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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Modifizieren einer Oberfläche durch dielektrisch behinderte Entladung unter Atmosphärendruck, das die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zum Modifizieren einer Oberfläche durch dielektrisch behinderte Entladung unter Atmosphärendruck, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 11.
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Eine dielektrisch behinderte Entladung, wie sie bei der Erfindung hervorgerufen und ausgenutzt wird, wird auch als stille Entladung oder Barriereentladung bezeichnet.
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Ein Verfahren und eine Vorrichtung, zum Modifizieren einer Oberfläche durch dielektrisch behinderte Entladung unter Atmosphärendruck, bei denen eine Wechselhochspannung zwischen zwei Elektroden angelegt wird, von denen mindestens eine dielektrisch abgeschirmt ist, um zwischen den beiden Elektroden eine dielektrisch behinderte Entladung hervorzurufen, die ein Plasma erzeugt, und bei denen die Oberfläche der Einwirkung des Plasmas ausgesetzt wird, sind aus der
WO 01/39944 A1 bekannt. Hier werden die beiden Elektroden, zwischen denen die dielektrisch behinderte Entladung hervorgerufen wird, auf gegenüberliegenden Seiten der zu modifizierenden Oberfläche angeordnet. Dabei sind die beiden Elektroden typischerweise plattenförmig, und bei der Oberfläche handelt es sich um die Oberfläche eines Werkstücks aus Holz oder einem Holzwerkstoff. Das Werkstück selbst wirkt dann als zusätzliche dielektrische Schicht zwischen den Elektroden, oder es kann auch geerdet werden, um seinerseits eine der Elektroden auszubilden. In jedem Fall verlaufen die Feldlinien des Wechselhochspannungsfelds zwischen den Elektroden, das die plasmaerzeugende Entladung hervorruft, senkrecht zu der Oberfläche und durch die Oberfläche hindurch. Wenn sich Luft zwischen den Elektroden bzw. zwischen der vor der Oberfläche angeordneten Elektrode und der Oberfläche befindet, wird durch das auf die Oberfläche einwirkende Plasma auf Luftbasis die Oberfläche so modifiziert, dass diese zunächst von loser Struktur befreit wird und dann ihre Oberflächenspannung reduziert wird. Dies hat Vorteile bei einer anschließenden Beschichtung der Oberfläche, weil die Haftung der Beschichtung verbessert wird. Durch Variieren der Zusammensetzung des Gases, in dem die Entladung erfolgt, kann die Zusammensetzung des reaktiven Plasmas variiert werden. Dadurch kann beispielsweise auch eine Verdichtung der Oberfläche bewirkt werden, die den Durchtritt von Wasser durch die Oberfläche behindert. Als nachteilig bei dem bekannten Verfahren erweist sich, dass die dielektrischen Eigenschaften des die Oberfläche aufweisenden Werkstücks die Ausbildung des Plasmas ganz erheblich beeinflussen. Dies gilt auch für alle anderen bekannten Verfahren, bei denen ein die Oberfläche aufweisendes Werkstück zwischen zwei Elektroden hindurchgeführt wird, zwischen denen ein Plasma erzeugt wird.
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Weiterhin sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Ausbildung eines Plasmastrahls bekannt, der grundsätzlich auch auf eine Oberfläche gerichtet werden kann, um diese zu modifizieren. Die Ausbildung des Plasmas ist dabei unabhängig von den dielektrischen Eigenschaften des die Oberfläche aufweisenden Werkstücks. Bei größeren Oberflächen ist die Behandlung mit einem lokalen Plasmastrahl aber so aufwendig, dass sie wirtschaftlich uninteressant ist.
