WO2009156390A1 - Method and device for applying a coating, in particular a self-cleaning and/or antimicrobial, photocatalytic coating, onto a surface - Google Patents

Method and device for applying a coating, in particular a self-cleaning and/or antimicrobial, photocatalytic coating, onto a surface Download PDF

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WO2009156390A1
WO2009156390A1 PCT/EP2009/057799 EP2009057799W WO2009156390A1 WO 2009156390 A1 WO2009156390 A1 WO 2009156390A1 EP 2009057799 W EP2009057799 W EP 2009057799W WO 2009156390 A1 WO2009156390 A1 WO 2009156390A1
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WO
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precursor material
plasma jet
precursor
atomizer
plasma
Prior art date
Application number
PCT/EP2009/057799
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German (de)
French (fr)
Inventor
Christian Buske
Alexander Knospe
Thomas Beer
Kay Fehling
Original Assignee
Plasmatreat Gmbh
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Publication date
Application filed by Plasmatreat Gmbh filed Critical Plasmatreat Gmbh
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24Generating plasma
    • H05H1/26Plasma torches
    • H05H1/32Plasma torches using an arc
    • H05H1/42Plasma torches using an arc with provisions for introducing materials into the plasma, e.g. powder, liquid

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for applying a layer, in particular a self-cleaning and / or antimicrobial photocatalytic layer, to a surface in which an atmospheric plasma jet is generated by electrical discharge in a working gas and in which a precursor material is introduced separately from the working gas is, wherein the precursor material is introduced as an aerosol directly into the plasma jet.
  • a layer in particular a self-cleaning and / or antimicrobial photocatalytic layer
  • a method and apparatus for generating an atmospheric plasma jet i.
  • a plasma jet with an ambient pressure which is of the order of magnitude of the atmospheric pressure is known from EP 1 335 641 A1.
  • a working gas especially air, nitrogen, forming gas (mixture of nitrogen and hydrogen) or a noble gas, in particular argon or helium, passed through a channel in which by high voltage a plasma jet via an electrical discharge, i. a corona discharge and / or an arc discharge is generated.
  • the effect of plasma polymerization is preferably used.
  • a precursor material is introduced in liquid form directly into the plasma jet, there chemically and / or electronically excited, so that before, during or after the deposition of the excited precursor on a surface, a polymerization of the precursor begins.
  • Functionalized surfaces such as antimicrobial surfaces, often require the use of metal or semimetal organic precursors. These precursors often have a high sensitivity to hydrolysis, that is, they react chemically with water present before they reach the site of the intended process. This may limit or even prevent their applicability as precursors.
  • these precursors are often sensitive to oxidation, that is, they react with the oxygen in the air. This leads to unwanted solid reaction products of the precursor material and so also to a restriction or prevention of their applicability.
  • Plasma polymerization process in which metal or semimetal organic precursors are used the deposition of the material on the workpiece to be coated is therefore carried out under vacuum or at least at a greatly reduced atmospheric pressure in a dry environment to reduce the oxidation and agglomeration of precursors or . to prevent.
  • Atmospheric pressure can be performed.
  • Evaporation temperature can lead to decomposition of the precursor. Furthermore, the lance for the precursor supply of the device disclosed in EP 1 230 414 Bl is permanently opened, so that moisture and oxygen can penetrate.
  • the present invention is therefore based on the technical problem of providing a method and a device with which the application of a layer to a surface is improved.
  • Precursors which is high-boiling, moisture and / or oxidation sensitive. Oxidation and
  • Moisture sensitivity refers here to the property of the precursor to be partially oxidized or hydrolyzed before the precursor has reached the site of the intended process.
  • High-boiling means here precursors whose boiling temperatures are so high that introduction of the precursor into the plasma jet by evaporation without decomposition of the precursor is only conditionally or not possible.
  • the method described has the advantage that the energy of the plasma jet is uniformly transmitted to the precursor material due to the large surface area of the precursor material introduced as an aerosol. Due to the fact that the energy transferred from the plasma jet to the precursor material is initially expended for the evaporation of the aerosol particles, the energy available for exciting the precursor is also lower. This leads to milder conditions, in particular for plasma polymerization.
  • the precursor material through the milder conditions in the plasma jet fragmented weaker, that is, a larger proportion of the precursor material is available for the layer formation and at the same amount of precursor higher layer thicknesses can be achieved.
  • a smaller part of the carbon atoms bound in the precursor material is oxidized, so that layers with higher carbon contents can be applied.
  • the method is particularly suitable for the use of a metal or semimetal organic precursor material, preferably a titanium organic compound such as tetraisopropyl orthotitanate (Ti [OCH (CH 3) 2] 4) or tetra-n-butyl orthotitanate (Ti (OCH 2 CH 2 CH 2 CH 3) 4), since the thus applied semiconductor layers often have a photocatalytic effect.
  • a metal or semimetal organic precursor material preferably a titanium organic compound such as tetraisopropyl orthotitanate (Ti [OCH (CH 3) 2] 4) or tetra-n-butyl orthotitanate (Ti (OCH 2 CH 2 CH 2 CH 3) 4), since the thus applied semiconductor layers often have a photocatalytic effect.
  • the layered semiconductor and photocatalyst e.g., TiOx, preferably TiO2
  • the resulting reaction products such as hydroxyl radicals or hydrogen peroxide can chemically attack germ
  • a further advantageous embodiment of the method is achieved by the use of an organosilicon precursor material, in particular hexamethyldisiloxane (HMDSO) or tetraethyl orthosilicate (TEOS), for depositing an organosilicon layer, which is also used as an adhesion-promoting layer, in particular for a following applied photocatalytic layer can serve.
  • an organosilicon precursor material in particular hexamethyldisiloxane (HMDSO) or tetraethyl orthosilicate (TEOS)
  • HMDSO hexamethyldisiloxane
  • TEOS tetraethyl orthosilicate
  • Molecule groups but is introduced in droplet form in the plasma jet.
  • the energy transferred from the plasma jet to the precursor material is first used to evaporate the precursor and the energy available for excitation of the precursor is lower and, as a result, milder conditions for the plasma polymerization prevail. This can influence the degree of fragmentation of the molecules.
  • An advantageous embodiment of the method is the introduction of the precursor material by means of a spray nozzle, in particular a two-fluid nozzle, in which a liquid precursor penetrates through a small nozzle opening and is atomized by an atomizing gas passing through an atomizer nozzle.
  • the atomizing gas used is preferably a dry, inert gas, for example nitrogen.
  • An alternative embodiment of the method is the introduction of the precursor material by means of an ultrasonic atomizer, in which the precursor material strikes a high-frequency vibrating membrane and is thereby atomized.
  • the advantage of using a spray nozzle or an ultrasonic atomizer lies in the particularly fine and uniform particle or droplet size in the aerosol, so that a fast and uniform reaction of the precursor with the plasma jet is achieved.
  • the advantage of using a nebulizer nozzle is that the nozzle can be filled during the
  • an ultrasonic atomizer dispenses with the supply of a nebulizer gas, which above all simplifies a robot-controlled use of the process.
  • the droplet size in the aerosol can be influenced, for example to control the plasma polymerization conditions. Also, the flow may be on
  • Precursor material are controlled very accurately and the dosage of very small amounts of precursor is possible.
  • An advantageous embodiment of the device for applying a layer, in particular a self-cleaning and / or antimicrobial photocatalytic layer acting on a surface consists of a device for generating an atmospheric plasma beam through electrical discharge in a working gas and a
  • Feeding device for a precursor material This is spatially separated from the supply of the working gas and provides an atomizer for the introduction of the precursor material as an aerosol in the plasma jet.
