the heat carrier 7 are generated in a source 9, which is located in a feed device 14, in which a coil 10 is arranged, and passed through a protective gas 1 1 to the opening 13 in the flow barrier 12.
  • the heat carriers are generated essentially by sputtering using a microwave plasma or by ultrasonic atomization.
  • the source 9 preferably has a sputtering device and a microwave cell delivery device, wherein the sputtering device is set up in a sputtered configuration while being supplied by a microwave plasma of the microwave plasma delivery device for providing the heat transfer medium 7. Through the opening 13, the heat transfer medium 7 can reach the substrate 1.
  • the principle is shown. The substrate 1 is moved parallel to the plasma 4 and the flow channel.
  • the carrier gas or gas used is preferably a protective gas 1 1 (argon, nitrogen, helium), since the vaporizing solvents, inter alia, alcoholic nature (alkogels), and thus are easily flammable. Therefore, the space around the opening 13 or along the trajectory with a protective gas 11 (preferably argon and / or helium) to fill.
  • a protective gas 11 preferably argon and / or helium
  • melted filaments can also be deposited on the substrate 1. This increases the abrasion resistance parallel to the thread.
  • the melted filaments can be laid in one embodiment of the method (for example, crosswise), in terms of wettability with water, a surface profile with hydrophobic properties is formed.
  • Surface structuring according to the principle of a shark skin can be achieved by targeted local positioning of the heat transfer medium to optimize flow properties in the water after / during the application of the actual layer.
  • metals are permanently sealed with a special glass layer.
  • a heat-buffering thin gel and / or sol layer is produced / applied to the metal surface.
  • the substrate itself can be used as a counter electrode.
  • the droplet size is adapted to the thermal expansion coefficient.
  • surface structuring such as the shark skin, especially for shipbuilding.
  • the surface can be pretreated (etched, coated, etc.) with a plasma method in order to achieve advantageous wetting of the substrate with a dispersion / sols (surface profile and chemical / electrical modification).

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Abstract

Das vorliegende Beschichtungsverfahren dient der Pufferung, Isolierung, Dosierung und gezielten Ableitung der Wärme, damit temperaturempfindliche Substrate, wie beispielsweise Holz, Natur(faser)produkte oder auch Beton durch verfahrensbedingt zugeführte Wärme (bzw. thermische Energie) nicht zerstört werden. Aufgabe der Erfindung ist es, einen dauerhaften Schutz von Holz mit den Eigenschaften einer dünnen Glasschicht zu realisieren, so dass dieses resistent gegenüber chemischen Stoffen und Umwelteinflüssen wird. Die dünnen Glasschichten sollen nicht spröde sein (vergl. die Biegsamkeit von Glasfasern) und preiswert, umweit- und gesundheitsfreundlich hergestellt werden können. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine thermische Zerstörung von Substraten, beispielsweise auch anderen thermisch empfindlichen Materialien als Holz, beim Aufsprühen einer Schmelze zu verhindern. Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren zur thermischen Beschichtung eines thermisch zu schützenden Substrats durch Wärmeableitung durch ein nichtthermisches Plasma und/oder durch Wärmepufferung in thermodynamischen Phasenübergängen einer Dispersion und/oder eines Gels und/oder einer Glas- bzw. glasartige Schicht.

Description

Verfahren zur Beschichtung eines Substrates, Verwendung des Substrats und
Vorrichtung zur Beschichtung
Beschreibung
Das vorliegende Beschichtungsverfahren dient der Pufferung, Isolierung, Dosierung und gezielten Ableitung der Wärme, damit temperaturempfindliche Substrate, wie beispielsweise Holz, Natur(faser)produkte oder auch Beton durch verfahrensbedingt zugeführte Wärme (bzw. thermische Energie) nicht zerstört werden.
Thermische Beschichtungsverfahren, in denen das Beschichtungsmaterial als Schmelze oder in angeschmolzener Form - wie es zum Beispiel beim Plasmaspraying üblich ist - aufgetragen wird, sind allgemein bekannt und Stand der Technik. Die Pulverlackierung ist ein weiteres thermisches Verfahren. Hier wird das Beschichtungsmaterial als noch ungeschmolzenes Pulver auf die zu beschichtende Oberfläche aufgetragen und erst dann unter Wärmezufuhr aufgeschmolzen.
Diese thermischen Beschichtungsverfahren können nur auf Substrate angewendet wer- den, die der entsprechend auf ihnen erzeugten Oberflächentemperatur standhalten und deren thermische Ausdehnungskoeffizienten zu dem jeweiligen Schichtmaterial hinsichtlich der Ausbildung von Spannungen kompatibel sind. Ein unterschiedlich starkes Zusammenziehen der Schicht gegenüber dem Substrat bei der Abkühlung birgt die Gefahr der Rissbildung. Reine Sol-Gel-Beschichtungen sind porös und daher als Barriere oder Schutzschicht eher ungeeignet, jedoch können plasmagestütze Sol-Gel-Synthesen kompakte Schichten - und insbesondere eine hohe Packungsdichte - erzeugen. (DE-Patentanmeldung DE 1020121 1 1710.1 )
Die plasmagestützen Sol-Gel-Synthesen sind sehr aufwendig zu realisieren (Verwendung einer Plasmaquelle mit vergleichsweise hohem Trägergasverbrauch). Die Langzeitstabilität von glasartigen Schichten, die auf diese Art hergestellt wurden, ist durch kostenintensive Präkursoren zu erreichen, welche größtenteils umweltbelastend sind.
In JP H03230095 A wird eine Plasmabeschichtung offenbart, bei der Metallpartikel auf eine Oberfläche gebracht werden sollen. Dies erfolgt unter Gleichstrom-Bogenentladung, wobei extreme Hitze erzeugt wird. Um einen Teil der Hitze abzuschirmen und somit eine Zerstörung der zu beschichtenden Oberfläche zu vermeiden, ist eine Schutzplatte mit einer Durchgangsbohrung vor der Oberfläche angeordnet.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, einen dauerhaften Schutz von Holz mit den Eigenschaften einer dünnen Glasschicht zu realisieren, so dass dieses resistent gegenüber chemischen Stoffen und Umwelteinflüssen wird. Die dünnen Glasschichten sollen nicht spröde sein (vergl. die Biegsamkeit von Glasfasern) und preiswert, sowie umweit- und gesundheitsfreundlich hergestellt werden können. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine thermische Zerstörung von Substraten, beispielsweise auch anderen thermisch empfindlichen Materialien als Holz, beim Aufsprühen einer Schmelze zu verhindern.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren zur thermischen Beschichtung eines thermisch zu schützenden, insbesondere temperatursensitiven, Substrats durch Wärmeableitung durch ein nichtthermisches Plasma und/oder durch Wärmepufferung in ther- modynamischen Phasenübergängen einer Dispersion und/oder eines Gels und/oder einer Glas- bzw. glasartige Schicht. Für ein erstes Ausführungsbeispiel wird das Verfahren unter Einwirkung eines nichtthermischen Plasmas unter Atmosphärendruck durchgeführt, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass eine erhöhte Elektronendichte direkt auf dem Substrat einen Wärmeeintrag eines Wärmeträgers mit einer höheren Wärmeleitung durch Elektronen tangential zum Substrat ableitet und damit eine thermische Wechselwirkungsfläche mit dem Plasma erhöht wird, wobei die erhöhte Elektronendichte aus einer Plasmarandschicht des nichtthermischen Plasmas hervorgeht. Damit werden die Wärmeleitgradienten so gestaltet, dass nur ein geringer Anteil der Wärme des Wärmeträgers das Substrat erreicht und der größere Anteil vom Substrat abgeleitet wird.
Ein zweites Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht aus einer Sole/Dispersion oder einem Gel (kurz Gel-Schicht) aufgebracht wird und eine erhöhte Elektronendichte direkt auf die Gelschicht einen Wärmeeintrag eines Wärmeträgers mit einer höheren Wärmeleitung durch Elektronen tangential zum Substrat ableitet und damit eine thermische Wechselwirkungsfläche mit dem Plasma erhöht wird, wobei die erhöhte Elektronendichte aus einer Plasmarandschicht des nichtthermischen Plasmas hervorgeht.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Glas- bzw. glasartigen Schicht oder auf eine weitere auf die Glas- bzw. glasartige Schicht aufgebrachte Schicht aus einer Sole/Dispersion oder einem Gel (kurz Gel-Schicht) eine erhöhte Elektronendichte direkt auf der Glas- bzw. glasartigen Schicht oder der Gel-Schicht einen Wärmeeintrag eines Wärmeträgers mit einer höheren Wärmeleitung durch Elektronen tangential zum Substrat ableitet und damit eine thermische Wechselwirkungsflä- che mit dem Plasma erhöht wird, wobei die erhöhte Elektronendichte aus einer Plasmarandschicht des nichtthermischen Plasmas hervorgeht.
Für die möglichen Beschichtungsverfahren wird der Wärmeträger über eine äußere Strömungsbarriere mit mindestens einer Öffnung dem Substrat zugeführt und gleichzei- tig und/oder anschließend mit einem nichtthermischen Plasma-Jet behandelt, wobei das Plasma unterhalb der Strömungsbarriere wirkt.
Der Wärmeträger besteht aus einer Glasschmelze in Form eines Tropfens oder Fadens mit einem Durchmesser von mehreren 10 nm bis mehreren 100 pm oder aus oberflä- chenangeschmolzenen Glas- oder Keramikpartikeln. Die Fäden werden in einer Ausführungsform in Form von Schmelzspinnfäden so auf dem Substrat abgelegt, dass hinsichtlich der Benetzbarkeit mit Wasser ein Oberflächenprofil mit hydrophoben Eigenschaften entsteht.
Zur Dimensionierung der Tropfengröße wird beispielsweise ein Elektrosprayverfahren verwendet.
Eine Dimensionierung der lokalen Wärmemenge der Wärmeträger erfolgt durch Spray-, Spinn- bzw. Zerstäubungsverfahren der Schmelze und eine Dosierung erfolgt durch eine Tropfengröße im ausreichenden Maße gegenüber der Kapazität der Wärmepufferung der Dispersion bzw. vorbeschichteten Substratoberfläche. Die Wärmemenge der Wärmeträger wird über deren Größe dosiert und an die Wärmepufferkapazität der entsprechenden thermodynamischen Phasenübergänge und an die Wärmeleitgeschwindigkeit angepasst. Die Wärmemenge der Wärmeträger ist dabei proportional zum Volumen der Tropfen oder der Fäden.
Das nach dem Beschichtungsverfahren hergestellte Substrat kann als Grundlage für weitere Beschichtungen mit einer höheren Schmelztemperatur verwendet werden, um stär- ker belastbare Flammschutzschichten aufzubauen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Beschichtung eines Substrats hat eine äußere Strömungsbarriere mit mindestens einer Öffnung, welche unterhalb einer Quelle für einen Wärmeträger angeordnet ist. Ein nichtthermisches Plasma wirkt in dem Zwischen- räum zwischen einem Substrat und der Strömungsbarriere. Als Quelle für das Plasma wird ein Plasma-Jet so angeordnet, dass er in dem Zwischenraum zwischen dem Substrat und der Strömungsbarriere wirkt. Es ist aber auch möglich, dass andere geeignete nichtthermische Plasmaverfahren genutzt werden. Der Wärmeträger wird in einer Zuführeinrichtung erzeugt, welche die Quelle, eine Spule und ein Schutzgas enthält.