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Ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 11 sind aus der
DE 197 02 124 A1 bekannt. Hier sind in einem Rezipienten, in dem unter einer definierten Prozessgas- oder Schutzgasatmosphäre ein Druck zwischen 10 und 1000 mbar eingestellt ist, wenigstens zwei Elektroden angeordnet, von denen wenigstens eine von einer Barriereschicht umgeben ist. Eine Elektrode wird mit Hochspannungsleistung versorgt, während die andere Elektrode geerdet ist. Eine zu behandelnde Oberfläche wird relativ zu den Elektroden in einer Weise angeordnet, dass sie einem gebildeten Plasma ausgesetzt ist. Eine Prozessgas- bzw. Gasgemischzuführung erfolgt vorzugsweise unmittelbar in den Entladungsbereich zwischen den Elektroden, da im genannten Druckbereich sowohl die Gasströmung als auch der Ionisierungsgrad im Plasma für den Erfolg der Modifizierung der Oberfläche von Bedeutung sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art aufzuzeigen, mit dem auch große Oberflächen durch Einwirkung eines Plasmas in wirtschaftlicher Weise modifiziert werden können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 11 gelöst.
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Bei dem neuen Verfahren befindet sich die Oberfläche und damit auch ein die Oberfläche aufweisendes Werkstück nicht zwischen den beiden Elektroden. Vielmehr liegen beide Elektroden auf derselben Seite der Oberfläche. Sie sind dabei so parallel zueinander angeordnet, dass zwischen ihnen ein langgestreckter Zwischenraum verbleibt. Die Länge dieses Zwischenraums in seiner parallel zu der Oberfläche verlaufenden Haupterstreckungsrichtung ist um ein Vielfaches größer als die Breite des Zwischenraums zwischen den beiden Elektroden. Mit anderen Worten überspannt der Zwischenraum in seiner Haupterstreckungsrichtung große Teile der Oberfläche. Der Zwischenraum ist auch senkrecht zu der Oberfläche typischerweise nur kurz im Vergleich zu seiner Ausdehnung in der Haupterstreckungsrichtung, weil das Plasma zwischen den Elektroden möglichst oberflächennah erzeugt werden soll, damit es zu möglichst großen Anteilen für die Behandlung der Oberfläche ausnutzbar ist. Die Feldlinien des elektrischen Felds zwischen den Elektroden, das die dielektrisch behinderte Entladung hervorruft, verlaufen im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche. Entsprechend wird das Plasma originär in einem Bereich zwischen den Elektroden oberhalb der Oberfläche erzeugt. Es wird dann aber durch die Gasströmung durch den Zwischenraum an die Oberfläche angeblasen. Bei einem hinreichend kleinen Abstand der Elektroden zu der Oberfläche im Bereich von maximal einigen Zentimetern, ist dies problemlos möglich. Tatsächlich wird bei dem neuen Verfahren eine signifikante Modifikation der Oberfläche erreicht. Bei lignocellulosehaltigen Oberflächen, also beispielsweise bei Oberflächen von Werkstücken aus Holz, Holzwerkstoffen, wie Holzspan- oder Faserplatten, Pappe oder Papier ist die Folge der Modifikation eine signifikante Hydrophobierung. D. h., durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Oberflächenenergie so erniedrigt, dass sie Wasser abstoßende Eigenschaften aufweist. Dieser Effekt entspricht dem Gegenteil der Auswirkungen des aus der
WO 01/39944 A1 bekannten Verfahren, bei dem die Benetzungseigenschaften der behandelten Oberfläche verbessert werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird also eine Möglichkeit aufgezeigt, Holzoberflächen und andere lignocellulosehaltige Oberflächen zu konservieren. Dieses Verfahren ist mit einem Energieeinsatz in der Größenordnung von weniger als 1 kWh pro m
2 Oberfläche sehr wirtschaftlich und zudem auch umweltfreundlich. Die Umweltfreundlichkeit bezieht sich dabei nicht nur auf das neue Verfahren selbst, sondern auch auf die Möglichkeit, bislang zur Imprägnierung der Oberfläche von lignocellulosehaltigen Werkstücken eingesetzte Imprägnierungsmittel zumindest zu reduzieren. Beispielsweise kann der Leimüberschuss von Holzspan- und Holzfaserplatten, der bislang für die Erreichung bestimmter Wasserfestigkeiten notwendig war, herabgefahren werden. Dies gilt auch für andere chemische Stoffe, welche bisher zur Imprägnierung solcher Oberflächen eingesetzt werden.
