NO853741L

NO853741L - Fremgangsmaate for belegning.

Info

Publication number: NO853741L
Application number: NO853741A
Authority: NO
Inventors: Erno Nagy De Nagybacson; Alan Copland Paterson
Original assignee: Tribohesion Ltd
Priority date: 1984-01-24
Filing date: 1985-09-24
Publication date: 1985-11-05
Also published as: FI853667L; WO1985003244A1; EP0169229A1; FI79476B; FI853668A0; FI853667A0; JPS61501374A; US4741918A; FI853668L; DK430785A; DK430785D0; BR8504918A; KR850700221A; AU3887785A; GB8401838D0; ZA85579B; EP0152204A2; NO853740L; EP0152203A1; FI79475B

Abstract

Et substrat belegges med et Jbeleggmaterial ved at. -hovedsakelig-tørre, separate partikler av beleggmaterialet gnis over og mot overflaten av substratet med en tilstrekkelig grad av energitilførsel slik at de bringes til å sitte fast. Foretrukket bæres partiklene på overflaten av en myk, ettergivende polerskive som roterer tilstrekkelig hurtig til å gi periferihastigheter på fra 2 til 200 m/s. Eksempler på beleggmaterialer inkluderer metaller, metalloksyder og plastmaterialer.

Description

Fremgangsmåte for beleqninq

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for avsetning av tynne filmer av beleggmaterial på et substrat og vedrører også substrater med påførte tynne filmbelegg.

Tynne filmer har et enormt varierende område for industrielle anvendelser. F.eks. anvendes tynne filmer av gull, sølv og krom for dekorative formål, tynne filmer av aluminium og nikkel-bor har vært anvendt for korrosjons-beskyttelse og tynne filmer av magnesiumfluorid, aluminium-oksyd og silisiumoksyd har alle vært anvendt som ikke-reflekterende belegg for optiske linser.

Kirk-Othmer's "Encyclopaedia of Chemical Technology",

3. utgave (1980), bind 10, sidene 247 - 283 beskriver følgende typer av prosesser for avsetning av tynne filmer:

A. Avsetning av filmer fra oppløsning

1. Elektrolyttisk avsetning - katodiske og anodiske fi Imer.

2. Kromat-omdannelses-belegg.

3. Plettering uten elektrisitet.

4.Polymere belegg.

B. Vakuum- avsetning av filmer

1. Fordampning av uorganiske materialer.

2. Fordampningsbelegning med polymerer.

3. Damp-fase-polymerisering.

4. Sputtering (belegning ved hjelp av høy-energi-partikler).

5. R-f sputtering av polymerer.

6. Ultra-fiolett bestråling, fotopolymerisering.

C. Avsetning av filmer ved qass- utladning

D. Avsetning av filmer ved atmosfære- trykk

1. Metall-organisk avsetning.

2. Elektron-stråle-polymerisering.

3. Gamma-stråling.

4. UV-faststoff-polymerisering.

Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en

fremgangsmåte for avsetning av tynne filmer som ikke faller innenfor noen av de ovennevnte kategorier. Fremgangsmåten har anvendelse for en lang rekke substrater og beleggmaterialer og frembringer en type av tynn film som antas å være enestående.

Den foreliggende oppfinnelse er basert på den uventede erkjennelse at tynne filmer med hittil ikke oppnådde egenskaper kan fremstilles enkelt ved å gni små partikler av belegg-material (som f.eks. kobber) med tilstrekkelig kraft over og mot overflaten av et substrat (f.eks. en glassplate). De foretatte undersøkelser har vist at den binding som oppnås mellom kobberbelegget og glass-substratet i det ovennevnte eksempel ikke bare var resultatet av mekanisk fastsitting mellom kobberet og mikroskopiske ujevnheter på overflaten av substratet, men er en helt annen type av binding som bare oppnås ved eller utover visse kritiske grenser for energi-tilførsel. Dette ble påvist ved et forsøk hvor kobberpartikler ble gnidd over overflaten av glass ved hjelp av en roterende polerskive mens den kraft hvormed skiven ble presset mot glasset gradvis ble øket. Målinger av friksjonskraften som virker på glasset (dvs.

den kraft som virker på glasset i en retning tangentialt med omkretsen av skiven) ga et meget uventet resultat. Det ble funnet at friksjonskraften øket gradvis og generelt i forhold til belastningen på glasset, inntil en kritisk belastning ble nådd. Ved dette punkt økte friksjonskraften meget markert med bare en liten økning i den utøvede belastning. Det var bare ved og utover denne grense at kobber ble avsatt på glasset. Hvis bindingen mellom kobber-

belegget og substratet bare hadde vært resultat av mekanisk fastsitting ville det ha vært forventet at belegningsgraden ville ha øket gradvis med den utøvede belastning.

Det antas derfor at kobberbelegget som beskrevet i det foregående er helt uten slektskap med hensyn til karakteren av den type av belegg som kan dannes ved å trekke et forholdsvis mykt material tvers over en mikroskopisk eller makroskopisk ru overflate, slik at fragmenter av det myke material fastholdes mekanisk i sprekker eller på mikroskopiske fremspring i eller på den belagte overflate. Eksempler på slike mekanisk fastsittende belegg er dem som oppnås når voksarter påføres tre, grafitt eller papir, og når kobber påføres jern eller stål som beskrevet i US patentskrift nr. 826.628.

