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Diese Erfindung betrifft selbstschmierende Vorrichtungen mit
geringem Reibungswiderstand, und insbesondere selbstschmierende
Teile für Mikromaschinen oder ähnliche Maschinen. Sie betrifft
ebenfalls Teile für Audio- und Videovorrichtungen mit geringem
Reibungswiderstand. Weiterhin betrifft sie Spielbälle, und
insbesondere Spielbälle wie solche, die in z.B. Pachinko-,
Smartball-, Flipper- und Roulettspielen verwendet werden, und
die mit einem schmierenden Beschichtungsfilm versehen sind.
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Gewöhnliche Maschinenteile, die einer Reibung ausgesetzt sind,
wie z.B. Zahnräder, Lager, Rotoren, Wellen bzw. Achsen,
Kurbelwellen und Turbinen, müssen geschmiert werden. Wenn die Zufuhr
des Schmiermittels eingestellt wird oder nicht ausreicht, wird
an den Reibungsstellen Wärme erzeugt, was zu einem Verschleiß
oder einer Zerstörung solcher Stellen führt. Abhängig voin
Verwendungszweck der Maschine gibt es jedoch Fälle, in denen kein
Schmiermittel verwendet werden kann oder in denen die
Verwendung eines Schmiermittels stark eingeschränkt ist. In
Vorrichtungen, die z.B. für die Herstellung von Lebensmitteln oder
Arzneimitteln verwendet werden, muß sorgfältig darauf geachtet
werden, daß auf keinen Fall Schmiermittel in die Produkte
gelangt. Große Vorsicht ist auch im Falle von medizinischen
Vorrichtungen geboten. Auch z.B. bei Uhren, die fast überall
verwendet werden, ist eine Schmierung erforderlich, um eine hohe
Lebensdauer zu gewährleisten.
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Weiterhin kann in Mikromaschinen (d.h. in
Miniaturpräzisionsmaschinen), die Teile mit einer Größe von etwa 1 mm oder weniger
umfassen, überhaupt kein Schmiermittel verwendet werden,
infolge der extrem geringen Abmessungen der Teile. Die einzige
Möglichkeit, um bei Mikromaschinen zufriedenstellende
Reibungseigenschaften
zu erzielen, ist die, die Oberfläche der Teile so
gut wie möglich zu glätten.
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Bei allgemeinen Maschinenteilen besteht jedoch die Möglichkeit,
daß selbst bei großer Sorgfalt ein gefährliches Auslaufen des
Schmiermittels auftreten kann. Bei z.B. Uhren, die fast überall
verwendet werden, ist es praktisch unmöglich, ein Schmiermittel
zu verwenden. Die Oberflächen von Teilen für Mikromaschinen
können mittels eines photolithographischen Verfahrens geglättet
werden. In diesem Fall bestehen jedoch Beschränkungen, und bis
zum jetzigen Zeitpunkt kann eine ausreichende Haltbarkeit nicht
erzielt werden.
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Auf jeden Fall ist es bis jetzt nicht möglich gewesen, ein
hochleistungsfähiges Maschinenteil zu erhalten, das einen
geringen Reibungswiderstand besitzt.
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Andererseits wird bei Tonbandgeräten, bei Videogeräten (VTR),
bei digitalen Tonbandgeräten (DAT) und bei anderen
Aufzeichnungs- und Wiedergabevorrichtungen, in denen Magnetbänder
verwendet werden, sehr sorgfältig darauf geachtet, daß auf den
Bändern beim Betrieb keine Kratzer oder Schrammen entstehen.
Kratzer oder Schrammen, die auf dem Aufzeichnungsmedium
gebildet werden, stören die Funktion bei der Aufzeichnung und
Wiedergabe. Weiterhin erzeugen Kratzer oder Schrammen, die auf der
Rückseite des Aufzeichnungsmediums gebildet werden,
unerwünschterweise übertragene Kratzer oder Schrammen, wenn ein Medium,
wie z.B. ein Band, aufgerollt wird.
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VTR- und DAT-Vorrichtungen sind multifunktionelle Vorrichtungen
mit hoher Leistungsfähigkeit. Von diesen Vorrichtungen wird
insbesondere eine hohe Lebensdauer und eine hohe
Zuverlässigkeit erwartet. VTR-Zylinderköpfe rotieren mit hohen
Geschwindigkeiten von 1000 bis 6000 Umdrehungen pro Minute. Wenn daher
im Rotationsmechanismus Unregelmäßigkeiten auftreten, werden
die Bildwiedergabe oder die Zuverlässigkeit in hohem Maße
nachteilig
beeinflußt, und Probleme im Rotationsmechanismus führen
zu einer fehlerhaften Wiedergabe.
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Im allgemeinen ist für Teile, die einer Reibung ausgesetzt
sind, wie z.B. Lager, Rotoren, Wellen bzw. Achsen, Kurbelwellen
und Turbinen, die Zufuhr eines Schmiermittels erforderlich.
Wenn die Zufuhr des Schmiermittels eingestellt wird oder nicht
ausreicht, erzeugen die Reibungsbereiche Wärme, was zu einein
Verschleiß oder einer Zerstörung führt.
