DE3414245C2

DE3414245C2 -

Info

Publication number: DE3414245C2
Application number: DE3414245A
Authority: DE
Inventors: Ernst-Guenter Dr. 6131 Schwalbach De Lierke; Rolf 6233 Kelkheim De Hartmann; Rudolf 6277 Camberg De Grossbach; Helmut 6233 Kelkheim De Sudhof
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1984-04-14
Filing date: 1984-04-14
Publication date: 1989-04-20
Also published as: DE3414245A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur dichten Belegung von Festkörperoberflächen mit feinen Flüssigkeitströpfchen und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei der Oberflächenbehandlung beliebig geformter Festkörper, insbesondere zum Zwecke einer chemischen oder physikalischen Modifikation oder zum Färben, Drucken, Beschichten und dergleichen ist es wünschenswert, eine möglichst einlagige, homogene Belegung der Oberfläche mit feinsten Flüssigkeitströpfchen mit weniger als ca. 10 µm Durchmesser zu erzielen. Es ist bekannt, daß durch Ultraschall feiner Flüssigkeitsnebel mit Tropfen im unteren µm-Bereich erzeugt werden kann. Dieser Nebel läßt sich im allgemeinen nicht effektiv auf Oberflächen abscheiden, sondern wird von der bewegten Trägerluft abgeführt. Mit anderen Zerstäubungsverfahren lassen sich nur größere Tropfen, zum Beispiel von 50 bis 150 µm Durchmesser erzeugen, die aber infolge der Gravitation und der hohen Eigengeschwindigkeit schwer homogen auf gekrümmten Flächen, insbesondere Rohren oder Hohlgefäßen, abgeschieden werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Methode zu entwickeln, mit der sich feine Tröpfchen möglichst in Form einer Monolayer auf beliebig geformte Flächen aus beliebigen Materialien aufbringen lassen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß durch Ultraschallvernebelung Tröpfchen erzeugt, elektrisch aufgeladen und elektrostatisch auf die Oberfläche niedergeschlagen werden. Weitere Ausgestaltungen des Verfahrens und Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Es ist allgemein bekannt, daß niederviskose Flüssigkeiten im intensiven Ultraschall-Sprudel, der sich infolge des Schall-Strahlungsdrucks in der Flüssigkeitsoberfläche vor einem nach oben abstrahlenden Ultraschall-Dickenschwinger ausbildet, in feinste Tröpfchen zerstäubt werden können. Diese Sprudel-Zerstäubung ist am effektivsten bei Frequenzen zwischen 0,5 und 5 MHz und wird u. A. zur Aerosoltherapie und in der Meßtechnik eingesetzt. Durch Ultraschall-Kapillarwellen- oder auch Düsenzerstäubung werden ebenfalls Tröpfchen erzeugt, die vergleichsweise größere Durchmesser besitzen.

Der häufigte Tropfendurchmesser d _h hängt von der Ultraschallfrequenz f sowie die Dichte ρ und der Oberflächenspannung σ der zu zerstäubenden Flüssigkeit ab:

Zerstäubt man zum Beispiel Wasser bei f = 1,75 MHz, dann ist der häufigste Tropfendurchmesser d _h ≅ 3 µm. Typische Durchsätze handelsüblicher Ultraschall-Sprudelzerstäuber liegen zwischen 2 und 10 ml/min bei Leistungen zwischen 15 und 50 Watt.

Die Sedimentationsgeschwindigkeit von 3 µm Tröpfchen ist relativ gering, so daß sich Ultraschallnebel in einfacher Weise durch kurze Rohrleitungen transportieren lassen. Es ist dagegen schwierig, feiner Ultraschallnebel effektiv, schnell und gleichmäßig als dünne Schichten auf ebenen oder gekrümmten Flächen, insbesondere auf Innenflächen von Hohlkörpern und Rohren abzuscheiden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine vollständige und gleichmäßige Beschichtung von ebenen Flächen oder auch Hohlkörpern und Rohren mit nach bekannten Methoden erzeugten Ultraschallnebeln und nutzt dabei eine elektrostatische Aufladung mittels Hochspannungs-Koronaentladung und eine beschleunigte Abscheidung in einem elektrischen Feld aus. Die Kleinheit der Ultraschall-Nebeltröpfchen und ihre geringe Eigengeschwindigkeit bieten in Kombination mit der hohen Abscheidegeschwindigkeit auch elektrostatischen Kräften beträchtliche Vorteile gegenüber alternativen Verfahren zur Beschichtung.