Für eine Glasbeschichtung nimmt eine aufgetragene SiOx- und/oder M 0^-, M2Ox2-,■■■ , MNOxn-haltige Dispersion (mit M=Metall, Halbmetall oder Erdalkalimetall; Index M 2, ,N steht für jeweils unterschiedliche Stoffe M; Index Ox i x2 xn steht für jeweils spezifische
Sauerstoffanteile) (im folgenden kurz MOx-Dispersion genannt), die im Rahmen der Sol- Gel-Technik hergestellt wird, einen Großteil der Wärmemenge von Partikeln oder Tropfen in der Größenordnung von mehreren 10 nm bis wenige 100 prn auf, ohne dass die Siedetemperatur des Lösungsmittels der Dispersion beziehungsweise des Gels bis zum vollständigen Verdampfen derselben überschritten wird. Dadurch kann beispielsweise Holz unterhalb seiner kritischen Temperatur behandelt werden, wenn eine Verteilung der Wärmebelastung stattfindet, die noch eine ausreichende lokale Abkühlung bis zum erneuten Auftreffen der Wärmeträger (Tropfen/angeschmolzene Partikel) zulässt.
Für ein Ausführungsbeispiel erfolgt z.B. eine Glasschmelze mit einem erniedrigten Schmelzpunkt (spezielle Zusammensetzung). Die hierbei verwendete Dispersion nimmt neben der Rolle des Wärmepuffers auch die Rolle eines Haftvermittlers ein. Zur Dimensionierung der Tropfengröße eignet sich das Elektrosprayverfahren, in , welchem sich am Ende der Kanüle in einem elektrischen Feld ein Taylorkegel ausbildet und von dem sich wiederum ein Faden (Jet) in der Stärke mehrerer 10 bis wenigen 100 nm löst, der zu weiteren Tröpfchen zerfällt. Damit ist die Wärmemenge pro Tropfen bzw. Fadenquerschnitt regulierbar und kann der Verdampfungswärme der entsprechenden Menge der Dispersion angepasst werden.
Der thermische Schutz des Substrates beim Aufsprühen einer Schmelze wurde in dieser Form noch nicht realisiert und ermöglicht ein Erzeugen einer belastbaren Schicht, wobei die Dispersion als thermischer Puffer gleichzeitig die Haftvermittlung zwischen Substrat und Schicht sicherstellt. Durch die geringe Größe der Wärmeträger werden großflächige Spannungen, die eine Rissbildung aufgrund der thermischen Ausdehnung zur Folge haben können, vermieden.
Mit diesem Verfahren können bezüglich der Glasbeschichtung ökologisch bedeutsame Lösungen für jedes beliebige Substrat, insbesondere zum Schutz von Holz und Naturfasern, aber auch Beton etc. realisiert werden. Diese sind sehr kostengünstig im Vergleich zu hochwertigen Lacken und tragen die für eine Schutzschicht wertvollen Langzeiteigenschaften von Glas. Diese kann durch eine Vielzahl von bereits etablierten Verfahren funktionalisiert werden. Mit diesem Verfahren können die glasartigen Schichtsynthesen von Hupel (DE- Patentanmeldung DE 1020121 1 1710.1 ) kostengünstig ergänzt werden. Für das erfindungsgemäße Verfahren kann jedes beliebige Substrat verwendet werden. Der Dispersion können Partikel zur Oberflächenstrukturierung, Färbung oder Flammhemmung beigefügt werden. Letztere, zum Beispiel Magnesiumoxid oder -carbonat, können auch als reine Vorbehandlung in einer Lösung aufgetragen werden und können die Flammbeständigkeit zusammen mit der weiter aufgebauten Schicht erhöhen. Zur Färbung können vorzugsweise Metalloxide (besonders bevorzugt Fe203, Cobalt(ll)-oxid, Zironium(IV)-oxid, Titanoxid), Metallcarbonate (besonders bevorzugt Kupfer(ll)-carbonat) oder Silikate von Metallen (besonders bevorzugt von Aluminium, Zink und Kupfer) beigefügt werden. Eine nach einem oder mehreren Prinzipien der Wärmepufferung aufgetragene Glas- o- der Keramikschicht kann wiederum selbst als Schutzschicht für ge- bzw. abgeschmolzene Wärmeträger, beispielsweise mit einer höheren Schmelztemperatur, dienen. Damit können entsprechend stärker belastbare Flammschutzschichten aufgebaut werden. In einem weiteren Aspekt liegt der vorliegenden Erfindung vorzugsweise die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren - sowie eine zugehörige Vorrichtung - zur Be- schichtung eines Substrates bereit zu stellen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Beschichtung eines Substrat, unter Einwirkung eines nichtthermisches Plasmas unter Atmosphärendruck kennzeichnet sich dadurch, dass eine äußere Strömungsbarriere mit mindestens einer Öffnung unterhalb einer Quelle für einen Wärmeträger angeordnet ist und ein nichtthermisches Plasma in einem Zwischenraum, insbesondere auf einer der Quelle abgewandten Seite der Strömungsbarriere, zwischen einem Substrat und der Strömungsbarriere wirkt.
In einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Beschichtung eines Substrats unter Einwirkung eines nichtthermischen Plasmas unter Atmosphärendruck angesehen, aufweisend: eine Aufnahmeeinrichtung mit einem Aufnahmebereich zur Aufnahme des zu beschichtenden Substrats, eine Emissionseinrichtung zur Emission eines Wärmeträgers in Richtung des das Substrat aufnehmenden Aufnahmebereichs, die mindestens einen Öffnungsabschnitt aufweist, welcher für den Wärmeträger durchlässig ausgestaltet ist, und eine Plasmazuführungseinrichtung zur Zuführung eines nichtthermischen Plasmas zu dem das Substrat aufweisenden Aufnahmebereich, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsabschnitt auf der der Aufnahmeeinrichtung zugewandten Seite der Emissionseinrichtung angeordnet ist, die Emissionseinrichtung und die Plasmazuführungseinrichtung relativ zur Aufnahmeeinrichtung so angeordnet sind, dass die Zuführung des nichtthermischen Plasmas in den sich zwischen der Emissionseinrichtung und der Aufnahmeeinrichtung erstreckenden Raum erfolgt.
In diesem Zusammenhang weist die Vorrichtung zur Beschichtung eines Substrats unter Einwirkung eines nichtthermischen Plasmas unter Atmosphärendruck vorzugsweise ferner eine Halteeinrichtung zum Haltern des zu beschichtenden Substrats in dem Aufnahmebereich auf.
Die Erfindung basiert auf dem Ansatz, durch die Bereitstellung einer spezifischen Substanz an einem thermisch zu schützenden Substrat zweierlei physikalische Mechanismen auszunutzen, welche einen Übertrag von Wärmeenergie - die aus einer thermischen Beschichtung resultiert - auf das thermisch zu schützendes Substrat, welches insbesondere temperatursensitiv ist, signifikant verringert und daher eine nachteilige und unerwünschte Beeinträchtigung dieses Substrates vermeiden kann. Insbesondere kann auf diese Weise für brennbare Materialien wie beispielsweise Holz- oder Strohplatten eine signifikant bessere Feuerfestigkeit während einer thermischen Beschichtung erzielt werden. Die Bereitstellung der oben genannten spezifischen Substanz an dem thermisch zu schützenden Substrat kann unter Anwendung eines nichtthermischen Plasmas einerseits eine erhöhte Elektronendichte - eine sogenannte Plasmarandschicht - an der dem Substrat abgewandten Oberfläche dieser Substanz ausbilden, welche zur Ableitung von Wärme entlang dieser Oberfläche geeignet ist und somit die zum thermisch zu schützende Substrat gelangende Wärmemenge reduziert. Andererseits kann die Bereitstel- lung der oben genannten spezifischen Substanz an dem thermisch zu schützenden Substrat dazu dienen, dass diese Substanz die bei der thermischen Beschichtung entstehende Wärmeenergie aufnimmt und in eine Energieform umwandelt, welche mit einem Phasenübergang von Bestandteilen dieser Substanz einhergeht. Somit kann auf diese Weise ein weiterer Effekt herbeigeführt werden, welcher eine Reduktion an zum thermisch zu schützenden Substrat gelangender Wärmemenge erzielt.
Unter einem thermisch zu schützenden Substrat ist gemäß einem Aspekt der Erfindung auch ein Objekt zu verstehen, welches nach objektiven Kriterien als während einer thermischen Beschichtung als schutzbedürftig und/oder schützenswert anzusehen ist. Insbesondere handelt es sich hierbei um temperatursensitive Substrate, welche durch eine Temperaureinwirkung eine Modifikation ihres Zustandes, insbesondere ihrer Form und/oder ihre Zusammensetzung und/oder einen Phasenübergang, erfahren können. Insbesondere bezieht sich die Temperatureinwirkung auf eine Temperaturerhöhung, besonders bevorzugt auf eine Temperaturerhöhung von im Wesentlichen Raumtemperatur zu höheren Temperaturen.
Unter einer Wärmeableitung ist gemäß einem Aspekt der Erfindung auch die Verringe- rung der Wärmeenergie an einem bestimmten Ort aufgrund eines gerichteten Abflusses der Wärme zu verstehen. Insbesondere handelt es sich bei dem Ort um eine Position innerhalb des temperatursensitiven Substrats oder um eine Position innerhalb eines Objekts, besonders bevorzugt einer Schicht, welche mit dem thermisch zu schützenden Substrat im physikalischen Kontakt steht und besonders bevorzugt auf das thermisch zu schützende Substrat aufgebracht oder aufzubringen ist. Insbesondere erfolgt der gerichtete Abfluss der Wärme entlang einer im Wesentlichen erhöhten Elektronendichte. Insbesondere erfolgt die Wärmeableitung entlang einer im Wesentlichen durch ein Plasma herbeigeführten Plasmarandschicht, besonders bevorzugt im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des thermisch zu schützenden Substrats.
Unter einem nichtthermischen Plasma ist gemäß einem Aspekt der Erfindung auch der Zustand eines Plasmas zu verstehen, welcher sich im Wesentlichen nicht im thermischen Gleichgewicht befindet. Insbesondere weist dieser Zustand signifikante Unterschiede bezüglich der Temperaturen der im Plasma enthaltenen Teilchensorten, insbe- sondere Neutralteilchen, Ionen, Elektronen, auf.
Unter einer Wärmepufferung ist gemäß einem Aspekt der Erfindung auch die Eigenschaft einer Substanz, insbesondere einer Dispersion und/oder eine Sole und/oder eines Gels und/oder einer gelartigen Substanz, und ihrer Bestandteile zu verstehen, eine Wärmemenge aufzunehmen und somit einen thermodynamischen Phasenübergang auszuführen, wobei die Wärmemenge insbesondere im Wesentlichen einem Verfahren zur thermischen Beschichtung entstammt. Insbesondere ist die Substanz auf das thermisch zu schützende Substrat aufgebracht oder in einem anderen Kontakt mit dem thermisch zu schützenden Substrat und kann somit die zu einem thermisch zu schützendes Substrat gelangende Wärmemenge verringern.
Unter einem thermodynamischen Phasenübergang ist gemäß einem Aspekt der Erfindung auch die Phasenänderung einer Substanz, insbesondere im Wesentlichen herbei- geführt durch eine Temperaturänderung, zu verstehen. Insbesondere ist gemäß einem Aspekt der Erfindung eine - besonders bevorzugt unmittelbare - Phasenänderung von einer im Wesentlichen flüssigen Sole oder Dispersion in eine gelartige Substanz oder ein Gel zu verstehen. Insbesondere ist auch gemäß einem Aspekt der Erfindung eine - besonders bevorzugt unmittelbare - Phasenänderung von einem Gel oder einer gelartige Substanz in eine im Wesentlichen glasartige Substanz oder ein Glas oder ein Aerogel zu verstehen, wobei ein solches Aerogel eine Eignung zur weiteren Transformation in eine glasartige Substanz oder ein Glas aufweist.