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Zur Vermeidung solcher Probleme ist es bis heute üblich
gewesen, nur die Reibungsf läche, die in Kontakt mit dem laufenden
Band steht, so glatt wie möglich zu machen. Um die
Gleiteigenschaften der Reibungsfläche einer Vorrichtung zu verbessern,
ist zusätzlich nur die Reibungsfläche mit einem Schmiermittel
beschichtet worden, um die Reibungsfläche so glatt wie möglich
zu machen.
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Wenn jedoch die Reibungsfläche, wie z.B. die Kontaktfläche mit
dem laufenden Band, so glatt wie möglich gemacht wird, wird
ebenfalls die Reibung des Bandes beim Laufen verringert.
Zusätzlich besteht in den Fällen, in denen den Reibungsflächen
der Vorrichtung ein Schmiermittel zugeführt wird, die
Möglichkeit, daß das Schmiermittel ausläuft. Wenn Öl aus einem Lager
eines VTR-Zylinderkopfes ausläuft, wird das Schmiermittel
infolge der hohen Rotationsgeschwindigkeit auf benachbarte Teile
gespritzt. Dies kann z.B. das VTR-Band nachteilig beeinflussen.
Weiterhin sind die Möglichkeiten, um die Reibungsfläche glatt
zu machen, beschränkt.
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Andererseits können Spielbälle, wie z.B. solche für
Pachinkound Smartballspiele, leicht verunreinigt werden. Wenn diese
Spielbälle verunreinigt werden, können sie nicht mehr
gleichmäßig rollen, oder sie können das Spielgerät während des Spiels
verstopfen, oder sie werden abgetragen, so daß ihre
Gleitfähigkeit verlorengeht. Daher ist es erforderlich, die Oberfläche
der Spielbälle durch Waschen oder Polieren so glatt wie möglich
zu machen, um ein gleichmäßiges Rollen zu gewährleisten. Bis
heute sind Spielbälle mit z.B. einem Tuch poliert worden, und
in Spielhallen wird diese Arbeit bis in die späte Nacht
ausgeführt. Weiterhin ist es allgemein bekannt, daß die
Gleitfähigkeit der Balloberfläche erhöht werden kann, indem die
Oberfläche so glatt wie möglich gemacht wird, oder indem ein
Schmiermittel auf der Oberfläche aufgebracht wird.
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Jedoch bestehen bei dem Formprozeß zur Herstellung von
Spielbällen, um deren Oberfläche glatt zu machen, damit diese
gleichmäßig rotieren, Beschränkungen. Zusätzlich kann in den
Fällen, in denen ein Schmiermittel aufgebracht wird, der
Schmiermittelfilm bei der Verwendung abgelöst oder abgetragen
werden.
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Die EP-A-0363924 beschreibt ein Verfahren zur Bildung von
Schmiermittelschichten auf Aufzeichnungsmedien, wobei die
Schichten unter Verwendung eines Schmiermittels gebildet
werden, das eine Alkylsilanverbindung umfaßt. Jedoch sind die
Haftung und die Haltbarkeit der Filme unzureichend, weil die Filme
auf den Substraten mit Hilfe des Langmuir-Blodgett (LB)-
Verfahrens aufgebracht werden, so daß sie sich leicht ablösen,
wenn die Substratoberflächen, auf welche die Filme aufgebracht
wurden, wiederholt abgerieben werden.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung von
Maschinenteilen mit geringem Reibungswiderstand und hervorragenden
Selbstschmiereigenschaften.
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Eine andere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung von
Teilen für ein Audio- oder Videogerät, die einen Schmierfilm
besitzen, der den Reibungswiderstand mit dem laufenden Band
verringert und der eine hervorragende Haltbarkeit besitzt.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung von
Teilen für ein Audio- oder ein Videogerät, die einen
Schmierfilm besitzen, welcher chemisch an die Reibungsfläche der Teile
gebunden ist, wodurch der Reibungswiderstand der Teile
verringert wird und die Teile hervorragende
Selbstschmiereigenschaften erhalten.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung von
Spielbällen, deren Oberflächen mit einem Schmierfilm versehen
sind, der eine gleichförmige Dicke im nm-Bereich besitzt, wobei
der Film hervorragend haltbar, abriebbeständig, schmierend und
wasser- und ölabweisend ist.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung von
selbstschmierenden Vorrichtungen, umfassend einen chemisch
adsorbierten Film als Oberflächenschicht, der kovalent über
-SiO- Bindungen an die Vorrichtungen gebunden ist, und wobei der
chemisch adsorbierte Film Gruppen aus Fluorkohlenstoffketten oder
Gruppen aus Kohlenwasserstoffketten enthält.
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Die oben genannten Aufgaben sind durch die Bereitstellung einer
selbstschmierenden Vorrichtung (1, 1a, 1b, 21, 23, 31, 33, 41)
gelöst worden, umfassend einen chemisch adsorbierten Film (2,
14, 26, 37, 44) als Oberflächenfilm, der Gruppen aus
Fluorkohlenstoffketten oder Gruppen aus Kohlenwasserstoffketten
enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der chemisch adsorbierte Film
kovalent über -SiO- Bindungen an die Vorrichtung gebunden ist,
und daß die Vorrichtung ausgewählt ist aus der Gruppe,
bestehend aus Zahnrädern (1a), Lagern (23,33), Rotoren, Wellen
bzw. Achsen (1b, 21, 31), Kurbelwellen, Turbinen,
selbstschmierenden Mikromaschinen (1), Spielbällen (41), Oberflächen für
eine Bandführung, einem Gleiter eines Maschinenteils und einem
Rotationsmechanismus, mit der Maßgabe, daß das Zahnrad kein
Wischerzahnrad (wiper gear), daß der Spielball kein Golfball
oder keine Bowlingkugel, und daß der Rotationsmechanismus keine
Kalanderwalze ist.