  • An aerosol according to the invention is a mixture of precursor material and gas, wherein the particle size, that is, the particle or droplet size of the precursor is large compared to its molecular size but small compared to the extent of the plasma jet.
  • the device is not limited to a feeder or a precursor material in the context of the invention, but may each have a plurality of them.
  • a particularly advantageous embodiment of the device is achieved in that the atomizer is designed as a spray nozzle or as a Ultraschallzerstäuber, since so a particularly fine and uniform atomization is achieved.
  • the atomizer can be arranged both in the area of the nozzle opening and downstream of the nozzle.
  • the advantage of an atomizer arranged in the region of the nozzle opening lies in the highly directed introduction of the precursor material into the plasma jet.
  • the advantage with an arrangement of the atomizer downstream of the nozzle lies in the even milder conditions in the region of the plasma jet into which the precursor material is introduced.
  • the carbon content of the applied layer can be further increased.
  • layers can be produced which are in the visible range of the electromagnetic spectrum absorb and therefore avoid the use of UV light to activate the layer.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a device according to the invention for coating a surface, in which a precursor material is introduced as an aerosol in the region of the nozzle opening in the plasma jet,
  • FIG. 2 shows a second embodiment of a device according to the invention for coating a surface, in which a precursor material is introduced by means of a spray nozzle as an aerosol in the region of the nozzle opening in the plasma jet and
  • Fig. 3 shows a third embodiment of a device according to the invention for coating a surface, in which a precursor material by means of a Ultraschallzerstäubers as aerosol in
  • Area of the nozzle opening is introduced into the plasma jet.
  • FIG. 4 shows a fourth embodiment of a device according to the invention for coating a surface, in which a precursor material as Aerosol is introduced downstream of the nozzle opening in the plasma jet.
  • An apparatus for plasma coating 1 shown in FIG. 1 has a plasma source 2 and a mixing device 3.
  • the plasma source 2 has a nozzle tube 4 made of metal, which tapers conically to a nozzle opening 6.
  • a swirl device 8 At the nozzle opening 6 opposite end of the nozzle tube 4, a swirl device 8 with an inlet 10 for a working gas, for example, for nitrogen.
  • Partial wall 12 of the twisting device 8 has a ring of obliquely set in the circumferential direction of holes 14, through which the working gas is twisted.
  • the downstream, conically tapered part of the nozzle tube is therefore traversed by the working gas in the form of a vortex 16, whose core extends on the longitudinal axis of the nozzle tube.
  • an electrode 18 is arranged centrally, which protrudes coaxially in the direction of the tapered portion in the nozzle tube.
  • Electrode 18 is electrically connected to the intermediate wall 12 and the remaining parts of the twisting device 8.
  • the swirl device 8 is electrically insulated from the nozzle tube 4 by a ceramic tube 20.
  • a high-frequency high voltage is applied to the electrode 18, which is generated by a transformer 22.
  • the inlet 10 is connected via a hose, not shown, with a variable flow rate pressurized working gas source.
  • the nozzle tube 4 is grounded. Due to the applied voltage is a high frequency discharge in the
  • arc 24 is here as phenomenological description of the discharge used, since the discharge occurs in the form of an arc. However, the term “arc” is understood in DC discharge with substantially constant voltage values.
  • the mixing device 3 has a mixing tube 28, the wall of which has an opening 30 at one point into which an atomizer 32 is inserted with a precise fit.
  • a precursor feed 33 Connected to the atomizer 32 is a precursor feed 33, through which the precursor material passes into the atomizer 32 where it is atomized to form an aerosol.
  • the precursor material emerging from the atomizer 32 as aerosol 34 passes directly into the plasma jet 26. Therefore, the probability that the precursor material oxidizes before entering the plasma jet 26 or accumulates with water is low.
  • Particles are then partially ionized in the plasma jet 26 and with the plasma jet 26 from the mixing tube 28 through the Outlet opening 36 transported.
  • the aerosol particles reach the surface with the plasma jet, poly- or oligomerize if necessary and form a layer B.
  • a TiO x layer is formed having a structure having photocatalytic and antimicrobial properties.
  • a final heat treatment in the oven or another plasma or plasma jet treatment can be carried out in order to further improve the layer properties.
  • Fig. 2 shows a second embodiment of a device for plasma coating a surface.
  • the device has a plasma source 2 previously described with reference to FIG. 1 for generating a plasma jet 26 and a mixing device 3 'with the mixing tube 28 and an atomizing nozzle 40 in the region of the nozzle opening 6.
  • the wall of the mixing tube 28 has at one point an opening 30 ', in the exact fit the outlet side of the
  • Atomizer nozzle 40 is introduced.
  • the atomizer nozzle consists of a central tube 42 which tapers conically in the region of the opening 30 'to form a precursor outlet opening 44, a closure needle 46 arranged coaxially in the central tube 42 and a surrounding tube 48
  • the closure needle 46 has such a taper in the region of the opening 30 'that a closure of the precursor outlet opening 44 can be achieved by a movement of the closure needle 46 in the axial direction.
  • the surrounding tube 48 is conically tapered in the region of the opening 30, so that the atomizing gas outlet opening 49 emerging nebulizer gas is directed into the area in front of the precursor outlet opening 44.
  • a supply of precursor material, not shown, and a device for targeted movement of the closure needle 46 are connected in the axial direction.
  • a supply of nebulizer gas preferably dry nitrogen gas under pressure, not shown, so that the nebulizer gas can flow through the region 50 between the central and surrounding tubes.
  • the atomizing gas is directed to the region in front of the precursor outlet opening 44. Due to the negative pressure arising therefrom, precursor material is sucked out of the central tube 42 and atomized by the atomizing gas into an aerosol 34 when the precursor outlet opening 44 is not closed by the closure needle 46.
  • the aerosol 34 passes directly into the plasma jet 26. Therefore, the probability is low that the precursor material is oxidized or hydrolyzed before entering the plasma jet 26.
  • the aerosol particles are then vaporized in the plasma jet 26, partially ionized, electronically excited and fragmented and transported by the plasma jet 26 from the mixing tube 28 through the outlet opening 36.
  • Fig. 3 shows a third embodiment of a device for plasma coating a surface.
  • the device has a plasma source 2 previously described with reference to FIG. 1 for generating a plasma jet 26 and a mixing device 3 1 'with the mixing tube 28 and an ultrasonic atomizer 52 in the region of the nozzle opening 6.
  • the wall of the mixing tube 28 has at one point an opening 30 '', into which the outlet opening of an ultrasonic atomizer 52 is accurately inserted.
  • the ultrasonic atomizer consists of a vibratable membrane 54, a precursor supply 56 and a holder 58 for the precursor supply 56 and the membrane 54.
  • the membrane 54 can be excited by a device, not shown, to high-frequency oscillations.
  • a pump Connected to the precursor supply 56 is a pump, not shown, which pumps precursor material from a precursor source through the precursor supply 56.
  • the precursor material emerging from the opening 60 of the precursor feed 56 reaches the vibrating membrane 54 and is atomized to form an aerosol 34.
  • the aerosol 34 passes directly into the plasma jet 26. Therefore, the probability is low that the precursor material before entering the plasma jet 26 oxidizes or accumulates with water.
  • the aerosol particles are then in the
  • Plasma jet 26 partially ionized and transported with the plasma jet 26 from the mixing tube 28 through the outlet opening 36.
  • Fig. 4 shows a fourth embodiment of a
  • the apparatus comprises a plasma source 2 previously described with reference to FIG. 1 for generating a plasma jet 26 and an atomizer 32 'arranged downstream of the nozzle opening 6.
  • a plasma source 2 previously described with reference to FIG. 1 for generating a plasma jet 26
  • an atomizer 32 ' arranged downstream of the nozzle opening 6.