Ultraschallnebel können durch Luftströmungen sehr nahe an die zu beschichtenden Wände herangeführt und dann bei relativ hohen Feldstärken effektiv abgeschieden werden. Zur einlagigen Beschichtung von Flächen mit Ultraschall-Aerosolen, das heißt, Tröpfchen mit ca. 3 µm Durchmesser, ohne Berücksichtigung der Filmbildung durch Benetzung benötigt man beispielsweise nur 0,2 ml/cm², während bei typischen Düsennebeln mit 30 µm Tropfendurchmesser die 10fache Menge erforderlich wäre.

Die Erfindung wird anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Anordnung zur Erzeugung von Ultraschallnebel und anschließende elektrische Aufladung und Abscheidung,

Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform der Auflade- und Abscheide-Einrichtung und

Fig. 3 eine weitere Möglichkeit zur Beschichtung der Innenwände eines rohrförmigen Gebildes.

Der Aerosolgenerator 1 besteht in diesem Fall aus einem mit der zu zerstäubenden Flüssigkeit teilweise gefüllten Gefäß, an dessen Boden ein oder mehrere, von einem Generator 2 gespeiste Ultraschallwandler mit einer Arbeitsfrequenz von 1 bis 5 MHz gekoppelt sind.

Die abgestrahlte Schall-Leistung, das heißt, der Schallstrahlungsdruck, dieser Schallwandler führt zu einer Ausbildung von sogenannten Schallsprudeln oder Geysiren, in deren intensivem Schallfeld unter zusätzlicher Verstärkerwirkung schwingender Gasbläschen die Flüssigkeit zu feinen Tröpfchen zerstäubt wird. Bei 1,75 MHz liegt das Maximum der Durchmesser-Häufigkeitsverteilung, zum Beispiel bei etwa 3 µm. Der gebildete Nebel wird durch einen Luftstrom aus dem Aerosolgenerator 1 ausgeblasen. Der Luftstrom kann von einem Druckreservoir oder Gebläse 3 geliefert und über einen Impulsgenerator 4 und ein Magnetventil 5 in beliebigem Rhythmus unterbrochen werden. Durch ein Rotameter 6 wird der Luftstrom gemessen und auf die optimale Aerosolkonzentration eingestellt.

Nach dem Verlassen der Aerosolgenerators 1 durch einen "Kamin" 7 wird der Flüssigkeitsnebel im zweiten Rohrabschnitt, das heißt, in der Ladestrecke 8 durch Koronaentladung vorzugsweise negativ aufgeladen. Die Ladungsträger - in der Regel Elektronen - werden durch Spitzenentladung an einer koaxial in die Ladestrecke 8 hineinragenden Elektrode erzeugt. Die erforderliche Feldstärke wird von einem Hochspannungsgenerator 9 (20-50 kV) geliefert.

Bei der Spitzenentladung wird die Umgebungsluft durch die von der negativen Elektrode austretenden Elektronen ionisiert. Positive Gasionen werden von der Spitze abgesaugt, während die Primär- und Sekundärelektronen von vorbeistreichendem Aerosolstrom eingefangen und mitgenommen werden.

Die geladenen Aerosoltröpfchen werden am metallisierten Ende 10 der Rohrstrecke 11 - in der sogenannten Abscheidestrecke - in dem zu behandelnden Material, hier zum Beispiel ein Kunststoffbehälter 12, abgeschieden. Dabei befindet sich der Behälter 12 zwischen zwei konzentrisch angeordneten Elektroden, von denen die innere, auf negativen Potential liegende Elektrode 10 von einem separaten Generator 13 oder vom Generator 9 gespeist wird und die äußere, becherförmige Elektrode 14 auf Massenpotential liegt. In Abhängigkeit von der Form des zu behandelnden Körpers kann die Form der Masseelektrode variieren. Die negative geladenen Aerosol-Tröpfchen treten am Ende der Rohrstrecke 11 aus, passieren den Spalt zwischen Rohrende 10 und Behälterwand 12 und werden dort in dem durch die Becherwand hindurchgreifenden elektrischen Feld abgeschieden. Die vom Generator 13 gelieferte Spannung wird optimal auf die abzuscheidende Aerosolmenge, die elektrische Tröpfchenladung und gewünschte Abscheidezeit abgestimmt. Beim Abscheiden der Tröpfchen auf der isolierenden Behälterwand baut sich eine Flächenladung auf, die das durch die Wand hindurchgreifende elektrische Feld mehr und mehr abschirmt. Dadurch wird eine gleichmäßige, im Bedarfsfalle sogar einlagige Beschichtung mit Tröpfchen erzielt.