Den nøyaktige natur av den kobber/glass-binding som oppnås ved forsøkene beskrevet i det foregående er ikke fullstendig forstått. Det ansees imidlertid at de kritiske betingelser med skivetrykk og periferi-hastighet representerer de betingelser som er nødvendig for å fjerne forurensninger fra overflaten av substratet og å fremby friske kobberpartikler overfor den rensede overflate før fornyet forurensning kan opptre. I den ytterst korte tidsperiode som overflaten forblir uforurenset tenkes overflatemolekylene på en eller annen måte å være aktivert og meget receptive for et hvilket som helst molekyl hvormed de kan komme i kontakt.

En mulig alternativ mekanisme er at under de meget høye energi-betingelser som oppnås ved grenseflaten mellom partikkelen av beleggmaterial og substratet dannes en intim molekylær blanding eller kompleks mellom beleggmaterialet og materialet i substratet, analog med en metall-legering, uten hensyn til at de to materialer ikke normalt ville danne en legering med hverandre.

En lignende mekanisme med filmdannelse som den første mekanisme som er antydet ovenfor er tilsynelatende omhandlet i US patentskrift nr. 2.640.002. I innførings-avsnittene av dette patentskrift foreslås det at "an atomic bond can be created between a metallic coating and a metallic substrate by dry tumbling the metallic substrate, crushed iron shot or the like, and metal dust (such as zink dust) in a barrel". Det antas imidlertid at den binding som faktisk oppnås er av ren mekanisk karakter på grunn av at det i det nevnte US patentskrift nr. 2.640.002 sies at det er nødvendig for pletteringsmekanismen at overflaten av substratet er tilstrekkelig ru.

Andre eksempler på belegg som dannes ved gnidning av et beleggmaterial over overflaten av et substrat finnes også innen den tidligere teknikk. F.eks. lærer US patentskrift nr. 2.284.590 en fremgangsmåte for påføring av et plastmaterial på en krum overflate og mer spesielt en fremgangsmåte for påføring av et belegg av polyvinylalkohol eller polyvinylacetal på en lyskasterlinse. Fremgangsmåten går ut på å gni et belte av plastmaterial over overflaten av substratet inntil et belegg dannes. Det antas imidlertid at mekanismen for filmdannelse i dette tilfelle også er ganske forskjellig fra mekanismen med filmdannelse ved fremgangsmåten i henhold til den foreliggende oppfinnelse. For det første indikerer US patentskrift nr. 2.284.590 at fremgangsmåten kan utøves ved enkelt å gni substratet med en masse av polyvinylalkohol som holdes i hånden til operatøren. I motsetning hertil er det ved oppfinnelsen funnet at den kraft som er nødvendig for å avsette et belegg ved fremgangsmåten i henhold til den foreliggende oppfinnelse er mange ganger så stor (f.eks. fra 10 til 100 ganger) som den kraft som kan oppnås manuelt. For det annet foreslår US patentskrift nr. 2.284.590 at belegg-mekanismen innbefatter en omfattende smelting av PVA-beletet mens fremgangsmåten i henhold til den foreliggende oppfinnelse er blitt funnet anvendelig ved dannelse av belegg av materialer som har smeltepunkter vesentlig over smeltepunktet for PVA, f.eks. materialer med smeltepunktet på 300°C eller mer. og mer spesielt materialer med smeltepunkter over 500°C. I noen tilfeller er det funnet at belegg kan dannes ved anvendelse av materialer med smeltepunkter over 800°C og enndog over 1000°C. Det er meget bemerkelsesverdig at fremgangsmåten i henhold til den foreliggende oppfinnelse har vært anvendt for å oppnå belegg av materialer som spaltes før smelting eller som normalt ikke ansees å ha noe smeltepunkt, f.eks. diamant. For det tredje er læren i US patentskrift nr. 2.284.590 at smelting alene er tilstrekkelig til å bevirke en binding mellom plastfilmen og substratet, mens derimot fremgangsmåten i henhold til den foreliggende oppfinnelse er blitt funnet å være anvendelig ved dannelse av fastsittende belegg på substrater hvortil beleggmaterialet normalt ikke vil klebe, endog i smeltet tilstand.

En ytterligere type av belegg som omhandles innen den tidligere teknikk som oppnås ved gnidning er den som er omhandlet i US patentskrift nr. 3.041.140. Dette patentskrift lærer dannelse av ikke-reflekterende belegg på glass-linser ved å gni meget fine pulvere av silika under anvendelse av et lett trykk. Det antas på nytt at mekanismen for filmdannelse i dette tidligere patentskrift er helt uten slektskap med mekanismen for filmdannelse ved fremgangsmåten i henhold til den foreliggende oppfinnelse. For det første er de energier som behøves for tildannelse av de tidligere kjente belegg svært mye mindre enn dem som typisk anvendes ved fremgangsmåten i henhold til den foreliggende oppfinnelse. For det annet er den foreliggende oppfinnelse blitt funnet å være anvendelig ved tildannelse av belegg enndog på substrater for hvilke beleggmaterialet normalt ikke ville bli ansett å ha noen kjemisk affinitet.