  • Connected to the atomizer 32 ' is a precursor feed 33', through which the precursor material passes into the atomizer 32 'where it is atomized to form an aerosol becomes.
  • the precursor material emerging from the atomizer 32 'as aerosol 34 passes into the plasma jet 26 generated in the plasma source 2 and leaving the nozzle opening 6 and is transported further with the plasma jet 26.

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Abstract

The invention relates to a method for applying a self-cleaning coating, in particular a self-cleaning and/or antimicrobial photocatalytic coating, onto a surface in which an atmospheric plasma stream is produced through electrical discharge in a working gas and in which a precursor material is introduced separate from the working gas, wherein the precursor material is introduced into the plasma stream directly as an aerosol. The invention also relates to a device for atmospheric plasma application of a coating onto a surface, comprising a plasma source (2) for producing a plasma stream (26) and a mixing device (3, 3', 3'') that provides for the introduction of a precursor material directly into the plasma stream as an aerosol (34).

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Aufbringen einer Schicht, insbesondere einer selbstreinigend und/oder antimikrobiell wirkenden photokatalytischen Schicht, auf eine Oberfläche Method and device for applying a layer, in particular a self-cleaning and / or antimicrobial photocatalytic layer, to a surface
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufbringen einer Schicht, insbesondere einer selbstreinigend und/oder antimikrobiell wirkenden photokatalytischen Schicht, auf eine Oberfläche, bei dem ein atmosphärischer Plasmastrahl durch elektrische Entladung in einem Arbeitsgas erzeugt wird und bei dem ein Precursormaterial getrennt vom Arbeitsgas eingebracht wird, wobei das Precursormaterial als Aerosol direkt in den Plasmastrahl eingebracht wird.The invention relates to a method and a device for applying a layer, in particular a self-cleaning and / or antimicrobial photocatalytic layer, to a surface in which an atmospheric plasma jet is generated by electrical discharge in a working gas and in which a precursor material is introduced separately from the working gas is, wherein the precursor material is introduced as an aerosol directly into the plasma jet.
Ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung eines atmosphärischen Plasmastrahls, d.h. eines Plasmastrahls mit einem Umgebungsdruck, der in der Größenordnung des Atmosphärendrucks liegt, ist aus EP 1 335 641 Al bekannt. Hierzu wird ein Arbeitsgas, vor allem Luft, Stickstoff, Formiergas (Mischung aus Stickstoff und Wasserstoff) oder ein Edelgas, insbesondere Argon oder Helium, durch einen Kanal geleitet, in dem durch Hochspannung ein Plasmastrahl über eine elektrische Entladung, d.h. eine Koronaentladung und/oder eine Bogenentladung, erzeugt wird.A method and apparatus for generating an atmospheric plasma jet, i. A plasma jet with an ambient pressure which is of the order of magnitude of the atmospheric pressure is known from EP 1 335 641 A1. For this purpose, a working gas, especially air, nitrogen, forming gas (mixture of nitrogen and hydrogen) or a noble gas, in particular argon or helium, passed through a channel in which by high voltage a plasma jet via an electrical discharge, i. a corona discharge and / or an arc discharge is generated.
Bei Beschichtungsverfahren mittels eines atmosphärischen Plasmastrahles wird vorzugsweise der Effekt der Plasmapolymerisation genutzt, wie sie in EP 1 230 414 Bl offenbart ist. Bei dieser Methode wird ein Precursormaterial in flüssiger Form direkt in den Plasmastrahl eingebracht, dort chemisch und/oder elektronisch angeregt, so dass vor, bei oder nach der Abscheidung des angeregten Precursors auf eine Oberfläche eine Polymerisation des Precursors einsetzt.In the case of coating processes using an atmospheric plasma jet, the effect of plasma polymerization, as disclosed in EP 1 230 414 Bl, is preferably used. In this method, a precursor material is introduced in liquid form directly into the plasma jet, there chemically and / or electronically excited, so that before, during or after the deposition of the excited precursor on a surface, a polymerization of the precursor begins.
Funktionalisierte Oberflächen, beispielsweise antimikrobiell wirkende Oberflächen, erfordern oft den Einsatz metall- oder halbmetallorganischer Precursoren. Diese Precursoren weisen oft eine hohe Hydrolyseempfindlichkeit auf, das heißt sie reagieren chemisch mit vorhandenem Wasser, bevor sie an den Ort des beabsichtigten Prozesses gelangt sind. Dies kann ihre Anwendbarkeit als Precursor einschränken oder sogar verhindern.Functionalized surfaces, such as antimicrobial surfaces, often require the use of metal or semimetal organic precursors. These precursors often have a high sensitivity to hydrolysis, that is, they react chemically with water present before they reach the site of the intended process. This may limit or even prevent their applicability as precursors.
Ferner sind diese Precursoren oft oxidationsempfindlich, das heißt sie reagieren mit dem Sauerstoff der Luft. Dies führt zu unerwünschten festen Reaktionsprodukten des Precursermaterials und so ebenfalls zu einer Einschränkung oder Verhinderung ihrer Anwendbarkeit .Furthermore, these precursors are often sensitive to oxidation, that is, they react with the oxygen in the air. This leads to unwanted solid reaction products of the precursor material and so also to a restriction or prevention of their applicability.
Bei herkömmlichen Plasmabeschichtungs- undIn conventional plasma coating and
Plasmapolymerisationsverfahren, bei denen metall- oder halbmetallorganische Precursoren verwendet werden, erfolgt die Abscheidung des Materials auf dem zu beschichtenden Werkstück daher unter Vakuum oder zumindest bei einem gegenüber dem Atmosphärendruck stark verminderten Druck in einer trockenen Umgebung, um die Oxidation und Verklumpung der Precursoren zu reduzieren bzw. zu verhindern.Plasma polymerization process in which metal or semimetal organic precursors are used, the deposition of the material on the workpiece to be coated is therefore carried out under vacuum or at least at a greatly reduced atmospheric pressure in a dry environment to reduce the oxidation and agglomeration of precursors or . to prevent.
Im Hinblick auf eine kostengünstige Beschichtung von Massenprodukten wäre ein Verfahren wünschenswert, das die bekannten Vorteile des Plasmabeschichtungs- und Plasmapolymerisationsverfahrens aufweist, dabei jedoch unterWith a view to cost-effective coating of mass products, a process would be desirable which would overcome the known advantages of plasma coating and plasma coating Plasma polymerization process, but under
Atmosphärendruck durchgeführt werden kann.Atmospheric pressure can be performed.
Das in EP 1 230 414 Bl offenbarte Verfahren zur Plasmabeschichtung und Plasmapolymerisation, das einenThe process for plasma coating and plasma polymerization disclosed in EP 1 230 414 Bl, which has a
Betrieb unter Atmosphärendruck ermöglicht, hat den Nachteil, dass das Precursormaterial vor der Einbringung in den Plasmstrahl verdampft werden muss. Dies schränkt das Verfahren auf die Verwendung von Precursoren ein, deren Siedepunkte unter 2300C liegen, da eine höhereOperation under atmospheric pressure has the disadvantage that the precursor material must be evaporated before being introduced into the plasma jet. This limits the process to the use of precursors whose boiling points are below 230 0 C, since a higher
Verdampfungstemperatur zur Zersetzung des Precursors führen kann. Weiterhin ist die Lanze zur Precursorzufuhr der in der EP 1 230 414 Bl offenbarten Vorrichtung dauerhaft geöffnet, so dass Feuchtigkeit und Sauerstoff eindringen können.Evaporation temperature can lead to decomposition of the precursor. Furthermore, the lance for the precursor supply of the device disclosed in EP 1 230 414 Bl is permanently opened, so that moisture and oxygen can penetrate.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen das Aufbringen einer Schicht auf eine Oberfläche verbessert wird.The present invention is therefore based on the technical problem of providing a method and a device with which the application of a layer to a surface is improved.