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Durch Variation der Zusammensetzung der Gasströmung durch den Zwischenraum kann die Auswirkung der Modifikation der Oberfläche durch das erfindungsgemäße Verfahren variiert werden. Die bisherigen Angaben zu der Ausführung der Modifikation bezogen sich auf eine Gasströmung aus Luft. Der beschriebene Effekt kann durch Zugabe von Inertgasen wie Stickstoff, Argon und Helium, oder gar die Verwendung einer ausschließlich aus solchen Inertgasen bestehenden Gasströmung verstärkt werden. Durch Zuschlag von reaktiven Gasen, wie SiH4, C2H2, CH2 usw. ist es auch möglich, zusätzlich definierte Schichten auf der Oberfläche abzuscheiden, die deren Oberflächeneigenschaften in bestimmter, kontrollierter Weise modifizieren.
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Bei der konkreten Durchführung des neuen Verfahrens werden die beiden Elektroden vorzugsweise im gleichen Abstand parallel zu der Oberfläche angeordnet, um überall gleiche Behandlungsbedingungen zu schaffen.
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Wie bereits angedeutet wurde, überspannt der Zwischenraum zwischen den Elektroden mit seiner Haupterstreckungsrichtung zumindest wesentliche Teile der Oberfläche. Um die Oberfläche auch in der Querrichtung hierzu flächendeckend zu behandeln, wird eine Relativbewegung zwischen der Oberfläche und den Elektroden hervorgerufen, so dass sich die Oberfläche in ihrer Haupterstreckungsebene senkrecht zu dem Zwischenraum zwischen den Elektroden bewegt.
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Geeignete Wechselhochspannungen zwischen den Elektroden weisen eine Frequenz von über 600 Hz auf. Bevorzugt sind Wechselhochspannungen in dem Frequenzbereich von 10 bis 3000 kHz.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die Wechselhochspannung aus einzelnen Hochspannungspulsen zusammengesetzt wird, deren Abfolge einer Frequenz von bis zu 50 kHz, vorzugsweise von 10 bis 25 kHz entspricht, und deren Dauer kürzer als 10 μs ist. Eine typische Dauer günstiger Hochspannungspulse liegt im Bereich von 1 μs. Dies entspricht Frequenzanteilen der Hochspannungspulse von über 1000 kHz.
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Die Elektroden werden vorzugsweise stabförmig ausgebildet. Die zumindest bei einer der Elektroden vorgesehene dielektrische Abschirmung ist dabei vorzugsweise allseitig vorgesehen. Es können auch beide Elektroden allseitig dielektrisch abgeschirmt werden.
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Besonders bevorzugt bei dem neuen Verfahren ist es, wenn die dielektrisch behinderte Entladung die gesamte Breite der Oberfläche überspannt. In diesem Fall muss die Oberfläche nur in der Querrichtung zu dem Zwischenraum zwischen den Elektroden unter den Elektroden hindurchgeführt werden, um sie vollständig zu modifizieren.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Elektroden parallel zueinander vor der Oberfläche angeordnet sind, so dass sie ein parallel zu der Oberfläche langgestreckten und zu der Oberfläche hin offenen Zwischenraum ausbilden, und das Gebläsemittel zum hervorrufen einer Gasströmung durch den Zwischenraum zwischen den beiden Elektroden vorgesehen sind, um das zwischen den Elektroden erzeugte Plasma an die Oberfläche anzublasen.
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Der Wechselhochspannungsgenerator der neuen Vorrichtung basiert vorzugsweise auf Halbleitertechnik. Dies ist durch die günstigen Verhältnisse der dielektrisch behinderten Entladung möglich und bietet gegenüber anderen Wechselhochspannungsgeneratoren erhebliche Kostenvorteile.