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Es ist in dieser Erfindung bevorzugt, daß der chemisch
adsorbierte Film ein monomolekularer Film oder ein Polymerfilm ist.
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Es ist in dieser Erfindung bevorzugt, daß die Vorrichtung ein
Gleiter eines Maschinenteils ist.
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Es ist in dieser Erfindung bevorzugt, daß die Vorrichtung eine
Mikromaschine ist.
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Es ist in dieser Erfindung bevorzugt, daß die Vorrichtung
ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Teilen für ein
Audio- oder ein Videogerät.
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Es ist in dieser Erfindung bevorzugt, daß die Vorrichtung ein
Bestandteil ist, der mit einem laufenden Magnetband in Kontakt
steht, und der ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus
einer Oberfläche eines Magnetisierungskopfes und einer Oberfläche
einer Bandführung.
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Es ist in dieser Erfindung bevorzugt, daß die Vorrichtung ein
Rotationsmechanismus ist, der mindestens einen Bereich der
Reibungsfläche eines Zylinderkopfes umfaßt.
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Es ist in dieser Erfindung bevorzugt, daß die Vorrichtung ein
Spielball ist.
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Es ist in dieser Erfindung bevorzugt, daß der die
Fluorkohlenstoffketten oder Kohlenwasserstoffketten enthaltende chemisch
adsorbierte Film auf eine innere Schicht auf Siloxanbasis
auflaminiert ist, wobei die innere Schicht mit kovalenten
Bindungen an die Oberfläche der Vorrichtung gebunden ist, und die
innere Schicht und der chemisch adsorbierte Film sind mit
kovalenten Bindungen aneinander gebunden.
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Es ist in dieser Erfindung bevorzugt, daß die innere Schicht
ein monomolekularer Film oder ein Polymerfilm ist.
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Figur 1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine
Mikromaschine zeigt, entsprechend Beispiel 1 der Erfindung.
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Figur 2 ist eine schematische Schnittansicht, vergrößert bis in
den molekularen Bereich, welche die Oberfläche einer
Mikromaschinenvorrichtung nach der Bildung eines monomolekularen
Fluorkohlenstoffbeschichtungsfilms zeigt, entsprechend Beispiel
1 der Erfindung.
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Figur 3 ist eine schematische Schnittansicht, vergrößert bis in
den molekularen Bereich, welche die Oberfläche der
Mikromaschinenvorrichtung zeigt, entsprechend Beispiel 2 der Erfindung.
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Figur 4 ist eine schematische Schnittansicht, welche die
Oberfläche der Mikromaschinenvorrichtung zeigt, die mit einem
chemisch adsorbierten Film (innere Schicht) der eine Vielzahl von
Silanolbindungen enthält, versehen ist, entsprechend Beispiel 2
der Erfindung.
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Figur 5 ist eine schematische Schnittansicht, vergrößert bis in
den molekularen Bereich, welche die Oberfläche der
Mikromaschinenvorrichtung nach der Bildung eines monomolekularen
Fluorbeschichtungsfilms zeigt, entsprechend Beispiel 2 der Erfindung.
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Figur 6 ist eine schematische Schnittansicht, welche einen VTR-
Zylinderkopf zeigt, entsprechend Beispiel 3 der Erfindung.
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Figur 7 ist eine schematische Schnittansicht, vergrößert bis in
den molekularen Bereich, welche die Oberfläche des VTR-
Zylinderkopfes zeigt, entsprechend Beispiel 3 der Erfindung.
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Figur 8 ist eine schematische Schnittansicht, vergrößert bis in
den molekularen Bereich, welche die Oberfläche des VTR-
Zylinderkopfes nach der Bildung eines monomolekularen
Fluorkohlenstoffbeschichtungsfilms zeigt, entsprechend Beispiel 3
der Erfindung.
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Figur 9 ist eine schematische Schnittansicht, welche einen VTR-
Zylinderkopf zeigt, entsprechend Beispiel 4 der Erfindung.
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Figur 10 ist eine schematische Schnittansicht, vergrößert bis
in den molekularen Bereich, welche die Oberfläche eines VTR-
Zylinderkopfes zeigt, entsprechend Beispiel 4 der Erfindung.
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Figur 11 ist eine schematische Schnittansicht, welche die
Oberfläche des VTR-Zylinderkopfes zeigt, der mit einem chemisch
adsorbierten Film (innere Schicht), der eine Vielzahl von
Silanolbindungen enthält, versehen ist, entsprechend Beispiel 4 der
Erfindung.
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Figur 12 ist eine schematische Schnittansicht, vergrößert bis
in den molekularen Bereich, welche die Oberfläche des VTR-
Zylinderkopfes nach der Bildung eines monomolekularen
Fluorbeschichtungsfilms zeigt, entsprechend Beispiel 4 der Erfindung.