Dieses technische Problem wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.This technical problem is solved by a method with the features of claim 1. Further advantageous embodiments are specified in the subclaims.
Dadurch, dass ein atmosphärischer Plasmastrahl durch elektrische Entladung in einem Arbeitsgas erzeugt und das Precursormaterial vom Arbeitsgas getrennt als Aerosol direkt in den Plasmastrahl eingebracht wird, können unerwünschte chemische Reaktionen des Precursormaterials vor Eintritt in den Plasmastrahl wirkungsvoll verhindert werden. Das Verfahren ist besonders geeignet für die Verwendung einesCharacterized in that an atmospheric plasma jet generated by electrical discharge in a working gas and the precursor material separated from the working gas is introduced as an aerosol directly into the plasma jet, unwanted chemical reactions of the precursor material can be effectively prevented from entering the plasma jet. The method is particularly suitable for the use of a
Precursors, der hochsiedend, feuchtigkeits- und/oder oxidationsempfindlich ist. Oxidations- undPrecursors, which is high-boiling, moisture and / or oxidation sensitive. Oxidation and
Feuchtigkeitsempfindlichkeit bezeichnet hier die Eigenschaft des Precursors, teilweise oxidiert zu werden bzw. zu hydrolysieren, bevor der Precursor an den Ort des beabsichtigten Prozesses gelangt ist.Moisture sensitivity refers here to the property of the precursor to be partially oxidized or hydrolyzed before the precursor has reached the site of the intended process.
Hochsiedend bezeichnet hier Precursoren, deren Siedetemperaturen so hoch liegen, dass ein Einbringen des Precursors in den Plasmastrahl durch Verdampfen ohne Zersetzung des Precursors nur bedingt oder nicht möglich ist.High-boiling means here precursors whose boiling temperatures are so high that introduction of the precursor into the plasma jet by evaporation without decomposition of the precursor is only conditionally or not possible.
Das beschriebene Verfahren hat demnach den Vorteil, eine Verdampfung des Precursors zu vermeiden und durch eineThe described method thus has the advantage of avoiding evaporation of the precursor and by a
Zerstäubung zu ersetzen, so dass ein flüssiger Precursor nicht erhitzt werden muss. Durch das unmittelbare Einbringen des Aerosols in den Plasmastrahl wird außerdem die Kontaktzeit mit Luftsauerstoff und Luftfeuchtigkeit verringert und somit Oxidations- und Hydrolyseprozesse wirkungsvoll unterbunden.To replace atomization, so that a liquid precursor does not need to be heated. The direct introduction of the aerosol into the plasma jet also reduces the contact time with atmospheric oxygen and atmospheric moisture and thus effectively prevents oxidation and hydrolysis processes.
Weiterhin hat das beschriebene Verfahren den Vorteil, dass durch die große Oberfläche des als Aerosol eingebrachten Precursormaterials die Energie des Plasmastrahls gleichmäßig auf das Precursormaterial übertragen wird. Dadurch, dass die vom Plasmastrahl auf das Precursormaterial übertragene Energie zunächst für die Verdampfung der Aerosolpartikel aufgewendet wird, ist außerdem die zur Anregung des Precursors zur Verfügung stehende Energie geringer. Dies führt zu milderen Bedingungen, insbesondere für die Plasmapolymerisation. So wird das Precursormaterial durch die milderen Bedingungen im Plasmastrahl schwächer fragmentiert, das heißt ein größerer Anteil des Precursormaterial steht für die Schichtbildung zur Verfügung und bei gleicher Precursormenge können höhere Schichtdicken erzielt werden. Weiterhin wird ein geringerer Teil der im Precursormaterial gebundenen Kohlenstoffatome oxidiert, so dass Schichten mit höheren Kohlenstoffanteilen aufgebracht werden können.Furthermore, the method described has the advantage that the energy of the plasma jet is uniformly transmitted to the precursor material due to the large surface area of the precursor material introduced as an aerosol. Due to the fact that the energy transferred from the plasma jet to the precursor material is initially expended for the evaporation of the aerosol particles, the energy available for exciting the precursor is also lower. This leads to milder conditions, in particular for plasma polymerization. Thus, the precursor material through the milder conditions in the plasma jet fragmented weaker, that is, a larger proportion of the precursor material is available for the layer formation and at the same amount of precursor higher layer thicknesses can be achieved. Furthermore, a smaller part of the carbon atoms bound in the precursor material is oxidized, so that layers with higher carbon contents can be applied.
Das Verfahren ist insbesondere geeignet für die Verwendung eines metall- oder halbmetallorganischen Precursormaterials, vorzugsweise einer titan-organischen Verbindung wie Tetraisopropylorthotitanat (Ti [OCH (CH3) 2] 4) oder Tetra-n- butylorthotitanat (Ti (OCH2CH2CH2CH3) 4) , da die so aufgebrachten Halbleiterschichten häufig eine photokatalytische Wirkung aufweisen. Durch die Einstrahlung elektromagnetischer Wellen, vorzugsweise ultravioletter Strahlung oder Strahlung aus dem sichtbaren Spektrum, wird der als Schicht aufgebrachte Halbleiter und Photokatalysator (z.B. TiOx, vorzugsweise TiO2) elektronisch angeregt und kann so Redoxprozesse an der Oberfläche der Schicht induzieren. Die dabei entstehenden Reaktionsprodukte, wie Hydroxylradikale oder Wasserstoffperoxid können Keime und andere organische Moleküle (Fette, Öle) chemisch angreifen. Somit weist die Schicht eine aktiv antimikrobielle Wirkung auf.The method is particularly suitable for the use of a metal or semimetal organic precursor material, preferably a titanium organic compound such as tetraisopropyl orthotitanate (Ti [OCH (CH 3) 2] 4) or tetra-n-butyl orthotitanate (Ti (OCH 2 CH 2 CH 2 CH 3) 4), since the thus applied semiconductor layers often have a photocatalytic effect. By irradiation of electromagnetic waves, preferably ultraviolet radiation or visible spectrum radiation, the layered semiconductor and photocatalyst (e.g., TiOx, preferably TiO2) is electronically excited to induce redox processes at the surface of the layer. The resulting reaction products, such as hydroxyl radicals or hydrogen peroxide can chemically attack germs and other organic molecules (fats, oils). Thus, the layer has an active antimicrobial effect.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens wird durch die Verwendung eines siliziumorganischen Precursormaterials, insbesondere Hexamethyldisiloxan (HMDSO) oder Tetraethylorthosilikat (TEOS) , zum Abscheiden einer siliziumorganischen Schicht erreicht, die auch als haftvermittelnde Schicht, insbesondere für eine nachfolgend aufzubringende photokatalytische Schicht, dienen kann. DerA further advantageous embodiment of the method is achieved by the use of an organosilicon precursor material, in particular hexamethyldisiloxane (HMDSO) or tetraethyl orthosilicate (TEOS), for depositing an organosilicon layer, which is also used as an adhesion-promoting layer, in particular for a following applied photocatalytic layer can serve. Of the
Vorteil dieses Verfahrens unter Aerosolbildung anstelle eines Verdampfens des Precursormaterials liegt darin begründet, dass das Precursormaterial nicht wie bei einem Verdampfungsvorgang in einzelnen Molekülen bzw.The advantage of this method with aerosol formation instead of evaporation of the precursor material is due to the fact that the precursor material does not occur in individual molecules as in the case of an evaporation process.