In Abweichung von der oben beschriebenen Ausführungsform ist es zweckmäßig, die Spitzenentladung erst unmittelbar am Austrittsende der Abscheidestrecke 10, 14, 12 stattfinden zu lassen. In dieser in Fig. 2 dargestellten Variante ragt die zur Aerosolaufladung dienende Elektrode 15 direkt in den, von einem auf Massenpotential liegende Elektrode 16 umschlossenen Kunststoffbehälter 17 hinein, auf dessen Innenwände die Tröpfchenabscheidung erfolgen soll. Die Elektrode 15 zusammen mit der Hilfselektrode 18 dient demzufolge gleichzeitig zur Aufladung und zur Abscheidung der geladenen Nebeltröpfchen 19. Die Spitzenelektrode 15 wird über eine Isolierung 20 zum Hochspannungsgerät 21 geführt.

Werden elektrisch leitfähige Materialien beschichtet, so kann die Masseelektrode 16 entfallen. An deren Stelle wird der zu beschichtende Formkörper selber auf Erdportential gelegt.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch zur Innenbeschichtung von rohrförmigen Endlosgebilden, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, anwenden. Bei Beschichtung solcher Materialien ist es zweckmäßig, einen Kapillarwellen-Zerstäuber 22 zu verwenden, der mit einer axialen Bohrung 23 zur Flüssigkeitszuführung versehen ist. Die Zerstäuberanordnung wird auf Erdpotential gelegt und in das rohrförmige Gebilde 24 geführt, wo die Vernebelung stattfindet. Aufgrund der Größe des Tröpfchendurchmessers findet eine ungleichmäßige Beschichtung statt, weil die untere Wandung des rohrförmigen Gebildes durch den Einfluß der Schwerkraft bevorzugt mit Flüssigkeit belegt wird. Um den Gravitation entgegenzuwirken, wird eine nach unten offene Ringelektrode 25 außen um das Gebilde angebracht, wodurch die Tröpfchen 26 bei der Zerstäubung ausgeladen oder polarisiert und in Richtung der von der Ringelektrode bedeckten Wandung gelenkt werden.

Claims

1. Verfahren zur dichten Belegung von Festkörperoberflächen mit feinen Flüssigkeitströpfchen, dadurch gekennzeichnet, das durch Ultraschallvernebelung Tröpfchen erzeugt, diese elektrisch aufgeladen und elektrostatisch auf die Oberfläche niedergeschlagen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Tröpfchen mit einem Durchmesser von weniger als 10 µm, erzeugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tröpfchen zwischen 2 und 4 µm erzeugt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tröpfchen durch Luftströmung nahe an die zu beschichtende Oberfläche geführt und dort elektrisch aufgeladen werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tröpfchen durch Koraonentladung aufgeladen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Tröpfchen durch Koronaentladung negativ aufgeladen werden.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ultraschallzerstäuber (1) vorgesehen ist und der von diesem erzeugte Flüssigkeitsnebel einer Auflade- und Abscheidestrecke (8, 10,14, 15, 16, 18, 25) zuführbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abscheidestrekce (10, 14, 16, 18, 25) die zu beschichtende Oberfläche oder eine diese umfassende Elektrode (14, 16) auf Erdpotential liegt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Ultraschallzerstäuber ein Sprudelzerstäuber eingesetzt ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufladestrecke (8, 15) unmittelbar vor der Abscheidestrecke (16, 18) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufladestrecke (8, 15) als Koronaentladungsstrecke ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufladestrecke eine Spitzenelektrode (15) enthält, die nahe and die zu beschichtende Oberfläche (17) geführt ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abscheidestrecke eine Hilfselektrode (18) vorgesehen ist, die mit der auf Erdpotential liegenden Oberfläche (17) oder der diese umfassenden Masseelektrode (14, 16) ein elektrisches Feld bildet.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der endseitige Teil der Rohrstrekce (11) für Tröpfchenzuleitung als Hilfselektrode (10, 18) ausgebildet und koaxial zur Masseelektrode (14, 16) angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Ultraschallzerstäuber ein Kappillarwellenzerstäuber (22) eingesetzt ist, der zur Flüssigkeitszuführung mit einer axialen Bohrung (23) versehen und geerdet ist und eine weitere Elektrode (25) vorgesehen ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Innenbeschichtung von rohrförmigen Gebilden die Elektrode (25) als offene Ringelelektrode ausgebildet ist.