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Figur 13 ist eine schematische Schnittansicht, welche einen
Pachinkoball zeigt, entsprechend Beispiel 6 der Erfindung.
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Figur 14 ist eine schematische Schnittansicht, vergrößert bis
in den molekularen Bereich, welche die Oberfläche des
Pachinkoballs nach der Bildung eines monomolekularen
Fluorkohlenstoffbeschichtungsfilms zeigt, entsprechend Beispiel 6 der
Erfindung.
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Entsprechend der Erfindung wird ein chemisch adsorbierter Film
auf der Oberfläche mindestens eines Reibungsbereiches von z.B.
einem Maschinenteil gebildet. Der Film umfaßt eine
Oberflächenschicht, welche Fluorgruppen enthält, und die Basisschicht, die
über Siloxanbindungen chemisch an das Substrat, d.h. an den
Bereich des Maschinenteils, gebunden ist. Das Maschinenteil
besitzt einen geringen Reibungswiderstand und hervorragende
Selbstschmiereigenschaften. Die Oberflächenschicht des chemisch
adsorbierten Films enthält Fluoralkylgruppen, und der Film
besitzt einen geringen Widerstand und hervorragende
Selbstschmiereigenschaften. Da zusätzlich die Molekülketten des
chemisch adsorbierten Films chemisch über Siloxanbindungen an das
Substrat gebunden sind, besitzt der Film eine hervorragende
Beständigkeit.
Der Film löst sich nicht ohne weiteres von der
Substratoberfläche ab, selbst wenn die Oberfläche wiederholt
abgerieben wird. Weiterhin besitzt der Film eine sehr geringe
Dicke im nm- oder Å-Bereich und beeinflußt nicht die Geometrie
des verarbeiteten Maschinenteils.
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Weiterhin ist der chemisch adsorbierte Film in einer
bevorzugten Ausführungsform der zrfindung ein monomolekularer Film,
der hervorragend transparent ist und die mechanischen
Eigenschaften des Maschinenteils nicht nachteilig beeinflußt.
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Weiterhin ist die Erfindung anwendbar auf eine Mikromaschine
als Maschinenteil. Auf diese Weise ist es möglich, die
Mikromaschine selbstschmierend zu machen, ohne daß irgendein
Schmiermittel verwendet wird, und ein Maschinenteil herzustellen, das
eine hohe Haltbarkeit besitzt.
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Das Maschinenteil, auf das die Erfindung angewendet wird, kann
aus jedem Material bestehen, wie z.B. aus Metallen, Keramiken
und Kunststoffen. Die folgende Beschreibung betrifft
Mikromaschinen. Die Teile für Mikromaschinen umfassen Zahnräder,
Rotoren, Wellen bzw. Achsen, Kurbelwellen und Turbinen mit Größen
von etwa 1 mm und weniger.
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Gewöhnliche Teile für Mikromaschinen sind aus Keramiken und
Metallen hergestellt und besitzen einen oberflächlichen Oxidfilm,
der Hydroxylgruppen enthält. Daher kann ein laminierter
chemisch adsorbierter monomolekularer Film auf der Basis von
Fluorkohlenstoff auf einem oberflächlichen Reibungsbereich eines
Teils einer Mikromaschine gebildet werden, durch
Inkontaktbringen des oberflächlichen Reibungsbereichs mit einem
nichtwäßrigen Lösungsmittel, enthaltend Moleküle mit einer geradkettigen
Kohlenstoffkette mit einer Chlorsilangruppe (SiClnX3-n, n
bedeutet 1, 2 oder 3, X bedeutet eine funktionelle Gruppe) an
einem Ende, z.B. einem oberflächenaktiven Material auf
Chlorsilanbasis, enthaltend eine Fluorkohlenstoffgruppe und eine
Chlorsilangruppe, um durch eine Reaktion zwischen
Hydroxylgruppen
auf dem oberflächlichen Reibungsbereich und dem Material
einen monomolekularen Film des oberflächenaktiven Mittels auf
dem oberflächlichen Reibungsbereich aufzubringen, oder durch
Inkontaktbringen des oberflächlichen Reibungsbereichs mit einem
nichtwäßrigen Lösungsmittel, enthaltend ein Material,
enthaltend eine Vielzahl von Chlorsilylgruppen, um durch eine
Reaktion zwischen den Hydroxylgruppen des oberflächlichen
Reibungsbereichs und den Chlorsilylgruppen des Materials das Material,
welches eine Vielzahl von Chlorsilylgruppen enthält, auf dem
oberflächlichen Reibungsbereich aufzubringen; Wegwaschen von
überschüssigem Material, enthaltend eine Vielzahl von
Chlorsilylgruppen, das auf dem oberflächlichen Reibungsbereich
verbleibt, unter Verwendung eines nichtwäßrigen organischen
Lösungsmittels, um einen monomolekularen Film auf Siloxanbasis
aus dem Material, das eine Vielzahl von Siloxangruppen enthält,
auf dem oberflächlichen Reibungsbereich zu erhalten; und Bilden
eines laminierten chemisch adsorbierten monomolekularen Films
auf dem oberflächlichen Reibungsbereich durch chemisches
Adsorbieren eines oberflächenaktiven Materials auf Silanbasis,
enthaltend eine geradkettige Kohlenstoffkette mit einer
Chlorsilangruppe an einem Ende.