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Weitere bevorzugte Details der neuen Vorrichtung entsprechen unmittelbar dem bereits oben erörterten bevorzugten Ausführungsformen des neuen Verfahrens.
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben, dabei zeigt
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1 eine nicht unter die Patentansprüche fallende Vorrichtung zum Modifizieren einer Oberfläche durch dielektrische behinderte Entladung in einer perspektivischen Ansicht,
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2 die Vorrichtung gemäß 1 in einer ersten Seitenansicht,
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3 die Vorrichtung gemäß den 1 und 2 in einer zweiten Seitenansicht,
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4 die Vorrichtung gemäß den 1 bis 3 in einer Ansicht von oben und
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5 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer 1 entsprechenden perspektivischen Ansicht.
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Die in den 1 bis 4 dargestellte Vorrichtung 10 weist zwei Elektroden 4 und 7 auf. Die Elektroden 4 und 7 sind parallel zueinander auf derselben Seite einer Oberfläche 11 eines Werkstück 3 angeordnet, zu deren Modifikation die Vorrichtung 10 vorgesehen ist. Die Elektroden 4 und 7 weisen zu der Oberfläche 11 über ihre gesamte Länge einen festen Abstand auf. Zwischen den beiden Elektroden 4 und 7 ist ein langgestreckter Zwischenraum 9 ausgebildet, der sich quer über die Oberfläche 11 erstreckt. Ein Wechselhochspannungsgenerator 2 ist vorgesehen, um zwischen den beiden Elektroden 4 und 7 eine Wechselhochspannung anzulegen. Zu diesen Zweck ist er mit den Elektroden 4 und 7 über Hochspannungszuleitungen 8 verbunden. Durch die zwischen den Elektroden 4 und 7 anliegende Wechselhochspannung wird eine Entladung in dem Zwischenraum 9 hervorgerufen. Bei dieser Entladung handelt es sich um eine sogenannte stille oder Barriereentladung, weil die Elektrode 4 mit einer dielektrischen Abschirmung 5 versehen ist. Konkret umschließt die dielektrische Abschirmung 5 die Elektrode 4 vollständig, d. h. auch an ihren Enden, was aus den Figuren so nicht hervorgeht. Die dielektrisch behinderte Entladung in dem Zwischenraum 9 wird mit Hochspannungspulsen hervorgerufen, deren Abstand einer Frequenz im Bereich von 10 bis 25 kHz entspricht, während die Dauer jedes Hochspannungspulses nur etwa 1 μs beträgt, was Frequenzanteilen von über 1000 kHz entspricht. Der diese Hochspannungspulse erzeugende Wechselhochspannungsgenerator 2 basiert auf Halbleitertechnik und ist daher relativ kostengünstig. Dieser Vorteil ist ebenso wie der weitere Vorteil, dass die Entladung zwischen Elektroden 4 und 7 bei Atmosphärendruck erfolgt, eine Folge ihrer dielektrischen Behinderung durch die Abschirmung 5. Auch die Tatsache, dass die Entladung in dem Zwischenraum 9 homogen über die Länge der Elektroden 4 und 7, d. h. in der Haupterstreckungsrichtung des Zwischenraums 9 erfolgt, kann auf die dielektrische Behinderung der Entladung zurückgeführt werden. Mit anderen Worten ist sie Voraussetzung für die großflächige Behandlung der Oberfläche 11 des Werkstücks 3.
