DE102007039645A1

DE102007039645A1 - Verfahren und Vorrichtungen zur Beschichtung und/oder Modifizierung von Drähten, Fasern oder deren Verbunden

Info

Publication number: DE102007039645A1
Application number: DE102007039645A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Prof. Dr. Tiller
Original assignee: Innovent eV Technologieentwicklung
Current assignee: Innovent eV Technologieentwicklung
Priority date: 2006-09-08
Filing date: 2007-08-20
Publication date: 2008-03-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beschichtung und/oder Modifizierung von anorganischen und organischen Drähten, Fasern oder deren Verbunden, um ihnen neue Material- und Oberflächeneigenschaften, insbesondere hinsichtlich der Korrosions- und Haftfestigkeit zu verleihen. Die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Beschichtung und/oder Modifizierung von anorganischen und organischen Drähten, Fasern und deren Verbunden anzugeben, das die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und den Drähten, Fasern und deren Verbunden neue Material- und Oberflächeneigenschaften, insbesondere hinsichtlich der Korrosions- und Haftfestigkeit, verleiht, wird dadurch gelöst, dass anorganische oder organische Drähte, Fasern oder deren Verbunden einer Flamme oder einem Plasma oder einem Heißgasstrom ausgesetzt werden, wobei die Flamme oder ein Plasma oder ein Heißgasstrom schichtbildende anorganische oder organische Komponenten enthält, so dass diese Komponenten oxidische Beschichtungen oder Modifikationen der Oberflächenstruktur, der Drähte, Fasern oder deren Verbunden bilden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beschichtung und/oder Modifizierung von anorganischen oder organischen Drähten, Fasern oder deren Verbunden, um ihnen neue Material- und Oberflächeneigenschaften, insbesondere hinsichtlich der Korrosions- und Haftfestigkeit zu verleihen.
Sowohl organische, wie auch anorganische Schichtsysteme werden als Permeationssperren gegenüber Gasen, Ionen und Materialaidditiven beschrieben. Die Wirkung ist sehr stark abhängig von der Struktur der Schicht, bezogen auf die Moleküle denen gegenüber eine Sperrwirkung erzielt werden soll. Anorganische Schichten erreichen bei optimaler Gestaltung eine wesentlich höhere Wirksamkeit als organische Systeme. So lassen sich beispielsweise mit 10 bis 20 nm dicken SiO₂-Schichten auf Polymerfolien OTR Werte (cm³/m²·Atm·d) erreichen.
Die Herstellung solcher Schichten erfolgt derzeit über Gasphasenverfahren, bevorzugt über Vakuum- und Plasmatechniken [siehe hierzu bspw. H.-Ch. Langowski: Galvanotechnik, 11/2003, 2800–2807; T. Hachisuka et. al.: Technical Conference Proceedings, Society of Vacuum Coaters (2005), 48 th, 634–637, US 20050249901 ].
Darüber hinaus gibt es eine Reihe von Versuchen nasschemischer Verfahrenstechniken zur Herstellung von Barriereschichten zur Anwendung zu bringen [siehe hierzu R-Ch. Langowski: Galvanotechnik, 11/2003, 2800–2807]. Die Barrierewirkung wird dabei sowohl gegenüber Gasen, als auch Ionen (insbesondere Natrium) gesehen. Häufig lässt sich gleichzeitig mit der Barrierewirkung eine Korrosionsschutzwirkung verbinden und durch den Einbau funktioneller organischer Gruppen auch eine weitergehende Funktionalisierung der Schichten, wie beispielsweise Hydrophilierung oder Hydrophobierung, erreichen.
Die Herstellung von mikro- oder nanoporösen Schicht durch flammengestützte CCVD Verfahren ist bekannt [siehe hierzu bspw. US 4,600,390 ; US 4,620,988 ; DD 253 259 ; DD 256 151 ; DE 100 19 926 , R. Musil, H.-J. Tiller, „Der Kunststoff-Metall-Verbund", Hüthig-Verlag, Heidelberg 1989; H.-J. Tiller, et. al., „Thin Solid Films" 169 (1989) 159–168 bspw. H.-J. Tiller, et. al., „Thin Solid Films" 169 (1989) 159–168].
Auch bekannt ist, dass die genannten Verfahren zur Verbesserung der Haftung organischer Schichten auf unterschiedlichsten Substraten eingesetzt können [H.-J. Tiller, et. al., GLAS + RAHMEN, Verlagsanstalt Handwerk GmbH Düsseldorf, K 42236, 1996; H.-J. Tiller, et. al., JOT, 36–38, 07/1997; H.-J. Tiller, et. al., GLAS + RAHMEN, Verlagsanstalt Handwerk GmbH Düsseldorf, 02/1999; H.-J. Tiller, et. al., JOT, 08/2002]. Bevorzugt wird gemäß dem Stand der Technik in diesen Fällen auf SiO₂, beziehungsweise SiO_x als schichtbildende Komponente zurückgegriffen. In vielen Fällen ist dafür die zusätzliche Anwendung eines Haftvermittlers, der die Anbindung der organischen Schicht an die anorganische Schicht ermöglicht, nötig. Im Falle von Silikonverbindungen als organische Beschichtung kann in vielen Fällen auf die Verwendung eines Haftvermittlers verzichtet werden [siehe hierzu bspw. H.-J. Tiller, et. al., 9. Internationale Symposium Swissbonding, Rapperswil, CH, 1995; Ph. Müller, DE 10 2005 035 443 A1 ].
Die DE 38 44 522 A1 offenbart ein Verfahren zum Beschichten von Haushaltsgegenständen mit einer Antihaftschicht. Eine Oberfläche des Haushaltsgegenstandes wird dabei im Plasmasprühverfahren mit einer Hartstoffschicht in mehreren Lagen übereinander unter Verwendung unterschiedlicher Hartstoffpulver versehen. Die Hartstoffschicht wird alsdann mit einer Antihaftschicht versehen. Um die Haftung der Schichten auf der Oberfläche des Haushaltsgegenstandes zu verbessern und vor allem die mechanische Stabilität der Schichten zu erhöhen, nimmt die Korngröße der verwendeten Hartstoffpulver von der Oberfläche nach oben hin zu.
Der Nachteil der zuvor stehend genannten Verfahren besteht darin, dass mit ihnen keine Drähte, Fasern oder deren Verbunde beschichtet und/oder modifiziert werden können.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beschichtung und/oder Modifizierung von anorganischen und organischen Drähten, Fasern und deren Verbunden anzugeben, die die Nachteile des Standes der Technik vermeiden und den Drähten, Fasern und deren Verbunden neue Material- und Oberflächeneigenschaften, insbesondere hinsichtlich der Korrosions- und Haftfestigkeit, verleihen.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten und neuenten Hauptanspruchs gelöst und durch die Merkmale der Unteransprüche vorteilhaft ausgestaltet.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass ein oder mehrere unbeschichtete oder beschichtete Drähte, Fasern bzw. Verbunde zwischen diesen, wie beispielsweise Corde, einer Flamme, einem Plasma oder einem Heißluftstrom ausgesetzt werden.