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Auf diese Weise kann ein monomolekularer Film auf der Basis von
z.B. Fluorkohlenstoff mit einer Dicke im nm-Bereich auf dem
oberflächlichen Reibungsbereich der Mikromaschine gebildet
werden, ohne daß die Funktionen, die dem Teil der Mikromaschine
inhärent sind, nachteilig beeinflußt werden. Zusätzlich besitzt
der Film hervorragende Gleiteigenschaften und ermöglicht die
Verringerung des Gleitwiderstandes der Oberfläche. Es ist daher
möglich, eine Mikromaschine bereitzustellen, die weniger
anfällig gegen Verschleiß ist und die sehr zuverlässig ist.
Weiterhin benötigt die Mikromaschine entsprechend der Erfindung
überhaupt kein Schmiermittel. Weiterhin ist der gebildete
monomolekulare Film biokompatibel, und daher kann die Mikromaschine in
den menschlichen Körper implantiert werden.
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Beispiele für oberflächenaktive Materialien auf
Trichlorsilanbasis, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden,
umfassen:
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CF&sub3;(CF&sub2;)&sub7;(CF&sub2;)&sub2;SiCl&sub3;,
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CF&sub3;CH&sub2;O(CH&sub2;)&sub1;&sub5;SiCl&sub3;,
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CF&sub3;(CH&sub2;)&sub2;Si(CH&sub3;)&sub2;(CH&sub2;)&sub1;&sub5;SiCl&sub3;,
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F(CF&sub2;)&sub4;(CH&sub2;)&sub2;Si(CH&sub3;)&sub2;(CH&sub2;)&sub9;SiCl&sub3;,
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F (CF&sub2;)&sub8;(CH&sub2;)&sub2;Si(CH&sub3;)&sub2;(CH&sub2;)&sub9;SiCl&sub3;,
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CF&sub3;COO(CH&sub2;)&sub1;&sub5;SiCl&sub3;
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CF&sub3;(CF&sub2;)&sub5;(CH&sub2;)&sub2;SiCl&sub3;,
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CH&sub3;(CH&sub2;)&sub9;SiCl&sub3;,
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CH&sub3;CH&sub2;O(CH&sub2;)&sub1;&sub5;SiCl&sub3;,
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CH&sub3;(CH&sub2;)&sub2;Si(CH&sub3;)&sub2;(CH&sub2;)&sub1;&sub5;SiCl&sub3;,
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CH&sub3;(CH&sub2;)&sub6;Si(CH&sub3;)&sub2;(CH&sub2;)&sub9;SiCl&sub3;,
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CH&sub3;(CH&sub2;)&sub1;&sub0;Si(CH&sub3;)&sub2;(CH&sub2;)&sub9;SiCl&sub3;,
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CH&sub3;COO(CH&sub2;)&sub1;&sub5;SiCl&sub3;.
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Beispiele für mit niederen Alkylgruppen substituierte
oberflächenaktive Materialien auf Monochlorsilan- oder
Dichlorsilanbasis, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden,
umfassen:
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CF&sub3;(CF&sub2;)&sub7;(CH&sub2;)&sub2;SiCln(CH&sub3;)3-n,CF&sub3;C
H&sub2;O(CH&sub2;)&sub1;&sub5;SiCln(CH&sub3;)3-n,CF&sub3;(CF&sub2;)&sub7;
(CH&sub2;)&sub2;SiCln(C&sub2;H&sub5;)3-n,CF&sub3;(CH&sub2;)&sub2;Si
(CH&sub3;)&sub2;(CH&sub2;)&sub1;&sub5;SiCln(CH&sub3;)3-n,CF&sub3;CH&sub2;O
(CH&sub2;)&sub1;&sub5;SiCln(C&sub2;H&sub5;)3-n,CF&sub3;(CF&sub2;)&sub3;(C
H&sub2;)&sub2;Si(CH&sub3;)&sub2;(CH&sub2;)&sub9;SiCln(C&sub2;H&sub5;)3-n,
CF&sub3;(CF&sub2;)&sub7;(CH&sub2;)&sub2;Si(CH&sub3;)&sub2;(CH&sub2;)&sub9;SiC
ln(CH&sub3;)3-n,CF&sub3;(CF&sub2;)&sub5;(CH&sub2;)&sub2;SiCln(C
H&sub3;)3-n,CF&sub3;COO(CH&sub2;)&sub1;&sub5;SiCln(CH&sub3;)3-n,
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worin n 1 oder 2
bedeutet.
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Unter diesen Beispielen sind oberflächenaktive Materialien auf
Trichlorsilanbasis bevorzugt, da die anderen
Chlorsilylbindungen als die, welche an ihre hydrophilen Gruppen gebunden sind,
intermolekulare Bindungen mit benachbarten Chlorsilangruppen
über Siloxanbindungen bilden, wodurch die Bildung eines
hinsichtlich der Beständigkeit weiterhin verbesserten adsorbierten
Films ermöglicht wird.