Molekülgruppen sondern in Tröpfchenform in den Plasmastrahl eingebracht wird. Dies führt dazu, dass die vom Plasmastrahl auf das Precursormaterial übertragene Energie zunächst zur Verdampfung des Precursors verwendet wird und die zur Anregung des Precursors zur Verfügung stehende Energie geringer ist und dadurch mildere Bedingungen für die Plasmapolymerisation herrschen. Dadurch kann der Fragmentierungsgrad der Moleküle beeinflusst werden. So ist es möglich, kohlenstoffreiche siliziumorganische Schichten abscheiden zu können.Molecule groups but is introduced in droplet form in the plasma jet. As a result, the energy transferred from the plasma jet to the precursor material is first used to evaporate the precursor and the energy available for excitation of the precursor is lower and, as a result, milder conditions for the plasma polymerization prevail. This can influence the degree of fragmentation of the molecules. Thus, it is possible to be able to deposit carbon-rich organosilicon layers.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens ist das Einbringen des Precursormaterials mittels einer Zerstäuberdüse, insbesondere einer Zweistoffdüse, bei der ein flüssiger Precursor durch eine kleine Düsenöffnung dringt und von einem durch eine Zerstäuberdüse dringenden Zerstäubergas zerstäubt wird. Als Zerstäubergas wird vorzugsweise ein trockenes, inertes Gas, zum Beispiel Stickstoff, verwendet.An advantageous embodiment of the method is the introduction of the precursor material by means of a spray nozzle, in particular a two-fluid nozzle, in which a liquid precursor penetrates through a small nozzle opening and is atomized by an atomizing gas passing through an atomizer nozzle. The atomizing gas used is preferably a dry, inert gas, for example nitrogen.
Eine alternative Ausgestaltung des Verfahrens ist das Einbringen des Precursormaterials mittels eines Ultraschallzerstäubers, bei dem das Precursormaterial auf eine mit hoher Frequenz schwingende Membran trifft und dadurch zerstäubt wird. Der Vorteil bei der Verwendung einer Zerstäuberdüse bzw. eines Ultraschallzerstäubers liegt in der besonders feinen und gleichmäßigen Teilchen- bzw. Tröpfchengröße im Aerosol, so dass eine schnelle und gleichmäßige Reaktion des Precursors mit dem Plasmastrahl erreicht wird.An alternative embodiment of the method is the introduction of the precursor material by means of an ultrasonic atomizer, in which the precursor material strikes a high-frequency vibrating membrane and is thereby atomized. The advantage of using a spray nozzle or an ultrasonic atomizer lies in the particularly fine and uniform particle or droplet size in the aerosol, so that a fast and uniform reaction of the precursor with the plasma jet is achieved.
Weiterhin liegt der Vorteil bei der Verwendung einer Zerstäuberdüse darin, dass die Düse während desFurthermore, the advantage of using a nebulizer nozzle is that the nozzle can be filled during the
Nichtgebrauchs mechanisch verschlossen und so das Eindringen von Feuchtigkeit und Sauerstoff verhindert werden kann.When not in use, it can be mechanically closed to prevent the penetration of moisture and oxygen.
Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung eines Ultraschallzerstäubers liegt darin, dass auf die Zufuhr eines Zerstäubergases verzichtet werden kann, was vor allem einen Roboter-gesteuerten Einsatz des Verfahrens vereinfacht Weiterhin kann die Tröpfchengröße im Aerosol, beispielsweise zur Kontrolle der Plasmapolymerisationsbedingungen, beeinflusst werden. Auch kann der Durchfluss anAnother advantage of using an ultrasonic atomizer is that it dispenses with the supply of a nebulizer gas, which above all simplifies a robot-controlled use of the process. Furthermore, the droplet size in the aerosol can be influenced, for example to control the plasma polymerization conditions. Also, the flow may be on
Precursormaterial sehr genau geregelt werden und auch die Dosierung sehr geringer Precursormengen ist möglich.Precursor material are controlled very accurately and the dosage of very small amounts of precursor is possible.
Abgesehen von der Verwendung einer Zerstäuberdüse oder eines Ultraschallzerstäubers ist auch die Verwendung anderer Zerstäubervorrichtungen denkbar.Apart from the use of a spray nozzle or a Ultraschallzerstäubers and the use of other Zerstäubervorrichtungen is conceivable.
Das oben genannte technische Problem wird auch durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.The above-mentioned technical problem is also solved by a device having the features of claim 10. Further advantageous embodiments are specified in the subclaims.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung zum Aufbringen einer Schicht, insbesondere einer selbstreinigend und/oder antimikrobiell wirkenden photokatalytischen Schicht auf eine Oberfläche, besteht aus einer Vorrichtung zum Erzeugen eines atmosphärischen Plasmastrahls durch elektrische Entladung in einem Arbeitsgas und einerAn advantageous embodiment of the device for applying a layer, in particular a self-cleaning and / or antimicrobial photocatalytic layer acting on a surface, consists of a device for generating an atmospheric plasma beam through electrical discharge in a working gas and a
Zufuhreinrichtung für ein Precursormaterial . Diese ist räumlich von der Zufuhreinrichtung für das Arbeitsgas getrennt und sieht einen Zerstäuber für das Einbringen des Precursormaterials als Aerosol in den Plasmastrahl vor. Ein Aerosol im Sinne der Erfindung ist ein Gemisch aus Precursormaterial und Gas, wobei die Partikelgröße, das heißt die Teilchen- bzw. Tröpfchengröße des Precursors groß gegenüber seiner Molekülgröße aber klein gegenüber der Ausdehnung des Plasmastrahls ist.Feeding device for a precursor material. This is spatially separated from the supply of the working gas and provides an atomizer for the introduction of the precursor material as an aerosol in the plasma jet. An aerosol according to the invention is a mixture of precursor material and gas, wherein the particle size, that is, the particle or droplet size of the precursor is large compared to its molecular size but small compared to the extent of the plasma jet.
Die Vorrichtung ist im Rahmen der Erfindung nicht auf eine Zufuhreinrichtung bzw. ein Precursormaterial beschränkt, sondern kann jeweils mehrere davon aufweisen.The device is not limited to a feeder or a precursor material in the context of the invention, but may each have a plurality of them.
Eine besonders vorteilhafte Ausführung der Vorrichtung wird dadurch erreicht, dass der Zerstäuber als Zerstäuberdüse oder als Ultraschallzerstäuber ausgebildet ist, da so eine besonders feine und gleichmäßige Zerstäubung erreicht wird.A particularly advantageous embodiment of the device is achieved in that the atomizer is designed as a spray nozzle or as a Ultraschallzerstäuber, since so a particularly fine and uniform atomization is achieved.