Som notert ovenfor er det funnet at belegg av et enormt område av materialer kan avsettes enkelt ved gnidning med tilstrekkelig kraft og tilstrekkelig hastighet over overflaten av det ønskede substrat. I hvert tilfelle er det iakttatt det samme fenomen med at belegget avsettes og friksjonen øker sterkt ved eller over et kritisk punkt for energitilførselen. Følgelig betyr uttrykket "kritisk punkt for energitilførsel" som anvendt heri den energitilførsel ved hvilken disse fenomener iakttas.

I hvert tilfelle er videre det belegg som dannes meget tynt, men ikke dessto mindre meget fastsittende, har ikke-kornformet utseende og er hovedsakelig fritt for mikroporer. Selv i tilfeller når beleggmaterialet hadde et meget høyt smeltepunkt hadde belegget et karakteristisk "påsmurt" utseende under elektromikroskopering med høy forstørrelse, idet dette antyder plastisk deformasjon av partiklene av beleggmaterial ved tidspunktet for filmdannelsen.

De belegg som dannes ved fremgangsmåten i henhold til

den foreliggende oppfinnelse har et antall viktige egenskaper. For det første er de meget tynne, idet tykkelsen er mindre enn 3 mikrometer. Mer vanlig er de vesentlig tynnere enn dette, idet de ofte har tykkelse mindre enn 500 nm og ofte mindre enn 200 nm. Typiske filmtykkelser er fra 1 til 100 nm, f.eks. fra 5 til 50 nm.

Et høyst uvanlig trekk ved fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen er at i mange tilfeller har de belegg som frembringes derved en effektiv selvbegrensende tykkelse, i den forstand at beleggene når de først er dannet, generelt ikke vil øke i tykkelse selv når mer av det samme belegg-pulver gnis over overflaten.

En annen egenskap av filmene som dannes ved fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen er at de kan være hovedsakelig ikke-porøse og dette er meget uvanlig for slike tynne belegg.

Enda en ytterligere egenskap av beleggene tildannet ved fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen er at de er hovedsakelig fri for hulrom. Dette er i markert motsetning til de belegg som dannes ved hjelp av mange tidligere kjente metoder som f.eks. sputtering.

Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer således en fremgangsmåte for belegning av et substrat med et belegg-material, omfattende at man gnir separate, hovedsakelig tørre partikler av beleggmaterialet over overflaten av substratet med tilstrekkelig kraft og med tilstrekkelig hastighet i forhold til overflaten til at beleggmaterialet bringes til å avsette seg på overflaten av substratet i en fastsittende, hovedsakelig ikke-mikroporøs, ikke-kornformet tynn film. Sagt på en annen måte tilveiebringer oppfinnelsen en fremgangsmåte for belegning av et substrat med et beleggmaterial, omfattende at man gnir separate, hovedsakelig tørre partikler av beleggmaterialet over overflaten av substratet med en grad av energitilførsel som er større enn den kritiske grad av energitilførsel som tidligere definert.

I samsvar med et ytterligere trekk ved oppfinnelsen tilveiebringes det et substrat hvorpå det er avsatt et tynt, sterkt fastsittende, ikke-kornformet, hovedsakelig ikke-mikroporøst påsmurt belegg.

Påføringen av beleggmaterialet på substratet med den nødvendige grad av energitilførsel kan oppnås ved å bombardere det påtenkte substrat med partikler av beleggmaterialet understøttet på overflaten av større partikler av det samme eller et annet ettergivende material som f.eks. kork, f.eks. ved hjelp av en pusseskive. Bærerpartiklene kan kastes mot overflaten som skal behandles ved medrivning i en kold eller oppvarmet gass-stråle med høy hastighet. Alternativt kan bærepartiklene bringes til å vibrere akustisk (ultra-sonisk), magnetisk eller mekanisk mot et substrat.

Foretrukket gnis imidlertid partiklene av beleggmaterial mot overflaten av substratet ved hjelp av en påførings-innretning med en ettergivende overflate som er i glidende kontakt med substratet. Påføringsinnretningen kan f.eks. være en roterende påføringsinnretning som f.eks. en valse eller et hjul.

Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer følgelig også

et apparat for belegning av et substrat ved hjelp av den nevnte metode, idet apparatet omfatter en bærer for substratet, en roterende påføringsinnretning anordnet til å ligge an mot et substrat som understøttes av den nevnte bærer, innretninger for å avgi en tilførsel av hovedsakelig tørre partikler av beleggmaterial på overflaten av påføringsinnretningen, eller på substratet, eller begge deler, og innretninger for å rotere den roterende påføringsinnretning for å bringe dennes overflate til å gni de nevnte partikler mot substratet, hvorved substratet belegges med beleggmaterialet.

En spesielt foretrukket påføringsinnretning for bruk ved fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen er en polerskiver som brukes av gullsmeder. Passende polerskiver inkluderer dem som kan fåes fra W. Canning Material Limited, Great Hampton Street, Birmingham, England. Disse polerskiver omfatter generelt et flertall tekstilskiver som er klemt sammen på en måte som tillater at densiteten av tekstilstoffet ved periferien av skiven kan reguleres.