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Oberflächenaktive Materialien auf Trichlorsilanbasis sind
besonders bevorzugt, weil die anderen Chlorsilylbindungen als
die, welche an ihre hydrophilen Gruppen gebunden sind,
intermolekulare Bindungen mit benachbarten Chlorsilangruppen über
Siloxanbindungen bilden, wodurch die Bildung eines hinsichtlich
der Beständigkeit weiterhin verbesserten adsorbierten Films
ermöglicht wird. Weiterhin ist die Verbindung
CF&sub3;(CF&sub2;)n(CH&sub2;)&sub2;SiCl&sub3;, worin n eine ganze Zahl bedeutet,
insbesondere von 3 bis 25, bevorzugt, wegen ihrer Löslichkeit und
ihrer wasserabweisenden, Antikontaminations- und anderen
funktionellen Eigenschaften. Wenn weiterhin eine Ethylen- oder
Acetylengruppe an die Alkylfluoridkette addiert oder in diese
Kette eingebracht wird, kann der chemisch adsorbierte Film nach
der Bildung durch Bestrahlung mit Elektronenstrahlen von etwa 5
Mrad vernetzt werden, wodurch die Härte des chemisch
adsorbierten Films weiterhin erhöht wird.
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Es ist auf diese Weise möglich, die Härte des chemisch
adsorbierten Films weiterhin zu erhöhen.
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Das oberflächenaktive Material auf Chlorsilanbasis, das in der
Erfindung verwendet werden kann, ist nicht auf solche mit einer
geraden Kette, wie oben beschrieben&sub1; beschränkt. Es ist
möglich, eine verzweigte Alkylfluorid- oder
Kohlenwasserstoffgruppe zu verwenden, oder solche mit einer substituierten
Alkylfluorid- oder Kohlenwasserstoffgruppe mit Silicium an einem
Ende (d.h. solche, die durch die Formeln R&sub2;SiCl&sub2;&sub1; R&sub3;SiCl,
R¹R²SiCl&sub2; oder R¹R²R³SiCl dargestellt sind, worin R, R¹, R² und
R³ eine Fluorkohlenstoff- oder Kohlenwasserstoffgruppe
bedeuten). Die geradkettige Form ist jedoch bevorzugt, um die
Adsorptionsdichte zu erhöhen.
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Weiterhin werden durch chemisches Adsorbieren eines Materials
mit einer Vielzahl von Chlorsilylgruppen, um eine innere
Schicht zu bilden, z.B. SiCl&sub4;, SiHCl&sub3;, SiH&sub2;CL&sub2; und
Cl(SiCl&sub2;O)nCl&sub3;; (worin n eine ganze Zahl im Bereich von 1 bis 20
bedeutet) , SiClm(CH&sub3;)4-m, SiClm(C&sub2;H&sub5;)4-m (worin m 1, 2 oder 3
bedeutet), und HSiClp(CH&sub3;)3-p, HSiClp(C&sub2;H&sub5;)3-p (worin p 1 oder 2
bedeutet), und anschließendem Umsetzen des Materials mit Wasser
oberflächliche Chiorsilylbindungen in hydrophile
Silanolbindungen umgewandelt, wodurch die Polymerzusammensetzung hydrophil
gemacht wird. Unter den Materialien, die eine Vielzahl von
Chlorsilylgruppen enthalten, ist Tetrachlorsilan (SiCl&sub4;)
bevorzugt, weil diese Verbindung eine hohe Reaktivität und ein
geringes Molekulargewicht besitzt. Mit Hilfe dieser Verbindung
können daher Silanolbindungen mit einer hohen Dichte erzeugt
werden. Auf diese Weise ist es möglich, eine extrem hydrophile
Zusammensetzung bereitzustellen, verglichen mit der
Oxidationsbehandlung eines ein Polymer enthaltenden Substrats. Auf dieser
Oberfläche kann ein oberflächenaktives Material auf
Chlorsilanbasis, welches Fluoralkylgruppen enthält, chemisch adsorbiert
werden. Auf diese Weise kann ein chemisch adsorbierter Film
erhalten werden, der eine erhöhte Dichte besitzt.
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Bei einem Maschinenteil, das aus einem Kunststofformling
besteht, wird ein chemisch adsorbierter Film, der
Fluoralkylgrupen enthält, über Siloxanbindungen auf der Oberfläche des
Kunststofformlings gebildet. Das Verfahren zur Bildung des
Films umfaßt geeigneterweise eine Oxidationsbehandlung der
Oberfläche des Kunststofformlings, um diese hydrophil zu
machen, und die chemische Adsorption eines oberflächenaktiven
Materials auf Chlorsilanbasis auf der oxidierten Oberfläche durch
Inkontaktbringen der Oberfläche mit einem nichtwäßrigen
organischen Lösungsmittel mittels Eintauchen&sub1; wodurch ein chemisch
adsorbierter Film gebildet wird, der Fluoralkylgruppen enthält,
die über Siloxanbindungen gebunden sind.
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Das Kunststoffmaterial kann mit Hilfe einer gewöhnlichen
Behandlung oxidiert werden, z.B. mit Hilfe einer
Sauerstoffplasmabehandlung, einer Koronabehandlung und durch Eintauchen in
eine Mischlösung, enthaltend konzentrierte Schwefelsäure und
Kahumdichromat (d.h. eine Behandlung mit einer Chrom
enthaltenden Mischlösung).