Der Zerstäuber kann sowohl im Bereich der Düsenöffnung, als auch strömungsabwärts der Düse angeordnet sein. Der Vorteil eines im Bereich der Düsenöffnung angeordneten Zerstäubers liegt in der stark gerichteten Einbringung des Precursormaterials in den Plasmastrahl. Der Vorteil bei einer Anordnung des Zerstäubers strömungsabwärts der Düse liegt in den noch milderen Bedingungen in dem Bereich des Plasmastrahls, in den das Precursormaterial eingebracht wird. Dadurch lässt sich beispielsweise der Kohlenstoffgehalt der aufgebrachten Schicht weiter erhöhen. Dadurch können beispielsweise Schichten hergestellt werden, die im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums absorbieren und daher den Einsatz von UV-Licht zur Aktivierung der Schicht vermeiden.The atomizer can be arranged both in the area of the nozzle opening and downstream of the nozzle. The advantage of an atomizer arranged in the region of the nozzle opening lies in the highly directed introduction of the precursor material into the plasma jet. The advantage with an arrangement of the atomizer downstream of the nozzle lies in the even milder conditions in the region of the plasma jet into which the precursor material is introduced. As a result, for example, the carbon content of the applied layer can be further increased. As a result, for example, layers can be produced which are in the visible range of the electromagnetic spectrum absorb and therefore avoid the use of UV light to activate the layer.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigenFurther features and advantages of the present invention will be explained in more detail in the description of an embodiment, reference being made to the accompanying drawings. In the drawing show
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Beschichtung einer Oberfläche, bei der ein Precursormaterial als Aerosol im Bereich der Düsenöffnung in den Plasmastrahl eingebracht wird,1 shows a first embodiment of a device according to the invention for coating a surface, in which a precursor material is introduced as an aerosol in the region of the nozzle opening in the plasma jet,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Beschichtung einer Oberfläche, bei der ein Precursormaterial mittels einer Zerstäuberdüse als Aerosol im Bereich der Düsenöffnung in den Plasmastrahl eingebracht wird und2 shows a second embodiment of a device according to the invention for coating a surface, in which a precursor material is introduced by means of a spray nozzle as an aerosol in the region of the nozzle opening in the plasma jet and
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Beschichtung einer Oberfläche, bei der ein Precursormaterial mittels eines Ultraschallzerstäubers als Aerosol imFig. 3 shows a third embodiment of a device according to the invention for coating a surface, in which a precursor material by means of a Ultraschallzerstäubers as aerosol in
Bereich der Düsenöffnung in den Plasmastrahl eingebracht wird.Area of the nozzle opening is introduced into the plasma jet.
Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Beschichtung einer Oberfläche, bei der ein Precursormaterial als Aerosol stromabwärts der Düsenöffnung in den Plasmastrahl eingebracht wird.4 shows a fourth embodiment of a device according to the invention for coating a surface, in which a precursor material as Aerosol is introduced downstream of the nozzle opening in the plasma jet.
Eine in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung zur Plasmabeschichtung 1 weist eine Plasmaquelle 2 sowie eine Mischvorrichtung 3 auf. Die Plasmaquelle 2 weist ein Düsenrohr 4 aus Metall auf, das sich konisch zu einer Düsenöffnung 6 verjüngt. Am der Düsenöffnung 6 entgegengesetzten Ende weist das Düsenrohr 4 eine Dralleinrichtung 8 mit einem Einlass 10 für ein Arbeitsgas auf, beispielsweise für Stickstoff. EineAn apparatus for plasma coating 1 shown in FIG. 1 has a plasma source 2 and a mixing device 3. The plasma source 2 has a nozzle tube 4 made of metal, which tapers conically to a nozzle opening 6. At the nozzle opening 6 opposite end of the nozzle tube 4, a swirl device 8 with an inlet 10 for a working gas, for example, for nitrogen. A
Zwischenwand 12 der Dralleinrichtung 8 weist einen Kranz von schräg in Umfangsrichtung angestellten Bohrungen 14 auf, durch die das Arbeitsgas verdrallt wird. Der stromabwärtige, konisch verjüngte Teil des Düsenrohres wird deshalb von dem Arbeitsgas in der Form eines Wirbels 16 durchströmt, dessen Kern auf der Längsachse des Düsenrohres verläuft.Partial wall 12 of the twisting device 8 has a ring of obliquely set in the circumferential direction of holes 14, through which the working gas is twisted. The downstream, conically tapered part of the nozzle tube is therefore traversed by the working gas in the form of a vortex 16, whose core extends on the longitudinal axis of the nozzle tube.
An der Unterseite der Zwischenwand 12 ist mittig eine Elektrode 18 angeordnet, die koaxial in Richtung des verjüngten Abschnittes in das Düsenrohr hineinragt. DieOn the underside of the intermediate wall 12, an electrode 18 is arranged centrally, which protrudes coaxially in the direction of the tapered portion in the nozzle tube. The
Elektrode 18 ist elektrisch mit der Zwischenwand 12 und den übrigen Teilen der Dralleinrichtung 8 verbunden. Die Dralleinrichtung 8 ist durch ein Keramikrohr 20 elektrisch gegen das Düsenrohr 4 isoliert. Über die Dralleinrichtung 8 wird an die Elektrode 18 eine hochfrequente Hochspannung angelegt, die von einem Transformator 22 erzeugt wird. Der Einlass 10 ist über einen nicht gezeigten Schlauch mit einer unter Druck stehenden Arbeitsgasquelle mit variablem Durchsatz verbunden. Das Düsenrohr 4 ist geerdet. Durch die angelegte Spannung wird eine Hochfrequenzentladung in derElectrode 18 is electrically connected to the intermediate wall 12 and the remaining parts of the twisting device 8. The swirl device 8 is electrically insulated from the nozzle tube 4 by a ceramic tube 20. About the swirl device 8, a high-frequency high voltage is applied to the electrode 18, which is generated by a transformer 22. The inlet 10 is connected via a hose, not shown, with a variable flow rate pressurized working gas source. The nozzle tube 4 is grounded. Due to the applied voltage is a high frequency discharge in the
Form eines Lichtbogens 24 zwischen der Elektrode 18 und dem Düsenrohr 4 erzeugt. Der Begriff "Lichtbogen" wird hier als phänomenologische Beschreibung der Entladung verwendet, da die Entladung in Form eines Lichtbogens auftritt. Der Begriff "Lichtbogen" wird aber bei Gleichspannungsentladung mit im Wesentlichen konstanten Spannungswerten verstanden.Form of an arc 24 between the electrode 18 and the nozzle tube 4 is generated. The term "arc" is here as phenomenological description of the discharge used, since the discharge occurs in the form of an arc. However, the term "arc" is understood in DC discharge with substantially constant voltage values.
Aufgrund der drallförmigen Strömung des Arbeitsgases wird dieser Lichtbogen jedoch im Wirbelkern auf der Achse des Düsenrohres 4 kanalisiert, so dass er sich erst im Bereich der Düsenöffnung 6 zur Wand des Düsenrohres 4 verzweigt. Das Arbeitsgas, das im Bereich des Wirbelkerns und damit in unmittelbarer Nähe des Lichtbogens 24 mit hoher Strömungsgeschwindigkeit rotiert, kommt mit dem Lichtbogen in innige Berührung und wird dadurch zum Teil in den Plasmazustand überführt, so dass ein atmosphärischer Plasmastrahl durch die Düsenöffnung 6 aus der Plasmaquelle 2 in die im Bereich der Düsenöffnung angeordnete Mischvorrichtung 3 eintritt.Due to the swirling flow of the working gas, however, this arc is channeled in the vortex core on the axis of the nozzle tube 4, so that it branches off only in the region of the nozzle opening 6 to the wall of the nozzle tube 4. The working gas, which rotates in the region of the vortex core and thus in the immediate vicinity of the arc 24 with high flow velocity, comes into intimate contact with the arc and is thereby partly transferred to the plasma state, so that an atmospheric plasma jet through the nozzle opening 6 from the plasma source 2 enters the arranged in the nozzle opening mixing device 3.
Die Mischvorrichtung 3 weist ein Mischrohr 28 auf, dessen Wand an einer Stelle eine Öffnung 30 aufweist, in die passgenau ein Zerstäuber 32 eingelassen ist. An den Zerstäuber 32 ist eine Precursorzufuhr 33 angeschlossen, durch die das Precursormaterial in den Zerstäuber 32 gelangt und dort zu einem Aerosol zerstäubt wird.The mixing device 3 has a mixing tube 28, the wall of which has an opening 30 at one point into which an atomizer 32 is inserted with a precise fit. Connected to the atomizer 32 is a precursor feed 33, through which the precursor material passes into the atomizer 32 where it is atomized to form an aerosol.