Som nevnt i det foregående kan beleggmaterial velges fra

en enorm varietet av materialer. F.eks. kan beleggmaterialet være en organisk polymer. Illustrerende eksempler inkluderer polyolefiner som f.eks. polyetylen, polypropylen, polybutylen og kopolymerer av disse, videre halogenerte polyolefiner som f.eks. fluorkarbonpolymerer, polyestere som polyetylentereftalat, vinylpolymerer som f.eks. polyvinylklorid og polyvinylalkohol, akrylpolymerer som f.eks. polymetylmetakrylat og polyetylmetakrylat, samt polyuretaner. Alternativt kan beleggmaterialet være et metall som f.eks. gull, sølv, platina, jern, aluminium,

krom eller tantal. Ytterligere eksempler på egnede beleggmaterialer inkluderer magnetiske oksyder som f.eks. magnetisk jernoksyd og magnetisk kromdioksyd, mineraler som kvarts, organiske og uorganiske pigmenter og endog slike materialer som diamant og kaolin. Ytterligere eksempler inkluderer metalloidelementer som fosfor,

silisium, germanium, gallium, selen og arsen, eventuelt dopet med andre materialer for å gi ønskede halvleder-egenskaper.

Om ønskelig kan blandinger av forskjellige typer av partikler også anvendes.

Produkter som kan fremstilles ved hjelp av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen inkluderer magnetiske opptaksmidler og elektriske komponenter med ledende, motstands- dielektriske eller halvledende lag derpå. Andre anvendelser inkluderer dannelse av beskyttende belegg, dekorative belegg, lim-belegg, heftgrunningsbelegg, lys- eller varme-absorberende belegg, lys- eller varme-reflekterende belegg, varmeledende belegg, gli-belegg, anti-glibelegg, anti-korrosjonsbelegg, anti-statiske belegg og endog abrasive belegg på substrater som metall, papir, glass, keramikk, tekstilstoffer og plastmaterialer. Ytterligere anvendelser av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen er angitt i britisk patentansøkning nr. 8401838, inngitt 24. januat 1984.

Partiklene av beleggmaterial vil vanligvis ha størrelse mindre enn 100 mikrometer. Den mest passende partikkel-størrelse vil imidlertid i noen grad avhenge av den kjemiske art av beleggmaterialet og av den fysikalske og kjemiske art av substratet. Vanligvis vil partiklene ha en maksimal diameter på mindre enn 50 mikrometer og mer vanlig en maksimal diameter mindre enn 30 mikrometer. Partiklene kan f.eks. ha en maksimal diameter fra 0,5 til

30 mikrometer, f.eks. fra 1 til 10 mikrometer.

Partiklene av beleggmaterial kan påføres overflaten av påføringsinnretningen i tørr tilstand, f.eks. i en gass-strøm, men det ansees ofte mer fordelaktig å tilføre partiklene til overflaten av påføringsinnretningene i form av en flytende dispersjon, idet slike dispersjoner er lette å kontrollere. Foretrukket er den dispergerende væske tilstrekkelig flyktig til at den nesten øyeblikkelig fordamper og etterlater partiklene i en hovedsakelig tørr tilstand. En passende dispergerende væske er triklortrifluoretan selv om andre lavtkokende halogenerte hydrokarboner også kan anvendes såvel som andre væsker som f.eks. vann.

Fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen kan anvendes

for belegning av nærmest et hvilket som helst substrat, uansett om dette er fleksibelt eller stivt, glatt eller har ru overflate. Det skal bemerkes at fremgangsmåten også kan anvendes med stor fordel for belegning av papir og vevede og ikke-vevede tekstilstoffer (enten av naturfibre som f.eks. cellulosefibre, eller syntetiske fibre som polyestere, polyolefiner, polyamider og substituert cellulose) og andre materialer av myk karakter.

Når substratet har en ujevn overflate, som f.eks. overflaten av et ikke-vevet tekstilstoff kan belegget være makroskopisk diskontinuerlig, ved at bare de høye punkter av substratet belegges med en tynn, fastsittende, hovedsakelig ikke-porøs film. Når slike substrater belegges ved hjelp av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen finnes det imidlertid at både mikro- og makro-hulrommene mellom og i fibrene fylles med løst kompaktert sub-partikkelformet material.

I tilfellet av visse forholdsvis lavtsmeltende beleggmaterialer kan det sub-partikkelformede material som samles i hulrommene på denne måte gjøres mer sammenhengende og vedheftende ved etterfølgende sintring eller smelting, f.eks. kortvarig oppvarming. Denne kortvarige oppvarming innbefatter at det belagte substrat føres gjennom et valsegap hvor minst en valse er oppvarmet til den ønskede temperatur for sintring eller smelting. Hvis substratet kan bli skadet ved langvarig å bli utsatt for denne temperatur må det belagte substrat føres gjennom så hurtig at det ikke bevirkes sviing eller annen strukturmessig skade. Jo tykkere avsetninger som det er ønskelig å sintre eller smelte, dessto lenger er oppholdstiden som er nødvendig i det oppvarmede valsegap. Det er derfor en naturlig begrensning på tykkelsen av sintrede eller smeltede belegg som kan tildannes på substrater som har tendens til termisk beskadigelse.