Unter einer Dispersion ist gemäß einem Aspekt der Erfindung auch ein im Wesentlichen heterogenes Gemisch aus mindestens zwei Stoffen zu verstehen. Vorzugsweise weist die Dispersion mindestens ein Lösungsmittel und einen Substanz auf, wobei die Substanz insbesondere die Zusammensetzung SiOx- und/oder M-|Ox1-, M2Ox2-, MNOxn- (mit M=Metall, Halbmetall oder Erdalkalimetall; Index M1 2 N steht für jeweils unterschiedliche Stoffe M; Index Oxi , x2 xn, steht für jeweils spezifische Sauerstoffanteile) aufweist. Vorzugsweise wird die Dispersion mit dem thermisch zu schützenden Substrat in Kontakt gebracht, besonders bevorzugt auf das thermisch zu schützende Substrat aufgebracht. Vorzugsweise dient die Dispersion der Wärmepufferung des thermisch zu schützenden Substrats. Unter einer glasartigen Schicht ist gemäß einem Aspekt der Erfindung auch eine Schicht zu verstehen, welche einen Glasanteil aufweist und/oder mindestens eine physikalische Eigenschaft aufweist, welche im Wesentlichen derselben physikalischen Eigenschaft einer Glasschicht entspricht. Insbesondere ist als physikalische Eigenschaft deren ther- modynamische Eigenschaft, besonders bevorzugt Schmelzpunkt und/oder Schmelzver- halten, und/oder deren Schutz gegenüber Umwelteinflüssen, insbesondere Wasser und/oder Hitze, und/oder deren Abriebfestigkeit zu verstehen.
Unter einer äußeren Strömungsbarriere ist gemäß einem Aspekt der Erfindung auch ein Element zu verstehen, welches zumindest partiell den Wirkbereich eines nichtthermischen Plasmas von einer einen Wärmeträger bereitstellenden Quelle und/oder Emissionseinrichtung räumlich separiert und ferner mindestens eine Öffnung und/oder mindestens einen Öffnungsbereich aufweist, welcher den Durchstrom von einem Wärmeträger von zumindest der Quelle und/oder der Emissionseinrichtung zu dem Wirkbereich eines nichtthermischen Plasmas ermöglicht. Vorzugsweise ist die Strömungsbarriere im Wesentlichen eine Platte und/oder eine Scheibe und im Wesentlichen parallel zur Oberfläche eines thermisch zu schützenden Substrats angeordnet.
Unter einem Wärmeträger ist gemäß einem Aspekt der Erfindung auch ein Objekt zu verstehen, welches imstande ist Wärmeenergie von einer Quelle und/oder einer Emissionseinrichtung durch eine Öffnung und/oder einen Öffnungsabschnitt in einen Bereich zu transportieren, in welchem ein nichtthermisches Plasma wirken kann und insbesondere wirkt. Insbesondere weist der Wärmeträger eine Glasschmelze auf und kann mindestens in einer der Gestalten tropfenartig, partikelartig oder fadenartig ausgestaltet sein.
Der Begriff „unterhalb angeordnet" bezieht sich gemäß einem Aspekt der Erfindung auf kleinere Werte einer x-Koordinate in einem dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystem - aufweisend die senkrecht zueinander ausgerichteten Achsen x-Achse, y-Achse und z-Achse - gegenüber einer Referenz, wobei bezüglich der Ausrichtung dieses drei- dimensionalen kartesischen Koordinatensystems in einem Raum keinerlei Beschränkungen bestehen und die Ausrichtung des Koordinatensystems im Raum beliebig ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass eine der Achsen x-Achse, y-Achse oder z-Achse im Wesentlichen parallel oder antiparallel zur Wirkrichtung der Gravitation ist. Unter einem Zwischenraum ist gemäß einem Aspekt der Erfindung auch ein dreidimensionaler Bereich zu verstehen, welcher sich zwischen Raumpunkten beliebiger Anordnung und Anzahl eines beliebig angeordneten kartesischen Koordinatensystems erstreckt. Vorzugsweise weist der Zwischenraum in mindestens einem Teilbereich seiner Oberfläche einen Kontaktbereich mit einem Objekt auf, besonders bevorzugt mit einer äußeren Strömungsbarriere und/oder einer Emissionseinrichtung und/oder einer Haltevorrichtung einer Beschichtungsvorrichtung und/oder mit einem thermisch zu schützenden Substrat während des Beschichtens dieses thermisch zu schützenden Substrates gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder unter Verwendung der erfindungs- gemäßen Beschichtungsvorrichtung.
Unter einer Emissionseinrichtung ist gemäß einem Aspekt der Erfindung auch eine Einrichtung einer Beschichtungsvorrichtung zu verstehen, welche eine Quelle für einen Wärmeträger aufweist sowie eine äußere Strömungsbarriere mit mindestens einer Öff- nung, wobei die Strömungsbarriere unterhalb der Quelle angeordnet ist.
Unter einem Öffnungsabschnitt ist gemäß einem Aspekt der Erfindung auch eine Öffnung, insbesondere eine Öffnung einer Strömungsbarriere, zu verstehen. Unter einer Plasmazuführungseinrichtung ist gemäß einem Aspekt der Erfindung auch ein Plasma-Jet zu verstehen.
Unter einer Aufnahmeeinrichtung ist gemäß einem Aspekt der Erfindung auch ein Objekt einer Vorrichtung zur Beschichtung eines Substrats zu verstehen, welches dazu einge- richtet ist ein Substrat, insbesondere ein thermisch zu schützendes Substrat, aufzunehmen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Wärmeträger über eine äußere Strömungsbarriere mit mindestens einer Öffnung dem Sub- strat zugeführt und gleichzeitig und/oder anschließend mit einem nichtthermischen Plasma-Jet behandelt, wobei das Plasma unterhalb der Strömungsbarriere, insbesondere auf einer der Zuführung des Wärmeträgers abgewandten Seite der Strömungsbarriere, wirkt. Durch das Anbringen einer Öffnung in einer Strömungsbarriere kann einerseits der Auftreffbereich auf einem thermisch zu schützenden Substrat kontrolliert werden. Andererseits kann eine signifikante Wärmemenge, welche bei der Erzeugung von Wärmeträgern in der Quelle entsteht, von einem Kontakt mit dem thermisch zu schützenden Substrat abgehalten werden. Darüber hinaus kann in diesem Fall ein Schutzgas zwischen der Strömungsbarriere und der Quelle beherbergt werden, was ein Entflammen durch einen Kontakt zwischen dem Lösungsmittel des Wärmepuffers und dem heißen Umgebungsbereich der Quelle dahingehend verhindert, dass es den Sauerstoffanteil in der Umgebungsluft durch ein Inertgas ersetzt.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht der Wärmeträger a) aus einer Glasschmelze in Form von Tropfen oder Fäden mit einem Durchmesser von mehreren 10 nm bis mehreren 100 μιτι oder b) aus oberflächenangeschmolzenen Glas- oder Keramikpartikeln und/oder c) weist geschmolzene Tropfen oder Partikel mit einem Ligninanteil auf, welche vorzugsweise aus Lignin bestehen und/oder d) weist Bestandteile aus dem nichtthermischen Plasma auf. In einer ganz besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Bewegung der Bestandteile aus dem nichtthermischen Plasma im Wesentlichen gepulst und/oder zeitgesteuert, insbesondere unter Verwendung eines Mikrowellenplasmas.
Durch a) und b) die Verwendung eines glasschmelzartigen oder keramischen Wärmeträgers kann ein kostengünstiges und gut kontrollierbares Beschichtungsmaterial bereitgestellt werden. Zudem kann durch gezielte Modifikation von einer Glasschmelze, beispielsweise mit einem Glaslot, ein niedriger Schmelzpunkt erzielt werden, wodurch sich Energieeinsparungen für die Bereitstellung eines Wärmeträgers ergeben. Zudem lässt sich die Dimension und Form einer Glasschmelze mit besonders einfachen Mitteln kontrollieren. Zudem kann durch die Verwendung von Glas als Wärmeträger eine Beschich- tung generiert werden, welche die optischen Eigenschaften eines thermisch zu schützenden Substrates, beispielsweise Holz, lediglich geringfügig modifiziert, was als ästhe- tisch angenehm empfunden werden kann. Durch c) die Verwendung eines einen Ligninanteil aufweisenden Tropfen oder Partikel als Wärmeträger kann ein besonders geringer Schmelzpunkt realisiert werden, wodurch es einerseits weniger Energie für die Bereitstellung der Partikel bedarf und anderseits der Flammschutz während eines laufenden Prozesses sowie die Schlagfestigkeit, das heißt die Beanspruchbarkeit des Materials durch eine Vielzahl gleicher Schläge mit vorgegebener Energie, verbessert werden kann. Durch d) die Verwendung von Bestandteilen aus dem nichtthermischen Plasma als Wärmeträger kann insbesondere dem Sachverhalt Rechnung getragen werden, dass das Auftreffen dieser Bestandteile auf ein thermisch zu schützendes Substrat und/oder einen Wärmepuffer mit einfachen Mitteln zeitgesteuert erfolgen kann. In einer weiteren, ganz besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Bewegung der einen Ligninanteil aufweisenden Tropfen oder Partikel unter Zufügung von Wärmeenergie, insbesondere im Wesentlichen durch ein Mik- rowellenplasma.
Auf diese Weise können die einen Ligninanteil aufweisenden Tropfen oder Partikel während des Bewegens in Richtung des thermisch zu schützenden Substrates temperiert, insbesondere beheizt, werden, wodurch Spannungen beim beschichtenden Auftreffen des Wärmeträgers auf dem thermisch zu schützenden Substrat bzw. dem Wärmepuffer reduziert werden.
In einer weiteren, ganz besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Wärmeträger im Wesentlichen durch Sputtern unter Verwendung eines Mikrowellenplasmas oder durch Ultraschallzerstäuben erzeugt.
Auf diese Weise können besonders kleine Dispersionsbestandteile auf das thermisch zu schützende Substrat aufgetragen werden, sodass eine geringere Menge an Wärmepuffermaterial für das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren benötigt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden poröse Materialien oder nichtporöse Materialien, vorzugsweise Holz oder Naturfa¬ sern oder Beton oder Metalle oder Strohplatten beschichtet. Im Falle von porösen Materialien wird durch die Beschichtung die Oberfläche des thermisch zu schützenden Substrats, an welcher Umwelteinflüsse wie Hitze oder Feuchtigkeit das thermisch zu schützende Substrat angreifen können, wodurch das thermisch zu schützende Substrat gegenüber Umwelteinflüssen resistenter werden kann. Im Falle von nichtporösen Materialien ergeben sich insbesondere Beschichtungen höherer Qualität, wodurch das thermisch zu schützende Substrat gegenüber Umwelteinflüssen resistenter wird. Insbesondere im Falle von Holz und Strohplatten wird die Feuerfestigkeit durch die Beschichtung ganz besonders wesentlich verbessert. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden für die Beschichtung Partikel der Dispersion zur a) Oberflächenstrukturierung und/oder b) Flammhemmung beigefügt, wobei zur Flammhemmung insbesondere Magnesiumoxid oder Magnesiumcarbonat verwendet werden.
Im Falle der Oberflächenstrukturierung können auf diese Weise insbesondere haifisch- hautartige Beschichtungsprofile realisiert werden, welche einen besonders geringen Strömungswiderstand haben. Dies ist insbesondere für die Beschichtung von Materialien im Bereich des Schiffsbaus von besonderer Relevanz. Im Falle der Flammhemmung kann durch Beifügung geeigneter Partikel insbesondere eine höhere Resistenz gegenüber außergewöhnlicher Hitzevorkommen realisiert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist zur thermischen Beschichtung durch Wärmepufferurig die eine Dispersion und/oder das eine Gel und/oder die eine Glas- und/oder glasartigen Schicht Fasern mindestens einer Substanz auf, insbesondere im Wesentlichen Carbonfasern und/oder Basaltfasern.