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Das nichtwäßrige Lcsungsmittel, das entsprechend der Erfindung
verwendet wird, kann jedes organische Lösungsmittel sein, das
das Kunststoffmaterial mit dem darauf aufgebrachten chemisch
adsorbierten Film nicht an- bzw. auflöst, und das keinen
aktiven Wasserstoff enthält, der mit dem oberflächenaktiven
Material auf Chlorsilanbasis reagieren würde. Geeignete Beispiele
für das Lösungsmittel sind z.B. Lösungsmittel auf Fluorbasis,
wie z.B. 1,1-Dichlor-1-fluorethan, 1,1-Dichlor-2,2,2-
trifluorethan, 1,1-Dichlor-2,2,3,3,3-pentafluorpropan, 1,3-
Dichlor-l,1,2,2,3-heptafluorpropan, Lösungsmittel auf
Kohlenwasserstoffbasis, wie z.B. Hexan, Octan, Hexadecan, Cyclohexan,
Lösungsmittel auf Etherbasis, wie z.B. Dibutylether,
Dibenzylether, und Lösungsmittel auf Esterbasis, wie z.B. Methylacetat,
Ethylacetat, Isopropylacetat, Amylacetat.
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Entsprechend der Erfindung wird ein chemisch adsorbierter Film
auf z.B. einer Trägerfläche, wie z.B. einer Oberfläche eines
laufenden Bandes, gebildet. Der chemisch adsorbierte Film
umfaßt eine Oberflächenschicht, enthaltend Fluorgruppen, und eine
Schicht aus Molekülketten, die chemisch über Siloxanbindungen
an die Oberfläche gebunden ist. Auf diese Weise ist es möglich,
den Reibungswiderstand beim Laufen des Bandes zu verringern und
die Bildung von Kratzern und Schrammen auf dem Band zu
verhindem.
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Da der chemisch adsorbierte Film weiterhin auf z.B. der
Oberfläche eines Gleitbereiches von Teilen für eine Audio- oder
Videovorrichtung gebildet wird, ist es möglich, eine Vorrichtung
mit geringem Reibungswiderstand und hervorragenden
Selbstschmiereigenschaften bereitzustellen. Dies ist darauf
zurückzuführen, daß infolge der Fluoralkylgruppen, die in der
Oberflächenschicht des chemisch adsorbierten Films vorliegen, der
Reibungswiderstand, d.h. der Reibungswiderstand beim Laufen des
Bandes, verringert werden kann, und der Reibungsbereich der
Vorrichtung kann hervorragend selbstschmierend gemacht werden.
Da weiterhin die Schicht aus Molekülketten des chemisch
adsorbierten Films chemisch über Siloxanbindungen an die Oberfläche
des Substrats gebunden ist, wird ein extrem beständiger Film
erhalten, der sich nicht von der Oberfläche des Substrats
ablöst, selbst nach wiederholtem Laufen des Bandes oder nach der
Erzeugung von Reibung auf der Oberfläche. Da weiterhin der
chemisch adsorbierte Film eine Dicke im nm- oder A-Bereich
besitzt, beeinflußt er die Geometrie der verarbeiteten Maschine
nicht nachteilig.
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Weiterhin kann mit dem bevorzugten chemisch adsorbierten
monomolekularen Film ein Film mit einer gleichförmigen Dicke
erhalten werden, der hervorragend transparent ist und die
mechanischen Eigenschaften nicht nachteilig beeinflußt.
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Da ein monomolekularer Film auf z.B. Fluorkohlenstoffbasis mit
einer Dicke im nm-Bereich auf der Oberfläche eines VTR-
Zylinderkopfes gebildet werden kann, werden die Funktionen des
Kopfes, die diesem inhärent sind, nicht nachteilig beeinflußt.
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Zusätzlich besitzt der Film hervorragende Gleiteigenschaften
und der Reibungswiderstand der Oberfläche wird verringert. Es
ist auf diese Weise möglich, einen VTR-Zylinderkopf
bereitzustellen,
der einen geringen Reibungswiderstand besitzt, der
extrem zuverlässig ist und der überhaupt kein Schmiermittel
benötigt.
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Entsprechend der Erfindung wird ein chemisch adsorbierter Film
so auf der Oberfläche von z.B. einem Spielball gebildet, daß er
chemisch über Siloxanbindungen an die Oberfläche gebunden ist.
Dieser Film ermöglicht einen geringen Reibungswiderstand, wenn
der Ball rollt, besitzt eine hervorragende Schmierwirkung und
kann die Bildung von Kratzern oder Schrammen verhindern. Da die
Oberflächenschicht des Films Fluoralkylgruppen enthält, besitzt
der Film einen geringen Reibungswiderstand, d.h. der Ball
besitzt beim Rollen einen geringen Reibungswiderstand, wobei der
Film hervorragende wasser- und ölabweisende Eigenschaften
besitzt sowie Schmutz abweist. Da weiterhin die chemischen
Bindungen über Siloxanbindungen gebildet werden, besitzt der Film
eine hervorragende Haltbarkeit. Daher löst er sich nicht ohne
weiteres von der Oberfläche eines Substrats ab, selbst wenn die
Oberfläche wiederholt einer Rollbewegung ausgesetzt oder unter
dem Einfluß von Reibung bewegt wird. Da weiterhin die Dicke des
Films im nm- oder Å-Bereich liegt, beeinträchtigt er die
Geometrie des verarbeiteten Spielballs nicht nachteilig. Mit dem
bevorzugten chemisch adsorbierten monomolekularen Film kann
weiterhin ein gleichförmig dünner und hervorragend transparenter
Film erhalten werden.