Der Flamme, dem Plasma oder dem Heißluftstrom kann eine oder mehrere Schicht bildende oder die Oberflächen modifizierende anorganische oder organische Komponenten zugemischt werden. So ist es beispielsweise möglich, durch anorganische Verbindungen bzw. metallorganische Verbindungen in den Flammen oxidische Beschichtungen auf den unbeschichteten oder bereits beschichteten Drähten, Fasern oder Verbunden – im Folgenden Substrat genannt – von diesen zu erzeugen.
Als besonders günstig haben sich dabei Verbindungen erwiesen, die Oxide von Silizium, Aluminium, Zirkon oder Titan darstellen. Dies trifft auch für Magnesium oder Silber in nicht oxidischer Form zu.
So wie Flammen, kann man dazu auch oxidierende Plasmen oder Heißluftströme einsetzen, denen bevorzugt metallorganische Verbindungen zugeführt werden.
Durch sauerstofffreie Plasmen oder Heißgasströme lassen sich auch nichtoxidische Verbindungen auf den Oberflächen abscheiden.
Die Art der Beschichtung oder Modifizierung lässt sich gemäß der Erfindung durch die Wahl der Oberflächentemperatur des Substrats steuern. Dabei hat sich ein Temperaturbereich zwischen Null und dem Doppelten der Schmelztemperatur, besonders günstig im Bereich zwischen 50 °C und der Schmelztemperatur, erwiesen.
Gemäß der Erfindung kann man Flamme, Plasma oder Heißluftstrom auch getrennt durch Reaktion mit der anorganischer oder organischer Komponente auf der Oberfläche des Substrats zur Reaktion bringen.
Durch die Wahl einer Oberflächentemperatur oberhalb der Glastemperatur (T_g) ist es erfindungsgemäß auch möglich, die beschichtete Komponente in die Oberfläche des Substrats zu infiltrieren sowie eine Oberflächenschicht zu 200 nm in ihrer Struktur und Zusammensetzung zu verändern und damit neue Eigenschaften der Substrate herbeizuführen.
Bei den zugemischten oder zugeführten anorganischen oder organischen Precursorverbindungen kann es sich sowohl um eine Verbindung als auch um eine Mischung von mehreren unterschiedlichen Verbindungen handeln.
Die Flammen können auch durch Mischung aus Brenngas und einem sauerstoffhaltigen Trägergas, im einfachsten Fall Luft, erzeugt werden.
Der Anteil an Sauerstoff kann dabei zwischen > 0 % und 100 % variiert werden. Als Brenngas lassen sich sowohl organische Brenngase, wie beispielsweise Methan, Propan, Butan und Acetylen als auch Wasserstoff verwenden.
Plasmen und Heißluftströme bieten darüber hinaus die Möglichkeit, durch Verwendung von Inertgasen, wie Edelgasen oder Stickstoff, oxidfreie Modifizierungen oder Beschichtungen zu erzeugen.
Auch kann das Plasmaträgergas aus Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigen Gas bestehen.
Die zugemischte anorganische oder organische Komponente bewirkt durch Reaktion mit dem Trägergas eine Modifizierung oder Beschichtung der Substrate. Diese können vor der Beschichtung oder Modifizierung vortemperiert werden, was bevorzugt im Bereich zwischen 50 °C und ihrer zweifachen Schmelztemperatur erfolgt.
Als Plasmen werden erfindungsgemäß bei Normaldruck arbeitende Freistrahlplasmen oder Barierreentladungen verwendet.
Die Heißluftströme können Temperaturen zwischen 200 °C und 2000 °C, bevorzugt jedoch zwischen 400 °C und 1500 °C besitzen.
Zur Beschichtung und/oder Modifizierung der Substrate kann sowohl eine einzelne Flamme, Plasma oder Heißluftstrom als auch mehrere oder Kombinationen von Flammen, Plasmen oder Heißluftströmen eingesetzt werden.
Das Prinzip der Vorrichtung, mit der die Beschichtung und/oder die Modifizierung der Substrate erreicht wird, ist der beiliegenden 1 schematisch dargestellt.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Substrat (die Substrate) in einem Winkel zwischen 0 ° und 90 °, bevorzugt zwischen 45 ° und 90 °, zur Achse eines Energieträgers (der Energieträger) gerichtet und kann relativ bewegt werden.
Für jeden Energieträger kann ein unterschiedlicher Winkel gewählt werden bzw. vorteilhaft sein.
Der Abstand zwischen Substrat und Flamme, Plasma oder Heißluftstrom kann dabei über weite Bereiche variiert werden, wobei im Fall von Flammen oder Plasmen, bevorzugt der unmittelbar leuchtende Flammen- oder Plasmabereich, mit der Oberfläche des Substrats in Kontakt gebracht wird.
Die Flammen, Plasmen oder Heißluftströme- Energieträger genannt – können dabei einzeln oder in Kombination, hintereinander in Reihe, konzentrisch um das Substrat oder schraubenförmig in Reihe vorrichtungsseitig angeordnet werden. Durch Verwendung mehrere Energieträger können gleichzeitig mehrere Substrate beschichtet und/oder modifiziert werden.
Verwendet man eine Barierreentladung als Plasma, kann diese, wie in 2 schematisch dargestellt, entweder parallel zum Substrat oder wie 3 zeigt, in einem Winkel > 0 °, bevorzugt 90 °, zu diesem angeordnet werden. Dabei können auch mehrere Barierreentladungen in Kombination eingesetzt werden. Hierbei ist es möglich, gleichzeitig mehrer Substrate, zu beschichten und/oder zu modifizieren (schematisch in 3 dargestellt).
Die Temperatur der Substrate kann vorrichtungsseitig auf unterschiedlichste Weise realisiert werden. Entstehen Fasern aus Spinndüsen, so kann durch Wahl des Abstandes zwischen Spinndüse und Energieträger die Temperatur des Substrats eingestellt werden.
Andernfalls ist eine Temperierung über eine Wärmestrahlung, einen Heißluftstrom oder eine Temperierwalze möglich. So zeigt 4 bspw. eine Vorrichtung, in der eine Barierreentladung mit einer Temperierwalze, über die das Substrat geführt wird, gekoppelt ist. An Stelle der Barierreentladung, die hier beispielhaft ausgewählt wurde, können auch die Energieträger Flamme oder Plasma mit der Temperierwalze und über diese laufenden Substrate vorrichtungsseitig kombiniert werden.