Auf diese Weise können thermische Spannungen an der Wärmepufferoberfläche verringert werden, sodass sich beim Beschichten mit einem Wärmeträger Schichten höherer Qualität ergeben, welche einer thermisch zu schützenden Substanz insbesondere einen besseren Schutz gegenüber Umwelteinflüssen, wie beispielsweise Hitze und Feuchtigkeit, bieten.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur thermischen Beschichtung durch Wärmepufferung das Gel zuvor durch Einwirkung des nichtthermischen Plasmas auf eine Sole oder Dispersion erzeugt und diese Sole oder Dispersion vorzugsweise durch Zerstäubung aufgebracht.
Auf diese Weise wird es ermöglicht eine erforderliche Vorbehandlung eines thermisch zu schützenden Substrats mit denselben Verfahrensmitteln wie die eigentliche Behandlung durchzuführen, wodurch Zeit und Kosten gespart werden können. Durch ein zerstäubtes Aufbringen von Sole oder Dispersion werden kleine flüssige Tröpfchen generiert, sodass ein geringerer Wärmepufferauftrag für eine nachfolgende Behandlung realisiert werden kann. Hieraus ergibt sich ein Ersparnis an Materialkosten. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das an dem nichtthermischen Plasma anliegende elektromagnetische Feld, insbesondere dessen Intensität und/oder Orientierung, während des Beschichtungsvorgangs verän- dert.
Auf diese Weise kann insbesondere der Wärmeträger zum Substrat hin beschleunigt werden. Hierdurch kann einerseits das thermische Beschichtungsverfahren schneller erfolgen, andererseits wird die Flugzeit des Wärmeträgers zum Substrat verkürzt, wodurch die Gefahr eines signifikanten Abkühlens des Wärmeträgers reduziert wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das nach dem Beschichtungsverfahren hergestellte, insbesondere beschichtete, Substrats als Grundlage für weitere Beschichtungen mit einer höheren Schmelztemperatur verwendet, um stärker be- lastbare Flammschutzschichten aufzubauen.
Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren, welches sich durch eine besonders geringe thermische Belastung eines thermisch zu schützenden, insbesondere temperatursensitiven, Substrats kennzeichnet, nach Aufbringen einer Schutzschicht mit einem Verfahren kombiniert werden, welches insbesondere dem schnellen und kostengünstigen Beschichten eines bereits geschützten, thermisch zu schützenden Substrats dient.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Plasma-Jet so angeordnet, dass er in dem Zwischenraum zwischen dem Substrat und der Strömungsbarriere, insbesondere auf einer der Quelle abgewandten Seite der Strömungsbarriere, wirkt.
Durch die Verwendung des für die Behandlung und Modifikation von Oberflächen spezi- fizierten Plasma-Jets als einwirkendes, nichtthermisches Plasma wird ein geringer Energieverbrauch mit einem sicheren, sehr sauberen und umweltschonenden Verfahren realisiert, letzteres insbesondere, da die Produktion von Ozon im Wesentlichen vermieden werden kann. Die Bereitstellung eines Vakuums ist für eine Plasmaeinwirkung mittels Plasma-Jet nicht erforderlich. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Wärmeträger in einer Zuführeinrichtung erzeugt, welche die Quelle, eine Spule und ein Schutzgas enthält.
Durch die Einrichtung einer Spule kann der Wärmeträger auf seiner Flugbahn in Richtung des thermisch zu schützenden Substrats durch ein induktives Wechselfeld zusätzlich beheizt werden und somit verhindern, dass sich ein geschmolzener Wärmeträger auf seiner Flugbahn wiederum abkühlt und verfestigt. Durch dieses Mittel zur Temperatur- aufrechterhaltung bedarf es zudem einer geringeren Temperierung der durch die Quelle erzeugten Wärmeträger. Durch die Bereitstellung eines Schutzgases in der Zuführeinrichtung kann ein Entflammen durch Kontakt zwischen dem Lösungsmittel des Wärmepuffers und dem heißen Umgebungsbereich der Quelle dahingehend verhindert werden, dass es den Sauerstoffanteil in der Umgebungsluft durch ein reaktionsträges Inertgas ersetzt, sodass eine Explosion oder eine Fortpflanzung einer Verbrennung verhindert werden kann.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Spule eine hohe Windungsdichte und einen geringe Querschnittsfläche auf.
Auf diese Weise kann es ermöglicht werden Wärmeträger - vorzugsweise aus Quarz oder Lignin oder Glas - durch ein Induktivheizfeld der Spule auf der Flugbahn von einem flüssigen Phasenzustand in einen gasförmigen Phasenzustand zu transformieren. Aufgrund des für Wärmeträger gültigen Rayleigh-Limits ist es hiernach möglich, das Volu- men der Wärmeträger zu reduzieren und somit kleinere Wärmeträgereinheiten auf das thermisch zu schützende Substrat aufzubringen. Hierdurch kann die Erstellung dünner Schichten auf dem thermisch zu schützenden Substrat einfacher realisiert werden.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrich- tung weist die Spule eine Querschnittsfläche auf, welche auf der dem thermisch zu schützenden Substrat zugewandten Seite geringer ist als auf der dem thermisch zu schützenden Substrat abgewandten Seite und vorzugsweise eine im Wesentlichen trichterförmig ausgestaltete Form aufweist. Auf diese Weise weist die Spule eine Eignung als mechanische Barriere auf, welche den Raumwinkel an Flugbahnen für Wärmeträger, welche zum thermisch zu schützenden Substrat gelangen können, reduziert. Somit kann es ermöglicht werden, dass lediglich ein kleiner und/oder kontrollierter Bereich des thermisch zu schützenden Substrats eine Beschichtung erfährt.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Quelle einen Wolfrahmdraht auf, welcher dazu eingerichtet ist Elektronen an eine Schmelze, insbesondere an eine Glasschmelze, abzugeben, wobei die Schmel- ze für das Herausbilden von Wärmeträgern zur Beschichtung des thermisch zu schützenden Substrats eingerichtet sein kann.
Auf diese Weise kann ein höherer lonisationsgrad des Wärmeträgers zu Beschichtung des thermisch zu schützenden Substrats erzielt werden, wodurch mit einfachen Mitteln kleine Tropfenvolumen des Wärmeträgers erzielt werden können. Dies kann sich vorteilhaft auf die Erstellung dünner Schichten auf dem thermisch zu schützenden Substrat auswirken.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Plasma-Jet zur Emission eines Mikrowellenplasmas eingerichtet, welches sich a) zum Temperieren des Wärmeträgers und/oder b) zur Beeinträchtigung der Bewegung des Wärmeträgers eignet.
Auf diese Weise weist die Vorrichtung die Fähigkeit auf ein gezieltes Auftreffens des Wärmeträgers mit einer spezifischen Temperatur und/oder zu einem gewünschten Zeitpunkt auf einem Wärmepuffer zu ermöglichen. Insbesondere ersteres vermag zu einer möglichst oberflächenspannungsarmen Beschichtung beizutragen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Quelle eine Sputtereinrichtung und ein Mikrowellenplasmabereitstellungseinrichtung auf, wobei die Sputtereinrichtung unter Zuführung von einem Mikrowellenplasma der Mikrowellenplasmabereitstellungseinrichtung zur Bereitstellung des Wärmeträgers in gesputterter Ausgestaltung eingerichtet ist. Auf diese Weise weist die Vorrichtung die Fähigkeit auf Bestandteile des Wärmeträgers voneinander zu separieren und somit zu einer möglichst homogenen Beschichtung beizutragen. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens und unter Einwirkung eines nichtthermischen Plasmas unter Atmosphärendruck ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass eine erhöhte Elektronendichte direkt auf dem Substrat einen Wärmeeintrag eines Wärmeträgers mit einer höheren Wärmeleitung durch Elektronen tangential zum Substrat ableitet und damit eine thermische Wechselwir- kungsfläche mit dem Plasma erhöht wird, wobei die erhöhte Elektronendichte aus einer Plasmarandschicht des nichtthermischen Plasmas hervorgeht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens und unter Einwirkung eines nichtthermischen Plasmas unter Atmosphärendruck ist die Erfin- dung dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht aus einer Sole/Dispersion oder einem Gel (kurz Gel-Schicht) aufgebracht wird und eine erhöhte Elektronendichte direkt auf die Gel-Schicht einen Wärmeeintrag eines Wärmeträgers mit einer höheren Wärmeleitung durch Elektronen tangential zum Substrat ableitet und damit eine thermische Wechselwirkungsfläche mit dem Plasma erhöht wird, wobei die erhöhte Elektronendichte aus einer Plasmarandschicht des nichtthermischen Plasmas hervorgeht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde das Substrat mit einem Verfahren zur Sol-Gel-Synthese vorbehandelt und ist dadurch mit einer Glas- bzw. glasartige Schicht versehen und erfährt eine Einwirkung eines nicht- thermisches Plasmas unter Atmosphärendruck und kennzeichnet sich ferner dadurch, dass auf die Glas- bzw. glasartige Schicht oder auf eine weitere auf die Glas- bzw. glasartige Schicht aufgebrachte Schicht aus einer Sole/Dispersion oder einem Gel (kurz Gel- Schicht) eine erhöhte Elektronendichte direkt auf der Glas- bzw. glasartigen Schicht oder der Gel-Schicht einen Wärmeeintrag eines Wärmeträgers mit einer höheren Wärmelei- tung durch Elektronen tangential zum Substrat ableitet und damit eine thermische Wechselwirkungsfläche mit dem Plasma erhöht wird, wobei die erhöhte Elektronendichte aus einer Plasmarandschicht des nichtthermischen Plasmas hervorgeht. In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Fäden in Form von Schmelzspinnfäden auf dem Substrat so abgelegt, dass hinsichtlich der Benetzbarkeit mit Wasser ein Oberflächenprofil mit hydrophoben Eigenschaften entsteht.
Auf diese Weise wird die Abriebfestigkeit der Beschichtung verbessert, wodurch sich ein besserer Schutz des Substrats gegenüber äußeren Einflüssen, insbesondere Umwelteinflüssen wie beispielsweise Feuchtigkeit und Hitze, ergeben kann. In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Dimensionierung der Tropfengröße ein Elektrosprayverfahren verwendet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine Dimensionierung der lokalen Wärmemenge der Wärmeträger durch Spray-, Spinn- bzw. Zerstäubungsverfahren der Schmelze und eine Dosierung durch eine Tropfengröße im ausreichenden Maße gegenüber der Kapazität der Wärmepufferung der Dispersion bzw. vorbeschichteten Substratoberfläche.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah- rens wird die Wärmemenge der Wärmeträger über deren Größe dosiert und an die Wärmepufferkapazität der entsprechenden thermodynamischen Phasenübergänge und an die Wärmeleitgeschwindigkeit angepasst.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah- rens ist die Wärmemenge der Wärmeträger proportional zum Volumen der Tropfen oder der Fäden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird jedes beliebige Substrat beschichtet.
In einer weiteren ganz besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei der Beschichtung von Metallen unter Benutzung eines Elektrosprayverfahren s das Substrat selbst als Gegenelektrode verwendet. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine Einrichtung zur Bereitstellung von Wärmeträgern durch Elektrospray-Ionisation derart eingerichtet, dass die Quelle ein elektrisches Potential P1 , die Gegenelektrode ein elektrische Potential P2 und die Spule ein elektrisches Potential aufweist, wobei gilt: I P1 - P3 I < I P1 - P2 I und wobei insbesondere zudem gilt: P1 ~ P3.