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Die zwischen den Elektroden 4 und 7 in dem Zwischenraum 9 erfolgende Entladung erzeugt ein Plasma 6. Dieses Plasma liegt normalerweise nur in dem Bereich zwischen den Elektroden 4 und 7 selbst vor. Es kann aber durch eine Gasströmung 1, welche durch den Zwischenraum 9 auf die Oberfläche 11 gerichtet wird und sich an der Oberfläche 11 in zwei Teilströme 13 aufteilt, die jeweils unter einer der Elektroden 4 und 7 seitlich wegtreten, an die Oberfläche 11 angeblasen werden. Zu diesem Zweck sind Gebläsemittel 14 vorgesehen, die nur in 3 schematisch angedeutet sind und die sehr verschieden ausgeformt sein können. So kann es sich um eine oder mehrere Druckluftquellen handeln, die an eine Gaszufuhr angeschlossen sind (hier nicht dargestellt). Es können aber auch oberhalb des Zwischenraums 9 angeordnete Ventilatoren, also Gebläse im engeren Sinne sein. Wichtig ist, dass die Gasströmung 1 das Plasma 6 aus dem Zwischenraum 9 soweit mitnimmt, dass die Oberfläche 11 des Werkstücks 3 in seinen Einwirkbereich gelangt, und dass sie über die Länge des Zwischenraums 9 möglichst homogen verteilt ist. Die Gasströmung 1 kann dabei aus Luft üblicher Zusammensetzung bestehen. Hier können aber auch andere Gase zugeschlagen werden, um besondere Effekte bei der Modifikation der Oberfläche 11 des Werkstücks 3 zu erzielen. Bereits mit Luft normaler Zusammensetzung wird bei einem Energieeinsatz von weniger als 1 kWh pro m2 Oberfläche 11 eine ganz erhebliche Hydrophobierung von Holzoberflächen und anderen lignocellusosehaltigen Oberflächen 11 erreicht, die die Qualität einer Oberflächenkonservierung hat. Für eine vollständige Behandlung der Oberfläche 11 wird das Werkstück 3 in Richtung eines Pfeils 15 senkrecht zu der Haupterstreckungsrichtung des Zwischenraums 9 unter den Elektroden 4 und 7 hinweg bewegt. Hierzu sind typischerweise Fördermittel für das Werkstück 3 vorgesehen, die in den Figuren jedoch nicht näher wiedergegeben sind.
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Die Vorrichtung 10 gemäß 5 unterscheidet sich von derjenigen gemäß den 1 bis 4 nur in zwei Details. Zum einen ist der Querschnitt der Elektroden 4 und 7 nicht rund sondern etwas länglich, wobei die Haupterstreckungsrichtungen der Querschnitte der beiden Elektroden 4 und 7 nicht parallel zueinander sondern in derselben Richtung parallel zu der Oberfläche 11 des Werkstücks 3 verlaufen. Zum anderen sind beide Elektroden 4 und 7 mit einer dielektrischen Abschirmung 5 versehen, die auch hier wiederum die Enden der Elektroden abdeckt, ohne dass dies unmittelbar aus der Figur hervorgeht.
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Um die gewünschten Effekte bei der Modifikation der Oberfläche 11 mit dem Plasma 6 zu erzielen, ist es wichtig, dass die Entladung zwischen den Elektroden 4 und 7 und nicht zwischen einer der Elektroden und dem Werkstück 3 erfolgt. So ruft der Wechselhochspannungsgenerator 2 die Wechselhochspannungspulse tatsächlich bipolar zwischen den beiden Elektroden 4 und 7 hervor. Weniger günstig wäre es aus dem oben genannten Grund, wenn der Wechselhochspannungsgenerator 2 gegenüber Erde arbeiten würde und eine Elektrode geerdet wäre. Dann bestünde die Gefahr, dass sie effektiv auf demselben Potential wie das Werkstück 3 läge, so dass die Entladung auch zwischen der von dem Wechselhochspannungsgenerator 2 beaufschlagten Elektrode und dem Werkstück 3 erfolgen könnte.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gasströmung
- 2
- Wechselhochspannungsgenerator
- 3
- Werkstück
- 4
- Elektrode
- 5
- Dielektrikum
- 6
- Plasma
- 7
- Elektrode
- 8
- Hochspannungszuleitung
- 9
- Zwischenraum
- 10
- Vorrichtung
- 11
- Oberfläche
- 13
- Teilstrom
- 14
- Gebläsemittel
- 15
- Pfeil