Claims

Verfahren zur Beschichtung und/oder Modifizierung von anorganischen oder organischen Drähten, Fasern oder deren Verbunden bei dem diese einer Flamme oder einem Plasma oder einem Heißgasstrom ausgesetzt werden, wobei die Flamme oder einem Plasma oder einem Heißgasstrom schichtbildende anorganische oder organische Komponenten enthält, so dass diese Komponenten oxidische Beschichtungen oder Modifikationen der Oberflächenstruktur der Drähte, Fasern oder deren Verbunden bilden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die oxidischen Beschichtungen als Silikate oder Oxide von Aluminium, Zirkon, Titan oder deren Mischungen ausgebildet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Flamme oder dem Plasma oder dem Heißgasstrom metallorganische Verbindungen zugeführt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drähte, Fasern oder deren Verbunde im Bereich von 50 °C und der zweifachen Schmelztemperatur der Flamme oder dem Plasma oder dem Heißgasstrom ausgesetzt werden
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei einer Oberflächentemperatur oberhalb der Glastemperatur (T_g) durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Plasma als eine Barierreentladung erzeugt wird.
Verfahren gemäß einem oder mehrerer der voran stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flamme oder dem Plasma oder dem Heißgasstrom eine Precursorverbindung zugesetzt oder zugemischt wird.
Verfahren gemäß einem oder mehrerer der voran stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der unmittelbar leuchtende Flammen- oder Plasmabereich mit der Oberfläche der Drähte, Fasern oder deren Verbund in Kontakt gebracht wird.
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem oder mehrerer der voran stehenden Ansprüche bei dem die Drähte, Fasern oder deren Verbunde in einem Winkel zwischen 0° und 90° zur Achse eines Energieträgers angeordnet und relativ zu diesem bewegbar sind.