Auf diese Weise kann die Ausbreitung eines elektrischen Feldes erzielt werden, welches im Wesentlichen parallel zur Verbindungslinie zwischen Quelle und Gegenelektrode ist, sodass ein möglichst hoher Anteil an Wärmeträger eine äußere Strömungsbarriere pas- sieren kann und zu dem thermisch zu schützenden Substrat gelangen kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine Einrichtung zur Bereitstellung von Wärmeträgern durch Elektrospray-Ionisation derart eingerichtet, dass diese ferner ein Dielektrikum - vorzugsweise aufweisend Quarz - aufweist, welches an einem ersten Ort einen für die Flugbahn von Wärmeträgern einge- richteten Bereich von einer Gegenelektrode separiert und an einem zweiten Ort einen für die Flugbahn von Wärmeträgern eingerichteten Bereich von einer Spule separiert, wobei das Dielektrikum am zweiten Ort mindestens doppelt so dick ist wie am ersten Ort.
Auf diese Weise kann eine möglichst geringe Schwächung eines elektrischen Feldes erzielt werden, welches sich zwischen der Quelle und der Gegenelektrode erstreckt, wodurch es Wärmeträgern erleichtert werden kann zu dem thermisch zu schützenden Substrat zu gelangen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist diese ferner eine im Wesentlichen kohärente Bestrahlungseinrichtung, vorzugsweise einen Laser, besonders bevorzugt ein C02-Laser, auf, welche dazu eingerichtet ist Wärmeträger auf ihrer Flugbahn von einer Quelle zu dem thermisch zu schützenden Substrat zu bestrahlen. Durch die absorbierte Energie der im Wesentlichen kohärenten Bestrahlungseinrichtung können Wärmeträger einen Phasenübergang via Coulomb-Explosion erfahren, wodurch ein Auftreffen besonders kleiner Wärmeträgervolumen auf dem thermisch zu schützenden Substrat ermöglicht wird. Aufgrund dieser besonders kleinen Beschichtungseinhei- ten können thermische Spannungen im Beschichtungsmaterial reduziert werden, wodurch sich eine höhere Qualität der erstellten Schichten ergibt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Wärmeträger während im Wesentlichen der gesamten Flugbahn zwischen einer Quelle und dem thermisch zu schützenden Substrat plasmabehandelt.
Auf diese Weise kann ein Sole-Wärmeträger bereits vor dem Auftreffen auf einem thermisch zu schützenden Substrat einen Phasenübergang in einen gelartigen Zustand er- fahren. Hierdurch kann sich einerseits der Vorteil ergeben poröse Bereiche eines thermisch zu schützenden Substrats besser zu versiegeln. Andererseits kann mithilfe dieses Verfahrens die Erstellung dicker Gelbeschichtungen auf dem thermisch zu schützenden Substrat erleichtert werden. Die Erzeugung des Gels vor Auftreffen auf das thermisch zu schützende Substrat führt ferner dazu, dass die Erstellung eine hohen Packungsdichte sowie die damit einhergehende Volumenabnahme dieser Substanzt bereits vor Kontakterstellung - anstatt im Kontakt - mit dem thermisch zu schützenden Substrat erfolgt. Hierdurch kann eine Rissbildung im Beschichtungsmaterial im Wesentlichen vermieden werden. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mehrfach Schichten eines Wärmepuffers auf das thermisch zu schützende Substrat aufgetragen, bevor dem thermisch zu schützenden Substrat Wärmeträger zugeführt werden. Auf diese Weise kann beim Auftreffen eines Wärmeträgers auf der Beschichtung eines thermisch zu schützenden Substrats aufgrund der größeren Schichtdicke des Wärmepuffers ein höherer mittlerer Abstand zur Oberfläche des thermisch zu schützenden Substrats realisiert werden, wodurch besser verhindert werden kann, dass die kinetische Energie und Wärmeenergie des Wärmeträgers in Form von Wärmeenergie auf das thermisch zu schützende Substrat übertragen wird. Somit ergibt sich ein besserer thermischer Schutz für das thermisch zu schützende Substrat.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Wärmeträger dem thermisch zu schützenden Substrat nach Passieren eines einen Haftvermittler aufweisenden Bereichs zugeführt, wobei der Haftvermittler vorzugsweise- Hexamethyldisiloxan (HMDSO), Tetraethylorthosilicat (TEOS) oder Hexamethyldisilazan (HMDS) ist, und wobei der Haftvermittler vorzugsweise in einer Trägergasumgebung - besonders bevorzugt Argon und/oder Helium - vorliegt.
Auf diese Weise kann eine verbesserte Haftung der Beschichtung und somit ein besserer Schutz des thermisch zu schützenden Substrats gegenüber äußeren Einflüssen, vorzugsweise Umwelteinflüsse, besonders bevorzugt Nässe und/oder Hitze, realisiert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der Bereich, in welchem das nichtthermische Plasma auf das thermisch zu schützende Substrat einwirkt, Helium als Trägergas auf. Aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit von Helium kann in diesem Fall nicht nur Wärme entlang der Substratoberfläche abgeleitet werden. Vielmehr wird ein wesentlicher Anteil über den Raumbereich abgeführt, in welchem Helium in gasförmigen Zustand vorliegt. Auf diese Weise kann ein noch besserer thermischer Schutz des thermisch zu schützenden Substrats realisiert werden.
Unter einem Plasma-Jet ist gemäß einem Aspekt der Erfindung auch jegliche Einrichtung zur Bereitstellung eines nichtthermischen Plasmas für die Wirkung in einem Zwischenraum zu verstehen. Vorzugsweise ist ein Plasma-Jet derart eingerichtet, dass dessen Wirkung in einem Zwischenraum der Behandlung und/oder Modifizierung einer Oberflä- che eines Objekts, insbesondere des thermisch zu schützenden Substrats, zuträglich sein kann.
Unter einer Glasschmelze ist gemäß einem Aspekt der Erfindung auch eine glasartige Substanz zu verstehen, welche einen thermodynamischen Phasenübergang von einer festen Phase unmittelbar in eine flüssige Phase erfahren hat oder erfährt. Insbesondere ist dieser Phasenübergang vorzugsweise im Wesentlichen durch die spezifische Temperatur eines Raumbereichs herbeigeführt. Vorzugsweise weist diese Glasschmelze zur Herbeiführung eines niedrigeren Schmelzpunktes Glaslot und/oder eine andere hierfür geeignete Substanz auf. Vorzugsweise weist diese Glasschmelze eine derartige Zu- sammensetzung auf, sodass Sie eine Eignung zur Bereitstellung von Tropfen und/oder Fäden und/oder Partikeln als Wärmeträger aufweist.
Unter einer gepulsten Bewegung, insbesondere der Bestandteile aus dem nichtthermi- sehen Plasma, ist gemäß einem Aspekt der Erfindung auch eine Bewegung zu verstehen, welche Änderungen, insbesondere sich periodisch wiederholende Änderungen, von Richtung und/oder Geschwindigkeit dieser Bestandteile vorsieht. Insbesondere ist eine gepulste Bewegung der Bestandteile aus dem nichtthermischen Plasma vorgesehen, sodass das Auftreffen des Wärmeträgers auf den Wärmepuffer und/oder auf das ther- misch zu schützende Substrat reguliert erfolgt.
Unter einer zeitgesteuerten Bewegung, insbesondere der Bestandteile aus dem nichtthermischen Plasma, ist gemäß einem Aspekt der Erfindung auch eine Bewegung zu verstehen, welche eine auf die Bedürfnisse eines Benutzers abgestimmtes Auftreffen des Wärmeträgers, insbesondere der Bestandteile aus dem nichtthermischen Plasma, auf den Wärmepuffer und/oder auf das thermisch zu schützende Substrat ermöglicht. Eine zeitgesteuerte Bewegung dieser Bestandteile ist insbesondere unter Verwendung eines Mikrowellenplasmas vorgesehen. Unter einem Mikrowellenplasma ist gemäß einem Aspekt der Erfindung auch ein Plasmazustand einer Substanz zu verstehen, welcher durch Mikrowellen herbeigeführt wird oder durch Mikrowellen signifikant beeinträchtigt wird. Dabei werden die Mikrowellen vorzugsweise in einen Wirkbereich und/oder Reaktionsbereich eingeleitet, in welchem besonders bevorzugt ein Aufnahmebereich für ein thermisch zu schützendes Substrat eingerichtet ist und/oder die thermische Beschichtung eines thermisch zu schützenden Substrats vorgesehen ist und/oder das thermische Beschichten eines thermisch zu schützenden Substrats ausgeübt wird. Insbesondere ist die Bereitstellung eines Mikrowellenplasmas in einem Plasma-Jet, besonders bevorzugt im Wirkbereich des Plasma- Jets, vorgesehen.
Unter einer Flammhemmung ist gemäß einem Aspekt der Erfindung die Eigenschaft eines zumindest partiell brennenden Stoffes zu verstehen, nach Entfernen einer Zündquelle innerhalb kurzer Zeit im Wesentlichen ohne Fremdeinwirkung zu erlöschen, wobei der Stoff vorzugsweise eine Dispersion oder eine Sole ist, welche zur Durchführung eines Sol-Gel-Prozesses, das heißt der Herbeiführung einer gelartigen Substanz aus einer Sole/Dispersion unter Verwendung geeigneter Mittel, vorgesehen ist.
Unter einer Sole ist gemäß einem Aspekt der Erfindung auch eine wässrige Lösung von Salzen zu verstehen, welche insbesondere zur Durchführung eines Sol-Gel-Prozesses geeignet ist, besonders bevorzugt durch Einwirkung eines nichtthermischen Plasmas, sodass aus dieser Lösung insbesondere eine gelartige Substanz herbeigeführt werden kann. Unter einer Zerstäubung ist gemäß einem Aspekt der Erfindung auch das Zerteilen einer Flüssigkeit in feinste Tröpfchen oder Partikel zu verstehen. Insbesondere ist gemäß einem Aspekt der Erfindung eine Zerstäubung als ein zerteiltes und/oder ein dosiertes Aufbringen von Sole und/oder Dispersion auf ein thermisch zu schützendes Substrat oder auf eine auf das thermisch zu schützende Substrat aufgebrachte Schicht zu verste- hen.
Unter einem Ultraschallzerstäuben ist gemäß einem Aspekt der Erfindung auch ein im Wesentlichen durch Ultraschall herbeigeführtes Zerstäuben einer Substanz zu verstehen. Besonders bevorzugt ist dabei ein Gel und/oder eine Sole als eine Substanz zu verstehen, welches durch ein Plasma gesprüht werden kann. Unter Zerstäuben ist insbesondere die Ausübung einer Zerstäubung zu verstehen. Besonders bevorzugt ist unter Ultraschallzerstäuben gemäß einem Aspekt der Erfindung auch ein im Wesentlichen durch Ultraschall herbeigeführtes Zerstäuben einer Glasschmelze zur Herbeiführung möglichst kleiner Tröpfchen zu verstehen.
Unter einer Flammschutzschicht ist gemäß einem Aspekt der Erfindung auch eine auf ein Objekt, insbesondere das thermisch zu schützende Substrat, aufzubringende Be- schichtung zu verstehen, wodurch das Objekt, insbesondere das thermisch zu schützende Substrat, resistenter gegenüber einem Entflammen ist. Insbesondere führt diese Be- Schichtung eine höhere Resistenz gegenüber der in einer erfindungsgemäßen, thermischen Beschichtungsvorrichtung bestehenden Temperatur herbei.