I visse tilfeller vil den ovenfor beskrevne fremgangsmåte for kortvarig sintring eller smelting ikke være egnet. Hvis f.eks. en plastmaterialbelagt pengeseddel oppvarmes hurtig under anvendelse av oppvarmede valser vil den forhøyede temperatur og trykk ved valsegapet for den oppvarmede valse bevirke at trykkfarge i de opphøyde billeddeler fremstilt ved hjelp av boktrykksprosessen mykner og flates ut. Det er følgelig i dette tilfelle best å anvende en ikke-kontakt varmekilde som f.eks. høy-intensitet-bestråling.

I de tilfeller hvor et belegg i samsvar med oppfinnelsen som kan sintres eller smeltes avsettes på en forholdsvis ujevn overflate utgjør den tynne film som dannes på de høye punkter av substratet en forankring hvortil ytterligere lag av beleggmaterial kan bindes ved konvensjonelle sintrings- eller smelte-prosesser.

Det innsees at arten av den foreliggende oppfinnelse er slik at den utelukker nøyaktig tallmessig angivelse av passende prosessbetingelser for tildannelse av film av et gitt material på et gitt substrat. Dette er på grunn av at belegg kan tildannes under anvendelse av en lang rekke prosessbetingelser som alle er avhengig av hverandre. Når således f.eks. en polerskive anvendes for å gni partikler av beleggmaterial over og mot substratet kan trykket som utøves av skiven, kontaktarealet mellom skiven og substratet, periferihastigheten av skiven og den relative hastighet mellom overflaten av skiven og substratet alle varieres. Endring av en hvilken som helst av disse parametre kan imidlertid kreve at en eller flere av de andre parametre innstilles for kompensering.

I tillegg behøver selvfølgelig ikke de betingelser som er egnet for tildannelse av et belegg av et gitt material på

et gitt substrat ikke være egnet for belegning av et annet substrat eller for belegning med et annet beleggmaterial.

I alle tilfeller vil imidlertid de passende prosessbetingelser lett kunne bestemmes av den fagkyndige på området, spesielt under hensyntagen til de retningslinjer og eksempler som er beskrevet heri.

Det er generelt funnet at jo mer ømfindtlig substratet er, dessto lavere er det trykk hvormed partiklene av belegg-material bør presses mot substratet for å unngå skade på dette. Således kan f.eks. et meget tynt ikke-vevet tekstilstoff belegges med plastmaterialer under anvendelse av en 30 cm diameter polerskive av mykt tekstilstoff ved å føre tekstilstoffet omkring polerskiven og utøve et svakt strekk (f.eks. fra 10 til 100 g/cm bredde av tekstilstoffet i avhengighet av dettes styrke). Med denne anordning er da faktisk det trykk hvormed skiven ligger an mot tekstilstoffet meget lav, f.eks. fra mindre enn 1 g/cm 2 til et fåtall g/cm 2. Disse lave trykk blir imidlertid kompensert ved det forhold at de enkelt partikler av beleggmaterial trekkes over en meget vesentlig lengde av det ikke-vevede tekstilstoff, som f.eks. fra 1/4 til 3/4 av omkretsen av skiven. I det nettopp beskrevne eksempel kan valsen passende roteres med 2000 omdr./min., mens den ikke-vevede tekstilstoff-bane trekkes gjennom med omtrent 10 m/min.

Når substratet er vesentlig mer robust, som f.eks. et papir med flatvekt 100 g/m 2 er en fordelaktig belegningsteknikk å føre substratet inn i gapet mellom en polerskive og en holdervalse. I dette tilfelle er den strekning som de enkelte partikler av beleggmaterial er i kontakt med substratet svært mye mindre (vanligvis fra 1 til 20 mm, f.eks. fra 2 til 10 mm) og vesentlig høyere trykk er derfor passende.

Passende vil det statiske trykk av valsen på substratet

være minst 100 g/cm 2 , foretrukket minst 200 g/cm 2 og mer

2 2 2 foretrukket fra 300 g/cm til 10 kg/cm , f.eks. 500 g/cm

til 2 kg/cm 2.

Når enda hårdere substrater til substrater som enda mindre lett kan skades anvendes kan det være fordelaktig å anvende enda høyere kontakttrykk mellom påføringsinnretningen og substratet. Det er f.eks. funnet at for beleggmaterialer med andre forholdsvis hårde materialer (som f.eks. metaller, metalloksyder, etc.) kan trykk pa mer enn 1 kg/cm 2 være passende. Dynamiske trykk på fra 2 til 100 kg/cm 2 anvendes oftest for denne type belegning, f.eks. fra 5 til 50 kg/cm 2.

Selv om de faktorer som bestemmer de passende arbeidsbetingelser for forskjellige substrater er ufullstendig forstått så vil det være klart at identifisering av passende betingelser for et gitt substrat bare er et spørsmål om forsøk og feil. Operatøren behøver bare å velge en belegningsteknikk som er passende for styrken og fleksibiliteten av angjeldende substrat og deretter øke påføringsinnretningstrykket og/eller påføringsinnretnings-hastigheten inntil det dannes et ønsket belegg.