Das aus dem Zerstäuber 32 als Aerosol 34 austretende Precursormaterial gelangt unmittelbar in den Plasmastrahl 26. Daher ist die Wahrscheinlichkeit gering, dass das Precursormaterial vor Eintritt in den Plasmastrahl 26 oxidiert bzw. sich mit Wasser anreichert. Die Aerosol-The precursor material emerging from the atomizer 32 as aerosol 34 passes directly into the plasma jet 26. Therefore, the probability that the precursor material oxidizes before entering the plasma jet 26 or accumulates with water is low. The aerosol
Partikel werden danach im Plasmastrahl 26 teilweise ionisiert und mit dem Plasmastrahl 26 aus dem Mischrohr 28 durch die Auslassöffnung 36 transportiert. Die Aerosolpartikel gelangen mit dem Plasmastrahl auf die Oberfläche, poly- oder oligomerisieren ggf. und bilden eine Schicht B aus. Bei Verwendung eines titanorganischen Precursors bildet sich beispielsweise eine TiOx-Schicht aus mit einer Struktur, die photokatalytische und antimikrobielle Eigenschaften hat. Optional kann eine abschließende Wärmebehandlung im Ofen oder eine weitere Plasma- bzw. Plasmastrahlbehandlung (ohne Precursorzugabe) durchgeführt werden, um die Schichteigenschaften weiter zu verbessern.Particles are then partially ionized in the plasma jet 26 and with the plasma jet 26 from the mixing tube 28 through the Outlet opening 36 transported. The aerosol particles reach the surface with the plasma jet, poly- or oligomerize if necessary and form a layer B. For example, when using a titanium organic precursor, a TiO x layer is formed having a structure having photocatalytic and antimicrobial properties. Optionally, a final heat treatment in the oven or another plasma or plasma jet treatment (without precursor addition) can be carried out in order to further improve the layer properties.
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Plasmabeschichtung einer Oberfläche. Die Vorrichtung weist eine zuvor anhand von Fig. 1 beschriebene Plasmaquelle 2 zum Erzeugen eines Plasmastrahls 26 auf sowie eine Mischvorrichtung 3 ' mit dem Mischrohr 28 und einer Zerstäuberdüse 40 im Bereich der Düsenöffnung 6.Fig. 2 shows a second embodiment of a device for plasma coating a surface. The device has a plasma source 2 previously described with reference to FIG. 1 for generating a plasma jet 26 and a mixing device 3 'with the mixing tube 28 and an atomizing nozzle 40 in the region of the nozzle opening 6.
Die Wand des Mischrohres 28 weist an einer Stelle eine Öffnung 30' auf, in die passgenau die Auslassseite derThe wall of the mixing tube 28 has at one point an opening 30 ', in the exact fit the outlet side of the
Zerstäuberdüse 40 eingebracht ist. Die Zerstäuberdüse besteht aus einem zentralen Rohr 42, das sich im Bereich der Öffnung 30' konisch zu einer Precursor-Auslassöffnung 44 verjüngt, einer im zentralen Rohr 42 koaxial angeordneten Verschlussnadel 46 sowie einem umgebenden Rohr 48. DieAtomizer nozzle 40 is introduced. The atomizer nozzle consists of a central tube 42 which tapers conically in the region of the opening 30 'to form a precursor outlet opening 44, a closure needle 46 arranged coaxially in the central tube 42 and a surrounding tube 48
Verschlussnadel 46 weist im Bereich der Öffnung 30' eine derartige Verjüngung auf, dass durch eine Bewegung der Verschlussnadel 46 in axialer Richtung ein Verschluss der Precursor-Auslassöffnung 44 erreicht werden kann. Das umgebende Rohr 48 ist im Bereich der Öffnung 30 konisch verjüngt, so dass aus der Zerstäubergas-Auslassöffnung 49 austretendes Zerstäubergas in den Bereich vor der Precursor- Auslassöffnung 44 gelenkt wird.The closure needle 46 has such a taper in the region of the opening 30 'that a closure of the precursor outlet opening 44 can be achieved by a movement of the closure needle 46 in the axial direction. The surrounding tube 48 is conically tapered in the region of the opening 30, so that the atomizing gas outlet opening 49 emerging nebulizer gas is directed into the area in front of the precursor outlet opening 44.
An das zentrale Rohr 42 sind eine nicht gezeigte Versorgung mit Precursormaterial sowie eine Vorrichtung zur gezielten Bewegung der Verschlussnadel 46 in axialer Richtung angeschlossen. An das umgebende Rohr ist eine nicht gezeigte Versorgung mit Zerstäubergas, vorzugsweise trockenem Stickstoffgas unter Druck, so angeschlossen, dass das Zerstäubergas durch den Bereich 50 zwischen zentralem und umgebendem Rohr hindurchströmen kann.To the central tube 42, a supply of precursor material, not shown, and a device for targeted movement of the closure needle 46 are connected in the axial direction. Connected to the surrounding tube is a supply of nebulizer gas, preferably dry nitrogen gas under pressure, not shown, so that the nebulizer gas can flow through the region 50 between the central and surrounding tubes.
Durch die Form des umgebenen Rohres 48 im Bereich der Öffnung 30 wird das Zerstäubergas auf den Bereich vor der Precursor- Auslassöffnung 44 gelenkt. Durch den dort entstehenden Unterdruck wird Precursormaterial aus dem zentralen Rohr 42 angesaugt und durch das Zerstäubergas zu einem Aerosol 34 zerstäubt, wenn sich die Precursor-Auslassöffnung 44 nicht durch die Verschlussnadel 46 verschlossen ist. Das Aerosol 34 gelangt unmittelbar in den Plasmastrahl 26. Daher ist die Wahrscheinlichkeit gering, dass das Precursormaterial vor Eintritt in den Plasmastrahl 26 oxidiert wird bzw. hydrolysiert . Die Aerosol-Partikel werden danach im Plasmastrahl 26 verdampft, teilweise ionisiert, elektronisch angeregt und fragmentiert und mit dem Plasmastrahl 26 aus dem Mischrohr 28 durch die Auslassöffnung 36 transportiert.Due to the shape of the surrounding tube 48 in the region of the opening 30, the atomizing gas is directed to the region in front of the precursor outlet opening 44. Due to the negative pressure arising therefrom, precursor material is sucked out of the central tube 42 and atomized by the atomizing gas into an aerosol 34 when the precursor outlet opening 44 is not closed by the closure needle 46. The aerosol 34 passes directly into the plasma jet 26. Therefore, the probability is low that the precursor material is oxidized or hydrolyzed before entering the plasma jet 26. The aerosol particles are then vaporized in the plasma jet 26, partially ionized, electronically excited and fragmented and transported by the plasma jet 26 from the mixing tube 28 through the outlet opening 36.
Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Plasmabeschichtung einer Oberfläche. Die Vorrichtung weist eine zuvor anhand von Fig. 1 beschriebene Plasmaquelle 2 zum Erzeugen eines Plasmastrahls 26 auf sowie eine Mischvorrichtung 31 ' mit dem Mischrohr 28 und einem Ultraschallzerstäuber 52 im Bereich der Düsenöffnung 6. Die Wand des Mischrohres 28 weist an einer Stelle eine Öffnung 30' ' auf, in die passgenau die Auslassöffnung eines Ultraschallzerstäubers 52 eingebracht ist. Der Ultraschallzerstäuber besteht aus einer schwingungsfähigen Membran 54, einer Precursor-Zufuhr 56 sowie einer Halterung 58 für die Precursor-Zufuhr 56 und die Membran 54. Die Membran 54 kann durch eine nicht gezeigte Vorrichtung zu hochfrequenten Schwingungen angeregt werden.Fig. 3 shows a third embodiment of a device for plasma coating a surface. The device has a plasma source 2 previously described with reference to FIG. 1 for generating a plasma jet 26 and a mixing device 3 1 'with the mixing tube 28 and an ultrasonic atomizer 52 in the region of the nozzle opening 6. The wall of the mixing tube 28 has at one point an opening 30 '', into which the outlet opening of an ultrasonic atomizer 52 is accurately inserted. The ultrasonic atomizer consists of a vibratable membrane 54, a precursor supply 56 and a holder 58 for the precursor supply 56 and the membrane 54. The membrane 54 can be excited by a device, not shown, to high-frequency oscillations.