Unter einem Mikrowellenplasmabereitstellungseinrichtung ist gemäß einem Aspekt der Erfindung ein Objekt zu verstehen, welche in einem Raumbereich ein Mikrowellenplasma bereitstellt. Insbesondere erfolgt diese Bereitstellung durch Erzeugung und/oder Herbeiführung eines Plasmazustandes unter Verwendung von Mikrowellen sowie optional durch Zuführung des Mikrowellenplasmas zu dem zuvor genannten Raumbereich. Unter einer Sputtereinrichtung ist gemäß einem Aspekt der Erfindung ein Objekt zu verstehen, welches zur Bereitstellung von gesputterten Bestandteilen eines Festkörpers - eines sogenannten Targets - in deren Gasphase eingerichtet ist, wobei die Bereitstellung der gesputterten Bestandteile in Gasphase durch Zuführung von Energie zu dem Target erfolgt. Hierbei erfolgt diese Zuführung von Energie zu dem Target vorzugsweise durch Zuführung von elektromagnetischen Wellen - besonders bevorzugt Mikrowellen - und/oder durch Zuführung von energiereichen Ionen. Besonders bevorzugt dient die Zuführung von Mikrowellen der Aufrechterhaltung eines Mikrowellenplasmas in der Sputtereinrichtung, wobei das Mikrowellenplasma zum Sputtern verwendet werden kann. Auch besonders bevorzugt erfolgt ein Zünden eines Plasmas in der Sputtereinrichtung durch Anlegen eines hohen Spannungspulses.
Unter einer Wärmeableitung„tangential zum Substrat" ist gemäß einem Aspekt der Erfindung eine Wärmeableitung zu verstehen, welche im Wesentlichen parallel zum Substrat, insbesondere im Wesentlichen parallel zur Substratoberfläche, erfolgt.
Obige sowie weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand von wenigstens teilweise schematischen Figuren.
Ausführung der Erfindung
Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierzu zeigen
Figur 1 eine schematische Darstellung des Zusammenspiels des Wärmepuffers, der Wärmedosierung und der Erzeugung eines Wärmeleitfähigkeitsgradienten und des Aufbaus der unterschiedlichen Schichten in der Beschichtungsphase und
Figur 2 mit eingebrachtem Wärmeträger Figur 3 eine Prinzipdarstellung einer Beschichtung sowie eine entsprechend ausgestaltete Beschichtungsvorrichtung.
Figur 4 eine bevorzugte Ausführungsform einer Einrichtung zur Bereitstellung eines Wärmeträgers
In Figur 1 wird der Aufbau der unterschiedlichen Schichten in der Beschichtungsphase dargestellt. Auf dem Substrat 1 , welches insbesondere temperatursensitiv ist, befindet sich eine Glas- bzw. glasartige Schicht 2 (kurz Glas-Schicht 2) aus einer Vorbehandlung. Dabei kann das zu beschichtende Substrat vorzugsweise aus einem porösen oder nicht- porösen Material bestehen, besonders bevorzugt aus Holz, Naturfasern, Metallen oder Strohplatten. Für die Vorbehandlung kann das Verfahren zur Sol-Gel-Synthese nach der DE-Patentanmeldung DE 1020121 1 1710.1 angewendet werden. Diese Glas-Schicht 2 stellt eine homogene Wärmeleitbarriere und/oder Sauerstoffbarriere und eine Isolationsschicht gegenüber dem zu beschichtenden Substrat dar. Auf diese vorbehandelte Glas- bzw. glasartige Schicht 2 wird eine weitere Schicht 3 mit einer Sole/Dispersion oder einem Gel (kurz Gel-Schicht 3) aufgebracht, wobei diese vorbehandelte Glas- bzw. glasartige Schicht 2 und/oder die Gel-Schicht 3 vorzugsweise zuvor durch Einwirkung eines nichtthermischen Plasmas 4 auf eine Sole oder Dispersion erzeugt wird und wobei diese Sole oder Dispersion besonders bevorzugt durch Zerstäubung aufgebracht wird. Die wei- tere Schicht 3 weist vorzugsweise Fasern mindestens einer Schicht auf, insbesondere im Wesentlichen Carbonfasern und/oder Basaltfasern. Durch die Einwirkung des nichtthermischen Plasmas 4 werden in der Plasmarandschicht 5 Elektronen 6 auf der Oberfläche freigesetzt. Auf einen Wärmeträger 7, welcher ein Tropfen oder Faden einer Schmelze, zum Beispiel Glas oder Glaslot oder oberflächenangeschmolzene Partikel zum Beispiel aus Keramik oder Glas, ist, wirkt zusätzlich zum hoch wärmeleitenden Plasma 4 die Plasmarandschicht 5 mit der erhöhten Elektronendichte tangential zur Oberfläche mit starker Wärmeleitung über die Elektronen 6. Der Wärmeträger 7 aus Figur 1 kann jedoch auch ein geschmolzener Tropfen oder Partikel sein, welcher einen Ligninanteil aufweist, und welche vorzugsweise aus Lignin bestehen. Der Wärmeträger 7 kann vorzugsweise auch Bestandteile aus einem nichtthermischen Plasma aufweisen, deren Bewegung besonders bevorzugt im Wesentlichen gepulst und/oder zeitgesteuert erfolgt, ganz besonders bevorzugt unter Verwendung eines Mikrowellenplasmas. Besonders bevorzugt erfolgt die Bewegung der einen Ligninanteil aufweisenden Tropfen oder Partikel unter Zu- fügung von Wärmeenergie, insbesondere im Wesentlichen durch ein Mikrowellenplasma. Vorzugsweise wird das an dem nichtthermischen Plasma anliegende elektromagnetische Feld, insbesondere dessen Intensität und/oder Orientierung, während des Beschich- tungsvorgangs verändert. Figur 2 zeigt beispielhaft die Einlagerung eines Wärmeträgers 7 in die Gel-Schicht 3. Die Glas-Schicht 2 dient hier als Sauerstoffbarriere gegenüber dem zu beschichtenden Substrat und als Isolationsschicht, die den starken Wärmegradienten etwas puffert und damit auch Spannungen vorbeugt. Figur 3 zeigt eine Prinzipdarstellung einer möglichen Beschichtung. Das vorbereitete Substrat 1 mit der wärmepuffernden Gel-Schicht 3 wird mit einem nichtthermischen Plasma-Jet 8 behandelt. Dabei wirkt das Plasma 4 unterhalb der Strömungsbarriere 12, insbesondere auf einer der Zuführung des Wärmeträgers 7 abgewandten Seite der Strömungsbarriere 12. Vorzugsweise ist auch der Plasma-Jet 8 derart angeordnet, dass er in dem Zwischenraum zwischen dem Substrat 1 und der Strömungsbarriere 12, besonders bevorzugt auf einer der Quelle 9 abgewandten Seite der Strömungsbarriere, wirkt. Vorzugsweise ist der Plasma-Jet 8 auch zur Emission eines Mikrowellenplasmas eingerichtet, welches sich zum Temperieren des Wärmeträgers 7 und/oder zu Beeinträchtigung der Bewegung des Wärmeträgers eignet und wobei der Wärmeträger 7 be- sonders bevorzugt auf seiner Flugbahn in Richtung des Substrats 1 durch das Mikrowellenplasma erwärmt werden kann.
Zugleich wird über eine äußere Strömungsbarriere 12 mit mindestens einer Öffnung 13 ein Wärmeträger 7 zugeführt, welcher ein Schmelztröpfchen oder ein Schmelzfaden, der/die zuvor in einem Tiegel erzeugt wurden und in seiner/ihrer Flugbahn mit der Spule 10 zusätzlich induktiv beheizt wird, sein kann. Ebenso sind oberflächenangeschmolzene Glas- oder Keramikpartikel, die durch Plasmaspraying erzeugt wurden, verwendbar. Das Schutzgas 11 verhindert die Entflammung bzw. thermisch/chemische Reaktionen der Wärmepufferlösung. Durch die Öffnung 13 wird die Hitze des Umgebungsgases und/oder das Mikrowellenplasma abgeschirmt.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Beschichtung eines Substrates 1 unter Einwirkung eines nichtthermischen Plasmas 4 unter Atmosphärendruck gemäß Figur 3 weist die Vorrichtung insbesondere auch eine Aufnahmeeinrichtung mit einem Aufnahmebereich zur Aufnahme des zu beschichtenden Substrats 1 , eine Emissionseinrichtung zur Emission eines Wärmeträgers 7 in Richtung des das Substrat 1 aufnehmenden Aufnahmebereichs, die mindestens einen Öffnungsabschnitt 13 aufweist, welcher für den Wärmeträger 7 durchlässig ausgestaltet ist, und eine Plasmazu- führungseinrichtung 8 zur Zuführung eines nichtthermischen Plasmas 4 zu dem das Substrat 1 aufweisenden Aufnahmebereich, auf, wobei der Öffnungsabschnitt 13 auf der der Aufnahmeeinrichtung zugewandten Seite der Emissionseinrichtung angeordnet ist, sowie die Emissionseinrichtung und die Plasmazuführungseinrichtung 8 relativ zur Aufnahmeeinrichtung so angeordnet sind, dass die Zuführung des nichtthermischen Plas- mas 4 in den sich zwischen der Emissionseinrichtung und der Aufnahmeeinrichtung erstreckenden Raum erfolgt.
In Figur 4 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer Einrichtung zur Bereitstellung von Wärmeträgern dargestellt. Die Einrichtung gemäß Figur 4 weist eine Quelle 9 in der Ausgestaltung einer elektrodischen Kanüle für die Elektrodenspray-Ionisation auf, wobei die elektrodische Kanüle - vorzugsweise an einer der Gegenelektrode 15 abgewandten Seite - ein elektrisches Potential P1 besitzt. Diese Kanüle ist hitzefest ausgestaltet, für die Aufbewahrung einer Analytiösung zur Bereitstellung des Wärmeträgers 7 eingerichtet und weist vorzugsweise mindestens ein metallisches Material auf. Die Einrichtung weist ferner die Gegenelektrode 15 mit einem elektrischen Potential P2 auf, wobei zur Bereitstellung des Wärmeträgers 7 eine elektrische Spannung zwischen P1 und P2 angelegt wird (nicht eingezeichnet). Erfindungsgemäß ist ferner ein Dielektrikum 16, vorzugsweise aufweisend Quarz, vorgesehen, welches insbesondere die ein elektrisches Potential P3 aufweisende Spule 10 und/oder die Gegenelektrode 15 mindestens teilweise verdeckt, sodass eine Wechselwirkung zwischen dem Wärmeträger 7 und der Spule 10 und/oder dem Wärmeträger 7 und der Gegenelektrode 15 im Wesentlichen vermieden wird.
Wird eine elektrische Spannung zwischen P1 und P2 angelegt, so kann sich in der Analytiösung im Innern der Kanüle 12 ein elektrisches Feld ausbilden, wodurch sich in der Analytiösung befindliche Ionen entsprechender Polarisation elektrophoretisch auf die Gegenelektrode zubewegen können und sich am unteren Ende der Quelle 9 akkumulieren können. Aufgrund der Akkumulation von Ionen gleicher Polarität am unteren Ende der Quelle 9 kann sich aufgrund von elektrostatischer Abstoßung zwischen diesen Ionen ein sogenannter Taylor-Kegel herausbilden, durch welchen es einem Wärmeträger 7 ermöglicht wird als sehr feines Aerosol aus der Kanüle 9 in Richtung der Gegenelektrode 15 auszutreten. Feinste Wärmeträger 7, welche den genannten Taylor-Kegel verlassen, bewegen sich im Wesentlichen entlang des sich erstreckenden elektrischen Feldes in Richtung der Gegenelektrode 15 und können so die Öffnung 13 der äußeren Strö- mungsbarriere 12 passieren.