Et antall utførelsesformer av oppfinnelsen skal nå beskrives spesielt med henvisning til de vedføyde tegninger hvori: Figur 1 illustrerer skjematisk en roterende påførings-innretning for gjennomføring av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen. Figur 2 viser skjematisk påføringsinnretningen som et apparat for anvendelse ved gjennomføring av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen, og Figur 3 viser skjematisk en form for apparat som er egnet for å bestemme den friksjonskraft som virker på et substrat når dette belegges ved hjelp av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen.

Apparatet vist i fig. 2 bæres inne i en metallramme med

slik vekt og dimensjoner at den kan motstå de belastninger og påkjenninger som det utsettes for under drift. En roterende drivenergienhet, i dette tilfelle en elektrisk motor (ikke vist) som kan gi rotasjonshastigheter med det dreiemoment som er nødvendig for operasjonen, er montert for å drive apparatet. I denne beskrivelse skal det bare betraktes belegning av en bevegelig bane med omtrent 20 cm bredde. Apparatet krever derfor også innretninger for å føre banen gjennom apparatet.

I midten av apparatet i det foreliggende eksempel er det anordnet to valser 10, 11 som danner et gap 12 hvorigjennom substratet 13 må passere. En av disse valser 10 er påføringsvalsen og den annen valse er holdervalsen 11. Holdervalsen roterer i samme retning som banen beveger seg. Påføringsvalsen drives og roteres slik at dens område i området ved valsegapet beveger seg i samme retning som banen, men ved en annen hastighet, eller i den motsatte retning, alt som angitt ved piler i fig. 2.

De to valser 10, 11 er montert inne i den samme valse på en slik måte at senterlinjene for deres akse kan beveges i forhold til hverandre og har den nødvendige evne til å kunne fastsettes i den ønskede stilling etter at det riktige valsegaptrykk er blitt innstilt.

Bortsett fra det smale segment av dens omkrets ved valsegapet og den nødvendige åpning hvorigjennom beleggmaterialet føres eller eventuelt overskudd som kan trekkes ut via en fleksibel ledning 14A, inneholdes påføringsinnretningen i et hus 14.

Beleggmaterialet kan tilføres påføringsinnretningen ved hjelp av hvilke som helst midler så lenge det partikkelformede material er i en tørr form når dette når valsegapet og det avsettes jevnt over flaten av påføringsinnretningen.

I det foreliggende eksempel anvendes en luftløs spreder 15 for å føre partiklene av beleggmaterial ved et dysetrykk på 33 kg/cm . Selv om partiklene i den ovennevnte luftløse spreder er dispergert i et løsningsmiddel som er "FREON TF" og er meget flyktig og tenkes å "fordampe" nesten fullstendig før partiklene treffer overflaten av påflringsinnretningen, er den foretrukne metode å påføre beleggmaterialet jevnt i en tørr partikkelformet tilstand. En fordel ved å anvende den tørre partikkelformede tilstand er å unngå anvendelse av løsningsmidler som ikke er attraktive av kommersielle og miljømessige grunner.

Den luftløse spreder er utstyrt med en brytermekanisme

(ikke vist) som drives av en kam som roteres med 38 omdr./ min. og har løfteknaster med en effektiv arbeidsperiode på 3° bue av kammen. Antallet av løftknaster som anvendes bestemmes av overflateruheten av substratet og/eller den mengde av partikkelformet material som det er ønskelig å avsette på substratet.

Sprederdysen innstilles til å frembringe et vifteformet sprøytemønster 16 hvori partiklene er jevnt fordelt når de kommer i kontakt med påføringsvalsen 10. Påføringsvalsen 10 og sprederkammen (ikke vist) er sammenknyttet ved overføring på en slik måte at med hver dusj av dysen mottar omtrent 1/4 av påføringsvalsens overflateareal langs sin omkrets en avsetning av beleggmaterial og 40 omdr. senere mottar påføringsinnretningen en annen dusj av material som skal treffe den annen kvadrant og så videre.

Påføringsinnretningen er fremstilt av ark av bomullstekstil 17 oppkuttet til skiver med 10 cm diameter med et hull i midten av hver skive med 2,5 cm. Disse bomullsskiver trekkes så inn på en gjenget stålaksel 18 med diameter 2,5 cm og fastholdes der ved hjelp av 6 mm tykke stålskiver 19 med diameter 8,9 cm til å danne en påføringsinnretning med

30 cm bredde. Skivene fastholdes i sin tur ved hjelp av passende muttere. Bomullsskivene kompakteres ved å stramme fastholdingsmutterne for å frembringe en densitet ved omkretsflaten av den kompakterte bomullsmasse i samsvar med det material som skal belegges. Det er funnet at ømfindtlige substrater krever bløtere skiver enn ettergivende substrater. Ved anvendelse av polyesterfilmer og andre omtålelige materialer ansees påføringsinnretningen å ha tilstrekkelig densitet for bruk på en polyesterfilm når den ikke kan komprimeres med mer enn 6 mm ved utøvelse av rimelig tommelfingertrykk.