An die Precursor-Zufuhr 56 ist eine nicht gezeigte Pumpe angeschlossen, die Precursormaterial aus einer Precursorquelle durch die Precursor-Zufuhr 56 pumpt. Das aus der Öffnung 60 der Precursor-Zufuhr 56 austretende Precursormaterial gelangt auf die schwingende Membran 54 und wird zu einem Aerosol 34 zerstäubt. Das Aerosol 34 gelangt unmittelbar in den Plasmastrahl 26. Daher ist die Wahrscheinlichkeit gering, dass das Precursormaterial vor Eintritt in den Plasmastrahl 26 oxidiert bzw. sich mit Wasser anreichert. Die Aerosol-Partikel werden danach imConnected to the precursor supply 56 is a pump, not shown, which pumps precursor material from a precursor source through the precursor supply 56. The precursor material emerging from the opening 60 of the precursor feed 56 reaches the vibrating membrane 54 and is atomized to form an aerosol 34. The aerosol 34 passes directly into the plasma jet 26. Therefore, the probability is low that the precursor material before entering the plasma jet 26 oxidizes or accumulates with water. The aerosol particles are then in the
Plasmastrahl 26 teilweise ionisiert und mit dem Plasmastrahl 26 aus dem Mischrohr 28 durch die Auslassöffnung 36 transportiert .Plasma jet 26 partially ionized and transported with the plasma jet 26 from the mixing tube 28 through the outlet opening 36.
Fig. 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einerFig. 4 shows a fourth embodiment of a
Vorrichtung zur Plasmabeschichtung einer Oberfläche. Die Vorrichtung weist eine zuvor anhand von Fig. 1 beschriebene Plasmaquelle 2 zum Erzeugen eines Plasmastrahls 26 auf sowie einen stromabwärts der Düsenöffnung 6 angeordeten Zerstäuber 32'. An den Zerstäuber 32' ist eine Precursorzufuhr 33' angeschlossen, durch die das Precursormaterial in den Zerstäuber 32 ' gelangt und dort zu einem Aerosol zerstäubt wird. Das aus dem Zerstäuber 32' als Aerosol 34 austretende Precursormaterial gelangt in den in der Plasmaquelle 2 erzeugten und aus der Düsenöffnung 6 austretenden Plasmastrahl 26 und wird mit dem Plasmastrahl 26 weiter transportiert. Apparatus for plasma coating a surface. The apparatus comprises a plasma source 2 previously described with reference to FIG. 1 for generating a plasma jet 26 and an atomizer 32 'arranged downstream of the nozzle opening 6. Connected to the atomizer 32 'is a precursor feed 33', through which the precursor material passes into the atomizer 32 'where it is atomized to form an aerosol becomes. The precursor material emerging from the atomizer 32 'as aerosol 34 passes into the plasma jet 26 generated in the plasma source 2 and leaving the nozzle opening 6 and is transported further with the plasma jet 26.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Aufbringen einer Schicht, insbesondere einer selbstreinigend und antimikrobiell wirkenden, photokatalytischen Schicht, auf eine Oberfläche, - bei dem ein atmosphärischer Plasmastrahl durch elektrische Entladung in einem Arbeitsgas erzeugt wird und bei dem ein Precursormaterial getrennt vom Arbeitsgas eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Precursormaterial als Aerosol direkt in den Plasmastrahl eingebracht wird.1. A method for applying a layer, in particular a self-cleaning and antimicrobial, photocatalytic layer, on a surface, - in which an atmospheric plasma jet is generated by electrical discharge in a working gas and in which a precursor material is introduced separately from the working gas, characterized that the precursor material is introduced as an aerosol directly into the plasma jet.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Precursormaterial mittels einer Zerstäuberdüse eingebracht wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the precursor material is introduced by means of a spray nozzle.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Precursormaterial mittels eines Ultraschallzerstäubers eingebracht wird.3. The method according to claim 1, characterized in that the precursor material is introduced by means of a Ultraschallzerstäubers.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Precursormaterial hochsiedend, hydrolyseempfindlich- und/oder oxidationsempfindlich ist.4. Process according to claims 1 to 3, characterized in that the precursor material is high-boiling, sensitive to hydrolysis and / or oxidation.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein metall- oder halbmetallorganisches5. Process according to claims 1 to 4, characterized that a metal or semimetal organic
Precursormaterial verwendet wird.Precursor material is used.
6. Verfahren nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, dass ein titanorganisches Precursormaterial verwendet wird.6. The method according to claim 5, characterized in that a titanium organic precursor material is used.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein siliziumorganisches Precursormaterial verwendet wird.7. Process according to claims 1 to 5, characterized in that an organosilicon precursor material is used.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgebrachte Schicht selbstreinigende und/oder antimikrobiell wirkende photokatalytische Eigenschaften hat.8. The method according to claims 1 to 7, characterized in that the applied layer has self-cleaning and / or antimicrobial photocatalytic properties.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgebrachte Schicht absorbierende Eigenschaften im Ultraviolett- und/oder im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums hat .9. The method according to claims 1 to 8, characterized in that the applied layer has absorbing properties in the ultraviolet and / or visible range of the electromagnetic spectrum.
10. Vorrichtung zum Aufbringen einer Schicht, insbesondere einer selbstreinigend und/oder antimikrobiell wirkenden photokatalytischen Schicht, auf eine Oberfläche, mit einer Vorrichtung (2) zum Erzeugen eines atmosphärischen Plasmastrahls durch elektrische Entladung in einem Arbeitsgas, mit einer Zufuhreinrichtung (33) für ein10. A device for applying a layer, in particular a self-cleaning and / or antimicrobial photocatalytic layer, to a surface, comprising a device (2) for generating an atmospheric plasma jet by electrical discharge in a working gas, with a feed device (33) for a
Precursormaterial , wobei die Zufuhreinrichtung (33) für dasPrecursor material, wherein the supply means (33) for the
Precursormaterial räumlich von der Zufuhreinrichtung (10) für das Arbeitsgas getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhreinrichtung (33) einen Zerstäuber (32) für das Einbringen des Precursormaterials als Aerosol (34) in den Plasmastrahl (26) vorsieht.Precursor material is spatially separated from the supply means (10) for the working gas, characterized in that the supply means (33) provides an atomizer (32) for introducing the precursor material as an aerosol (34) in the plasma jet (26).
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Zerstäuber als Zerstäuberdüse (40) ausgebildet ist.11. The device according to claim 10, characterized in that the atomizer is designed as a spray nozzle (40).
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Zerstäuber als Ultraschallzerstäuber (52) ausgebildet ist.12. The device according to claim 10, characterized in that the atomizer is designed as an ultrasonic atomizer (52).
13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Zerstäuber im Bereich der Düsenöffnung oder stromabwärts der Düsenöffnung angeordnet ist. 13. Device according to claims 10 to 12, characterized in that the atomizer is arranged in the region of the nozzle opening or downstream of the nozzle opening.
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