Erfindungsgemäß ist dabei insbesondere vorgesehen, dass die Potentialdifferenz zwischen P1 und P3 möglichst gering ist, sodass sich das elektrische Feld im Innenbereich des Dielektrikums 16 im Wesentlichen parallel zur Verbindungslinie zwischen der Quelle 9 und der Gegenelektrode 15 erstreckt. Auf diese Weise kann es ermöglicht werden, dass ein möglichst großer Anteil des Wärmeträgers 7 zur Öffnung 13 der äußeren Strömungsbarriere 12 gelangt.
Erfindungsgemäß ist dabei ferner insbesondere vorgesehen, dass die Dicke des Dielekt- rikums 16 an einem ersten Ort, an welchem es den Wärmeträger 7 von der Gegenelektrode 13 separiert, weniger dick ausgestaltet ist als an einem zweiten Ort, an welchem es den Wärmeträger 7 von der Spule 10 separiert. Besonders bevorzugt ist hierbei vorgesehen, dass das Dielektrikum 16 an dem zweiten Ort mindestens doppelt so dick ausgestaltet ist als an dem ersten Ort. Auf diese Weise kann eine möglichst geringe Schwä- chung des sich zwischen Quelle 9 und der Gegenelektrode 15 erstreckenden elektrischen Feldes erzielt werden.
Zur Wärmepufferung
In einem ersten Ausführungsbeispiel erfolgt eine Glasbeschichtung von Holz. Hierzu wird eine SiOx- und/oder M-|Ox -, M2Ox2-, MNOxn-haltige Dispersion (mit M= Metall, Halbmetall oder Erdalkalimetall; Index M1 2 N steht für jeweils unterschiedliche Stoffe M; Index
Ox1 , steht für jeweils spezifische Sauerstoffanteile) (im folgenden kurz MOx-
Dispersion genannt), die im Rahmen der Sol-Gel-Technik hergestellt werden kann, aufgetragen. Die MOx-Dispersion nimmt einen Großteil der Wärmemenge von Partikeln o- der Tropfen in der Größenordnung von mehreren 10 nm bis wenige 100 pm ohne Überschreitung der Siedetemperatur des Lösungsmittels der Dispersion bis zum vollständigen Verdampfen derselben auf. Die anzuwendende Dispersion kann eine Kombination unterschiedlicher Anteile verschiedener MOx bzw. Mox(R) beinhalten. Durch die MOx- Dispersion erfolgt eine Verteilung der Wärmebelastung, so dass eine ausreichende loka- le Abkühlung bis zum erneuten Auftreffen der Wärmeträger (Tropfen/ angeschmolzene Partikel) ermöglicht und das Holz unterhalb seiner kritischen Temperatur behandelt wird. Insbesondere wird in der Anwendung die thermische Ausdehnung der Sole / des Gels / der Vorschicht durch die Verwendung einer angepassten Mischung von Präkursoren, die in Ihrer porösen Feststruktur einen ähnlichen Wäremausdehnungskoeffizienten besitzen, dem speziellen Glas angepasst.
Durch eine geeignete Zusammensetzung der Glasschmelze, z.B. einem Glaslot, wird ein erniedrigter Schmelzpunkt erreicht. Die angewendete Dispersion nimmt dann neben der Rolle des Wärmepuffers auch die Rolle eines Haftvermittlers ein.
In einer Zwischenphase wird die Dispersion durch die thermische Energie in einen Gei- Zustand (zwischen Sole/Dispersion und fester Struktur) überführt. Ein weiterer Teil der Wärmeenergie wird zur weiteren Phasenumwandlung vom Gel zum Festkörper auf- genommen. Dies führt zu einer Abkühlung des Wärmeträgers, ohne dass das Substrat durch den entsprechenden Wärmeanteil der jeweiligen Phasenumwandlung erhitzt wird.
Um den direkten Kontakt des auftreffenden Wärmeträgers mit dem Substrat zu verhindern, kann das Verfahren zur Sol-Gel-Synthese nach der DE-Patentanmeldung DE 1020121 1 1710.1 angewendet werden. Es wird im Vorfeld eine Gelschicht aus einer auf das Substrat 1 aufgetragenen Dispersion erzeugt, die aufgrund der erhöhten Viskosität gegenüber einer reinen Sole/Dispersion den direkten Kontakt des auftreffenden Wärmeträgers mit dem Substrat verhindert. Dieses verwendete Verfahren zur Sol-Gel-Synthese beinhaltet eine Niedertemperaturplasmabehandlung eines mit einer Sole/Dispersion getränkten Substrates und führt zwischenzeitlich zu einer Gelbildung.
Ebenso kann das Verfahren zur Sol-Gelsynthese nach der DE-Patentanmeldung DE 1020121 1 1710.1 zur Erzeugung einer zum Beispiel festen glasartigen Isolierschicht als thermischer Schutz genutzt werden (Figur 1 ).
Auf einer solchen, vor der thermischen Beschichtung aufgetragenen, thermischen Schutzschicht, die zum einen die Sauerstoffzufuhr zum Substrat unterdrückt und damit gegebenenfalls die kritische Substrattemperatur (hinsichtlich einer Zerstörung) erhöht und zum anderen einen bestimmte Wärmemenge aufnimmt, kann wiederum die Wärme- pufferung mit einem Gel und/oder einer Sole/Dispersion realisiert werden (Figur 1 ). Für die stoffliche Zusammensetzung der wärmepuffernden Dispersion können alle, (also nicht nur SiOx,-haltige) dem Sol-Gel-Verfahren zuzuordnenden Lösungen bzw. Stoffgemische, angewendet werden. Ebenso sind auch Hydrogele, die beispielsweise für die Herstellung von Wasserglas verwendet werden, als Wärmepuffer geeignet. Der Materialauftrag kann sich vom Glas unterscheiden (bspw. Keramik). Damit werden auch ande- re Schichten, außer denen aus Glas bestehenden, möglich.
Zur Dimensionierung der lokalen Wärmemenge
Die Dimensionierung und Dosierung der lokalen Wärmemenge erfolgt durch Spray-, Spinn- bzw. Zerstäubungsverfahren der Schmelze. Die Wärmemenge der Schmelztrop- fen wird durch eine entsprechende Tropfengröße im ausreichenden Maße gegenüber der Kapazität der Wärmepufferung der Dispersion bzw. vorbeschichteten Substratoberfläche dosiert.
Die Schmelztropfen treffen lokal verstreut und voneinander getrennt in einem zeitlichen Abkühlrahmen auf dem zu beschichtenden Substrat auf. So entstehen lediglich lokale Spannungen (geringe thermische Ausdehnungsdifferenz zwischen Substrat und erstarrtem Schmelztropfen), die nach Abkühlung mit einem Kontakt eines weiteren Wärmeträgers wieder etwas relaxieren und sich wiederum nur in Tröpfchengröße ausprägen. Somit bleiben die Spannungen nur lokal, geringer und in leicht gewölbter Form. Es ist all- gemein bekannt, dass kleine Glaskugeln, die aus der Schmelze heraus stark abgekühlt werden, eine höhere Belastbarkeit gegenüber schwach gekühlten haben, da die entstehenden Spannungen (Abkühlung und Zusammenziehen ist in der äußeren Schicht am stärksten) die Oberflächenbelastbarkeit erhöhen. Damit ist die Gefahr der Rissbildung gegenüber einer flächigen Schmelzbeschichtung in einem Schritt gebannt.
Zur feinen Dimensionierung der Tropfengröße und/oder der Schmelztropfengröße eignet sich besonders das Elektrosprayverfahren, in welchem sich am Ende der Kanüle in einem elektrischen Feld ein Taylorkegel ausbildet und von dem sich wiederum ein Faden (Jet) in der Stärke von mehreren 10 bis einigen 100 nm löst, der zu weiteren Tröpfchen zerfällt. Damit ist die Wärmemenge über die Größe sehr klein sowie fein regulierbar und kann der Verdampfungswärme bzw. Wärmepufferkapazität der entsprechenden Menge der Dispersion bzw. Dicke der Wärmeschutzschicht angepasst werden. Die Wärmemenge ist im Wesentlichen proportional zum Volumen der Tropfen oder der Fäden, falls die- ses gleich temperiert ist.
Es werden reine Glasschichten in einer Schichtdicke aufgebracht, die beispielsweise die Griffigkeit des Holzes nicht beeinflusst. Andere Schichtdicken sind auch möglich. Durch Einbringen von Partikeln zur Strukturierung der Oberfläche in einer Größenordnung, die den Lotuseffekt hervorruft, kann einen Selbstreinigungseffekt erzeugt werden. Mit Ti02- Nanopartikeln wird beispielsweise ein UV-Schutz und zusätzlich eine photokatalytische antimikrobielle Wirkung (z.B. Ti02-Anatas) realisiert. Alle anderen UV- strahlungsabsorbierenden Partikel sind ebenso verwendbar. Hat die Schmelze eine spezielle Zusammensetzung durch BOx-, MgOx-, TiOx-, POx-, MOx-Anteile, wird bei einer ausreichend dicken Schicht ein Flammschutz erhöht. Anschließend können alle etablierten bzw. möglichen Verfahren zur Funktionalisierung von Glas- bzw. Keramikschichten angewendet werden. Für eine Verwendung von oberflächenangeschmolzenen Partikeln, beispielsweise aus Glas, Metalloxiden oder Keramik, kann zu deren Anschmelzung eine Mikrowelle, ein Brenner oder ein thermisches Plasma (induktiv gekoppelt oder Lichtbogen) oder ein anderes geeignetes Verfahren benutzt werden, welches im vorgesehenen Schmelzzeitraum eine ausreichende Wärmemenge zum vollständigen Schmelzen bzw. Oberflächen- anschmelzen bereitstellt. Oberflächenangeschmolze Partikel treffen auf die Oberfläche, dort erstarrt ihre flüssige Randschicht und sie haften sich so an.
Zur Gestaltung eines geeigneten Wärmeleitfähigkeitsgradienten im Bereich der Substratoberfläche
Die Ausbildung eines Gels auf dem Substrat stellt eine sehr starke Wärmeleitfähigkeitsbarriere ähnlich der Aerogele dar. Das Lösungsmittel puffert in den Zwischenräumen des Gel-Netzwerkes mit seiner Verdampfungsenthalpie zusätzlich eine entsprechende Wärmemenge. Die Temperatur der Ionen und Neutralteilchen des Niedertemperaturplasmas liegt bei Raum- bzw. Trägergastemperatur. Das Brennen des Niedertemperaturplasmas direkt über dem Substrat führt in dem Brennbereich zu stark erhöhter Wärmeleitfähigkeit. Dadurch wird die Wärmeabfuhr vom Substrat stark beschleunigt und es wird eine Plas- marandschicht mit einer entsprechenden Elektronendichte auf dem Substrat erzeugt. Bei nichtleitenden Materialien bleibt eine Widerstandserwärmung durch das Plasma aus. Der Plasmazündbereich kühlt in diesem Fall die lokal heißen Bereiche der Wärmeträger nach Erstarren in der Sole oder dem Gel. Die Trägergastemperatur kann zur Erhöhung des Temperaturgradienten zwischen Wärmeträger und Plasma zusätzlich gekühlt werden.
Die hohe Elektronendichte auf dem Substrat bzw. seiner thermischen Schutzschicht verleiht diesem direkt auf der Oberfläche eine hohe Elektronenwärmeleitfähigkeit. Dadurch relaxiert ein lokal hoher Wärmebereich eines gerade auftreffenden Wärmeträgers unmittelbar tangential über dem Substrat, wodurch sich die Fläche für den Wärmeaustausch über die Plasmarandschicht mit dem Plasma erhöht.
Im zeitlichen Verlauf betrachtet wird in der Summe dieser wesentlichen Wärmeleiteffekte der überwiegende Teil der Wärme vom Substrat weggeleitet, noch ehe er das Substrat erreicht.