Når en mykere påføringsinnretning er ønskelig kan det anvendes mellomliggende muttere 18 og skiver 20 på

akselen f.eks. for hver 1 til 2 cm langs lengden av påføringsinnretningen. Alternativt kan mutterne strammes ytterligere for å kompaktere bomullsarkene til en mer stiv masse.

Når en gang den riktige påføringsinnretningsdensitet er oppnådd blir den underkastet tilsliping ved at den drives ved høy hastighet mot holdervalsen hvis overflate er tett belagt med et ark av grovt slipematerial som f.eks. smergel-duk og som løper i retning motsatt omdreiningsretningen for påføringsinnretningen i 1 til 2 timer eller inntil det tidspunkt at det er frembragt en tilstrekkelig jevn overflate tilsvarende konturene av holdervalsen. Etter denne operasjon fjernes det grove slipematerial og avsetningsprosessen kan begynne.

I avhengighet av det substrat som skal belegges kan holdervalsen ha en ettergivende eller en hård overflate.

I fig. 3 er det vist en testrigg 60 montert på en fast horisontal overflate 62. Denne testrigg omfatter en bunndel 64 hvortil det er festet en arm 66, montert for dreinings-bevegelse omkring lageret 68. En ende 70 av armen 66 bærer en vekt 72 for å presse den annen ende 74 av armen 66 mot en filt-påføringsskive 76 (30 cm diameter x 5 cm). Påføringsskiven er roterbart montert på spindelen 78 og er forbundet til den elektriske motor 80 ved hjelp av en driv-

rem 82.

Virkemåten for testriggen er som følger:

En prøve 84 av det ønskede substrat settes inn mellom

armen 66 og påføringsskiven 76. Partikler av det ønskede beleggmaterial påføres den sylindriske overflate av skiven og denne drives med en vilkårlig valgt hastighet, f.eks. 3000 omdr./min. Den kraft hvormed påføringsskiven 76 ligger an mot prøven 84 økes gradvis ved å øke vekten 72. Friksjonskraften som virker på substratet i en retning tangentialt til skiven (dvs. ut fra papirplater i fig. 3) overvåkes kontinuerlig ved hjelp av strekklapper 86 (bare

en er vist) på hver side av armen 66 under anvendelse av en bærerfrekvensbro forbundet til en grafisk opptagsinnretning. Når belastningen på substratet er tilstrekkelig stort til at belegning kan finne sted øker plutselig den spenning som måles av strekklappene.

For kommersielle formål vil det vanligvis være ønskelig

å belegge substratet på en kontinuerlig basis ved å drive det forbi påføringsinnretningen. For dette formål kan det være ønskelig å modifisere apparatet i fig. 3 slik at det mer nøyaktig simulerer de dynamiske forhold ved en slik kontinuerlig prosess. Dette kan gjøres ved å bringe testriggen 60, eller i det minste armen 66 til å bevege seg i en retning tangentialt til skiven.

Oppfinnelsen skal nå ytterligere illustreres ved hjelp av følgende eksempler:

EKSEMPEL 1

En påføringsskive av hård fild (W. Canning Materials Ltd., 30,5 cm x 5,1 cm) ble anvendt for å gni partikler av polymetylmetakrylat (PMMA) over en glassplate under anvendelse av riggen i fig. 3. PMMA-partiklene hadde gjennomsnittlig diameter 5 mikrometer. Når påførings-

skiven roterte med 1700 omdr./min. ble en belastning på

7,5 kg hengt på armen funnet å være tilstrekkelig til å bevirke at et fastsittende belegg av PMMA ble avsatt på glasset. Filmen ble anslått å ha en tykkelse på mindre enn 20 nm og hadde et glatt utseende uten at noen mikroporer var synlige under elektronmikroskopering ved 2000 x og 12000 x forstørrelse.

Kontaktområdet mellom skiven og platen ble anslått å være omtrent 0,4 til 0,5 cm 2 og det tilsynelatende dynamiske valsetrykk anslåo s derfor å o være omtrent 8,5 kg/cm 2.

EKSEMPEL 2

Prosedyren i eksempel 1 ble gjentatt med unntagelse av at glassplaten ble ført på tvers av påføringsskiven med en hastighet fra 0,1 til 10 cm/sek. Det ble funnet at tilfredsstillende belegg fremdeles ble dannet, men høyere valsetrykk ble funnet å være ønskelige ved de høyere tverrhastigheter.

EKSEMPEL 3

Eksempel 1 ble gjentatt under anvendelse av 1 til 10 mikrometer diameter jernpulver i stedet for PMMA og ved økning av valsehastigheten til 3000 omdr./min. En belastning på 4 kg ble funnet å være tilstrekkelig til å bevirke at jernet ble avsatt i en film som ble bedømt å være 10 nm tykk. Elektronmikroskopering ved 2000 x og 12000 x forstørrelse viste at belegget hadde det påsmurte, ikke-mikroporøse, ikke-kornformede utseende som er karakteristisk for belegg påført i samsvar med oppfinnelsen.