Hinsichtlich der Wärmestrahlung sei erwähnt, dass diese zwar proportional zur 4. Potenz der Temperatur ist, doch da diese physikalische Größe sehr schnell reduziert wird, ist deren Einfluss auf den kleinen Zeitbereich höherer Temperatur beschränkt und damit ebenso stark reduziert.
Zur Gestaltung des Zusammenspiels des Wärmepuffers, der Wärmedosierung und der Erzeugung eines Wärmeleitfähigkeitsgradienten
Je nach thermischer Belastung (Schmelztemperatur) bzw. Belastbarkeit (kritische Substrattemperatur) kann zum Erfolg des Verfahrens der beschriebene Wärmepuffer und/oder die beschriebene Wärmemengendosierung und/oder die plasmagestützte Erzeugung eines Wärmeleitfähigkeitsgradienten benutzt werden. Zusätzliche Optionen
Für die Plasmakühlung kann ein geeigneter Strömungskanal entlang der Oberfläche geschaffen werden. Dieser wird durch eine Strömungsbarriere 12 in Form einer Platte oder einer anderen Form parallel/tangential zum Substrat 1 realisiert. Die Strömungsbarriere 12 enthält mindestens eine Öffnung 13 (vorzugsweise ein Spalt) in einer Größenordnung, die die Strömung nicht wesentlich beeinflusst. Die Wärmeträger 7 werden in einer Quelle 9 erzeugt, welche sich in einer Zuführeinrichtung 14 befindet, in der auch eine Spule 10 angeordnet ist, und durch ein Schutzgas 1 1 zu der Öffnung 13 in der Strömungsbarriere 12 geleitet. Vorzugsweise werden die Wärmeträger im Wesentlichen durch Sputtern unter Verwendung eines Mikrowellenplasmas oder durch Ultraschallzerstäuben erzeugt. Vorzugsweise weist die Quelle 9 eine Sputtereinrichtung und eine Mik- rowellenplasmabereitstellungseinrichtung auf, wobei die Sputtereinrichtung unter Zuführung von einem Mikrowellenplasma der Mikrowellenplasmabereitstellungseinrichtung zur Bereitstellung des Wärmeträgers 7 in gesputterter Ausgestaltung eingerichtet ist. Durch die Öffnung 13 können die Wärmeträger 7 auf das Substrat 1 gelangen. In Figur 3 ist das Prinzip dargestellt. Das Substrat 1 wird gegenüber dem Plasma 4 und dem Strömungskanal parallel bewegt.
Auch ohne Strömungskanal - also bei einer einfachen Plasmabehandlung im entspre- chenden Substratbereich - ist das Verfahren möglich, es wird aber mehr Trägergas benötigt.
In der Flugbahn von der Quelle 9 wird der Wärmeträger 7 hin zum Substrat 1 durch ein induktives Wechselfeld einer Spule 10 und/oder durch ein Mikrowellenplasma geheizt.
Das verwendete Trägergas oder Gas ist vorzugsweise ein Schutzgas 1 1 (Argon, Stickstoff, Helium), da die verdampfenden Lösungsmittel unter anderem alkoholischer Natur (Alkogele), und damit leicht entflammbar sind. Deshalb ist auch der Raum um die Öffnung 13 bzw. entlang der Flugbahn mit einem Schutzgas 11 (vorzugsweise Argon und/oder Helium) zu füllen.
Anstelle der Tropfen können auch Schmelzspinnfäden auf dem Substrat 1 abgelegt werden. Dies erhöht die Abriebsfestigkeit jeweils parallel zum Faden. Die Schmelzspinnfäden können in einer Ausführung des Verfahrens so gelegt werden (bspw. über Kreuz), dass hinsichtlich der Benetzbarkeit mit Wasser ein Oberflächenprofil mit hydrophoben Eigenschaften entsteht.
Oberflächenstrukturierungen nach dem Prinzip einer Haifischhaut können durch geziel- tes lokales Positionieren der Wärmeträger zur Optimierung von Strömungseigenschaften im Wasser nach/während des Aufbringens der eigentlichen Schicht realisiert werden.
In einer weiteren Ausführung des Verfahrens werden Metalle mit einer speziellen Glasschicht nachhaltig versiegelt. Dafür wird auf der Metalloberfläche eine wärmepuffernde dünne Gel- und/oder Solschicht erzeugt/aufgebracht. Bei Benutzung des Elektro- sprayverfahrens kann das Substrat selbst als Gegenelektrode verwendet werden. Hier wird die Tröpfchengröße den thermischen Ausdehnungskoeffizienten angepasst. Interessant sind in diesem Zusammenhang Oberflächenstrukturierungen, wie die Haifischhaut, speziell für den Schiffbau.
Die Oberfläche kann mit einem Plasmaverfahren vorbehandelt (geätzt, beschichtet etc.) werden, um eine vorteilhafte Benetzung des Substrates mit einer Dispersion/Sole (Oberflächenprofil und chemische/elektrische Modifizierung) zu erreichen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur thermischen Beschichtung eines thermisch zu schützenden, insbe- sondere temperatursensitiven, Substrats (1 ) durch Wärmeableitung durch a) ein nichtthermisches Plasma (4) und/oder durch b) Wärmepufferung in thermodynamischen Phasenübergängen einer Dispersion und/oder eines Gels und/oder einer Glas- und/oder glasartigen Schicht.
2. Beschichtungsverfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeträger (7) über eine äußere Strömungsbarriere (12) mit mindestens einer Öffnung (13) dem Substrat (1 ) zugeführt wird und gleichzeitig und/oder anschließend mit einem nichtthermischen Plasma-Jet (8) behandelt wird, wobei das Plasma (4) unterhalb der Strömungsbarriere (12), insbesondere auf einer der Zuführung des Wärmeträgers (7) abgewandten Seite der Strömungsbarriere (12), wirkt.
3. Beschichtungsverfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeträger (7) a) aus einer Glasschmelze in Form von Tropfen oder Fäden mit einem Durchmesser von mehreren 10 nm bis mehreren 100 μιη oder b) aus oberflächenange- schmolzenen Glas- oder Keramikpartikeln besteht und/oder c) geschmolzene Tropfen oder Partikel mit einem Ligninanteil aufweist, welche vorzugsweise aus Lignin bestehen und/oder d) Bestandteile aus dem nichtthermischen Plasma (4) aufweist.
4. Beschichtungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Bestandteile aus dem nichtthermischen Plasma (4) im Wesentlichen gepulst und/oder zeitgesteuert erfolgt, insbesondere unter Verwendung eines Mikrowellenplasmas.
5. Beschichtungsverfahren nach mindestens einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der einen Ligninanteil aufweisenden Tropfen oder Partikel unter Zufügung von Wärmeenergie, insbesondere im Wesentlichen durch ein Mikrowellenplasma, erfolgt.
6. Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der Wärmeträgers (7) im Wesentlichen durch Sputtern unter Verwendung eines Mikrowellenplasmas oder durch Ultraschallzerstäuben erzeugt wird und/oder das Erzeugen durch ein Elektronenspray erfolgt.
7. Beschichtungsverfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass poröse Materialien oder nichtporöse Materialien, vorzugsweise Holz oder Naturfasern oder Beton oder Metalle oder Strohplatten beschichtet werden.
8. Beschichtungsverfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass für die Beschichtung Partikel der Dispersion zur a) Oberflächenstrukturierung und/oder b) Flammhemmung beigefügt werden, wobei zur Flammhemmung insbesondere Magnesiumoxid oder Magnesiumcarbonat verwendet werden.
9. Beschichtungsverfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur thermischen Beschichtung durch Wärmepufferung die eine Dispersion und/oder das eine Gel und/oder die eine Glas- und/oder glasartigen Schicht Fasern mindestens einer Substanz aufweist, insbesondere im Wesentlichen Carbonfasern und/oder Basaltfasern.
10. Beschichtungsverfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur thermischen Beschichtung durch Wärmepufferung das Gel zuvor durch Einwirkung des nichtthermischen Plasmas (4) auf eine Sole oder Dispersion erzeugt wird und wobei diese Sole oder Dispersion vorzugsweise durch Zerstäubung aufgebracht wird.
11. Beschichtungsverfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das an dem nichtthermischen Plasma (4) anliegende elektromagnetische Feld, insbesondere dessen Intensität und/oder Orientierung, während des Beschichtungsvor- gangs verändert wird.
12. Verwendung des nach dem Beschichtungsverfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 1 1 hergestellten, insbesondere beschichteten, Substrats (1 ) als Grund- läge für weitere Beschichtungen mit einer höheren Schmelztemperatur, um stärker belastbare Flammschutzschichten aufzubauen.
13. Vorrichtung zur Beschichtung eines Substrats (1 ), unter Einwirkung eines nicht- thermisches Plasmas (4) unter Atmosphärendruck, dadurch gekennzeichnet, dass eine äußere Strömungsbarriere (12) mit mindestens einer Öffnung (13) unterhalb einer Quelle (9) für einen Wärmeträger (7) angeordnet ist und ein nichtthermisches Plasma (4) in einem Zwischenraum, insbesondere auf einer der Quelle (9) abgewandten Seite der Strömungsbarriere (12), zwischen einem Substrat (1) und der Strömungsbarriere (12) wirkt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass ein Plasma-Jet (8) so angeordnet ist, dass er in dem Zwischenraum zwischen dem Substrat (1 ) und der Strömungsbarriere (12), insbesondere auf einer der Quelle (9) abgewandten Seite der Strömungsbarriere (12), wirkt.
15. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 13 oder 14 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeträger (7) in einer Zuführeinrichtung (14) erzeugt wird, welche die Quelle (9), eine Spule (10), ein Schutzgas (1 1) und vorzugsweise ein Mikrowellenplasma enthält.
16. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 14 oder 15, wobei der Plasma-Jet (8) zur Emission eines kalten Plasmas eingerichtet ist, welches sich a) zum Temperieren des Wärmeträgers (7) und/oder b) zur Beeinträchtigung der Bewegung des Wärmeträgers (7) eignet.
17. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei die Quelle (9) eine Sputtereinrichtung und ein Mikrowellenplasmabereitstellungseinrichtung aufweist, wobei die Sputtereinrichtung unter Zuführung von einem Mikrowellenplasma der Mikrowellenplasmabereitstellungseinrichtung zur Bereitstellung des Wärmeträgers (7) in gesputterter Ausgestaltung eingerichtet ist.
18. Vorrichtung zur Beschichtung eines Substrats (1) unter Einwirkung eines nichtthermischen Plasmas (4) unter Atmosphärendruck, aufweisend: eine Aufnahmeeinrichtung mit einem Aufnahmebereich zur Aufnahme des zu beschichtenden Substrats (1 ),
eine Emissionseinrichtung zur Emission eines Wärmeträgers (7) in Richtung des das Substrat (1) aufnehmenden Aufnahmebereichs, die mindestens einen Öffnungsabschnitt (13) aufweist, welcher für den Wärmeträger (7) durchlässig ausgestaltet ist, und eine Plasmazuführungseinrichtung (8) zur Zuführung eines nichtthermischen Plasmas (4) zu dem das Substrat (1 ) aufweisenden Aufnahmebereich
dadurch gekennzeichnet, dass
der Öffnungsabschnitt (13) auf der der Aufnahmeeinrichtung zugewandten Seite der Emissionseinrichtung angeordnet ist, und
die Emissionseinrichtung und die Plasmazuführungseinrichtung (8) relativ zur Aufnahmeeinrichtung so angeordnet sind, dass die Zuführung des nichtthermischen Plasmas (4) in den sich zwischen der Emissionseinrichtung und der Aufnahmeeinrichtung erstreckenden Raum erfolgt.
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