EKSEMPEL 4

Eksempel 3 ble gjentatt under anvendelse av 0,5 til 20 mikrometer diameter kobberpartikler i stedet for jernpulver. En belastning på 5 kg ble funnet å være tilstrekkelig til å bevirke belegning med påføringsskiven roterende med 3000 omdr./min., men en belastning på 7 kg var nødvendig ved 2 640 omdr./min.

I hvert tilfelle hadde belegget en anslått tykkelse på mindre enn 25 nm.

EKSEMPEL 5

Eksempel 3 ble gjentatt under anvendelse av aluminiumoksyd-pulver (partikkelstørrelse 1 til 10 mikrometer).

Belegning ble oppnådd ved en påføringsskive-belastning på

3 kg.

EKSEMPEL 6

Eksempel 3 ble gjentatt under anvendelse av diamantstøv (partikkelstørrelse mindre enn 1 mikrometer). Belegning skjedde ved den vanlige karakteristiske økning i friksjon mellom påføringsinnretningen og glasset ved en belastning på 4 kg.

EKSEMPEL 7

Den generelle prosedyre i eksempel 1 ble fulgt under anvendelse av en filt-påføringsskive med diameter 20,3 cm og tykkelse 3,2 cm til å påføre jernpulver på en polert aluminiumsplate. Et belegg med tykkelse mindre enn 25 nm ble oppnådd ved en belastning på 10 kg.

EKSEMPEL 8

Når produktet i dette eksempel ble oppvarmet i en flamme ble aluminiumet belagt med jern funnet å være markert mer motstandsdyktig overfor smelting enn ubelagt aluminium.

Eksempel 7 ble gjentatt under anvendelse av kobberpulver i stedet for jernpulver. Et belegg med anslått tykkelse mindre enn 25 nm ble oppnådd ved en belastning på 8 kg.

EKSEMPEL 9

Ubelagt, ulimt papir med flatevekt 105 g/m o (fremstilt av Tullis Russell) ble belagt med PMMA under anvendelse av en myk tekstilstoffskive (10 cm diameter x 30 cm) i apparatet i fig. 2. Det statiske trykk som ble utøvet av påførings-valsen ble anslått å være 0,8 kg/cm og valsen ble rotert ved 1600 omdr./min. Papirbanen ble tilført gapet mellom påføringsvalsen og holdervalsen med en hastighet på 10 m/min. Tilfredsstillende belegg ble også oppnådd både ved høyere

og lavere banehastigheter, f.eks. fra 0,1 til 100 m/min.

Den samtidige ansøkning med tittel "Fremgangsmåte for belegning med PTFE" viser ytterligere eksempler på egnede arbeidsbetingelser for tildannelse av belegg på substrater. Mens den nevnte samtidige ansøkning vedrører utelukkende PTFE-belegg vil de arbeidsparametre som er eksemplifisert deri også være anvendelige for dannelse av andre plast-materialbelegg innenfor rammen av den foreliggende oppfinnelse.

Det forståes at den foreliggende oppfinnelse bare er beskrevet på basis av eksempler og detaljmodifikasjoner kan gjøres uten å komme utenfor rammen for oppfinnelsen.

Claims

1. Fremgangsmåte for belegning av et substrat med et annet material enn PTFE, karakterisert ved å gni separate hovedsakelig tørre partikler av beleggmaterialet over og mot overflaten av substratet med tilstrekkelig kraft og med tilstrekkelig hastighet i forhold til den nevnte overflate til at materialet bringes til å avsette seg på overflaten av substratet i en fastsittende film.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at partiklene gnis over overflaten av substratet ved hjelp av en påføringsinnretning med en ettergivende overflate som er i glidende kontakt med substratet.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 2, karakt e ;;r isert ved at påf øringsinnretningen er en roterende påføringsinnretning.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 1-3, karakterisert ved at partiklene har diameter mindre enn 100 mikrometer.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 1-4, karakterisert ved at substratet er en tråd, filament, rør eller fleksibel bane.

6. Et substrat, karakterisert ved at det er påført en fastsittende hovedsakelig ikke-porøs film med et ikke-kornformet utseende ved forstørrelser på minst 2000 x og 12.000 x, idet filmen er mindre enn 3 mikrometer tykk.

7. Apparat for belegning av et substrat ved hjelp av fremgangsmåten som angitt i krav 1-5, karakterisert ved at det omfatter en understøttelse for substratet, en roterende påføringsinnretning anordnet til å ligge an mot et substrat som bæres på den nevnte understøttelse, innretninger for å avgi en forsyning av hovedsakelig tørre partikler av et beleggmaterial på overflaten av påføringsinnretningen eller av substratet eller begge deler, og innretninger for å rotere den roterende påføringsinnretning for å bevirke at dennes overflate gnir de nevnte partikler mot substratet, hvorved substratet belegges med beleggmaterialet.

8. Fremgangsmåte for belegning av et substrat med et beleggmaterial, karakterisert ved at hovedsakelig tørre separate partikler av beleggmaterialet gnis over og mot overflaten av substratet med en grad av energitilførsel som er lik eller større enn den kritiske energitilførselsgrad som definert tidligere.