-
Substrate entsprechend der Erfindung umfassen z.B. Spielbälle
wie solche, die für Pachinko-, Smartball-, Flipper- und
Roulettspiele verwendet werden. Ein Metallsubstrat besitzt
gewöhnlich Hydroxylgruppen auf der Oberfläche. Wenn jedoch ein
Harz oder ein ähnliches Substrat, oder eine Metalloberfläche,
die nicht so viele oberflächliche Hydroxylgruppen besitzt,
verwendet wird, kann die Oberfläche mit einem Plasma oder einer
Ultraviolettbestrahlung behandelt oder mit einer Siloxanschicht
versehen werden, um auf der Oberfläche viele Hydroxylgruppen zu
erzeugen. Dann kann ein laminierter chemisch adsorbierter
monomolekularer Film auf z.B. Fluorkohlenstoffbasis auf der
Oberfläche
des Substrats gebildet werden, durch Inkontaktbringen
der Oberfläche des Substrats mit einem nichtwäßrigen
Lösungsmittel, enthaltend Moleküle, enthaltend eine geradkettige
Kohlenstoffkette mit einer Chlorsilangruppe (SiClnX3-n, n
bedeutet 1, 2 oder 3, X bedeutet eine funktionelle Gruppe) an
einem Ende, z.B. ein oberflächenaktives Material auf
Chlorsilanbasis, enthaltend z.B. eine Fluorkohlenstoff- und eine
Chlorsilangruppe für die Reaktion zwischen den Hydroxylgruppen auf der
Oberfläche des Substrats und den Chlorsilylgruppen des
oberflächenaktiven Materials, um einen monomolekularen Film auf der
Oberfläche des Substrats zu bilden, oder durch Inkontaktbringen
des Substrats mit einem nichtwäßrigen Lösungsmittel, enthaltend
ein oberflächenaktives Material, enthaltend eine Vielzahl von
Chlorsilylgruppen für eine Reaktion zwischen den
Hydroxylgruppen auf der Oberfläche des Substrats und den Chlorsilylgruppen
des oberflächenaktiven Materials, um einen monomolekularen Film
auf der Oberfläche des Substrats zu bilden; Wegwaschen von
überschüssigem Material, enthaltend eine Vielzahl von
Chlorsilylgruppen, von der Oberfläche des Substrats, um auf dem
Substrat einen monomolekularen Film auf Siloxanbasis zu
erhalten, der eine Vielzahl von Chlorsilylgruppen enthält, und
chemisches Adsorbieren eines oberflächenaktiven Materials auf
Silanbasis, enthaltend eine geradkettige Kohlenstoffkette mit
einer Chlorsilangruppe an einem Ende auf dem Substrat, um einen
laminierten chemisch adsorbierten monomolekularen Film zu
bilden.
-
Auf diese Weise kann z.B. ein monomolekularer Film auf
Fluorkohlenstoffbasis mit einer Dicke im nm-Bereich auf der
Oberfläche des Spielballs gebildet werden, ohne daß die Geometrie oder
die Form des Spielballs verändert wird. Dieser Film besitzt
hervorragende Gleiteigenschaften und ermöglicht eine
Verringerung des Reibungswiderstandes der Oberfläche. Es ist auf diese
Weise möglich, einen Film zu erhalten, der einen geringen
Reibungswiderstand besitzt, der extrem zuverlässig ist und der
hervorragende wasser- und ölabweisende Eigenschaften besitzt
sowie Schmutz abweist.
-
Beispiel 1
-
Eine verarbeitete Mikromaschine 1 (mit einem Zahnrad 1b und
einer Welle bzw. Achse 1a), hergestellt aus SiO&sub2; und mit einem
Durchmesser von 100 µm, wurde hergestellt (Figur 1) und mit
einem organischen Lösungsmittel gewaschen. Dann wurde ein
Lösungsmittel, enthaltend ein Material, enthaltend eine
Fluorkohlenstoff- und eine Chlorsilangruppe, hergestellt, indem etwa
2% CF&sub3;(CF&sub2;)&sub7;(CH&sub2;)&sub2;SiCl&sub3; in z.B. einem gemischten Lösungsmittel
gelöst wurden, zusammengesetzt aus 80% n-Hexadecan (oder Toluol
oder xylol oder Dicyclohexyl), 12% Tetrachlorkohlenstoff und 8%
Chloroform. Mindestens ein Reibungsbereich der Mikromaschine
(oder die gesamte Mikromaschine) wurde etwa 2 Stunden lang in
die Lösung eingetaucht und darin gehalten. Daraufhin fand eine
Chlorwasserstoffabspaltung statt, infolge der Reaktion zwischen
den Hydroxylgruppen, die zahlreich auf der Oberfläche des SiO&sub2;
vorlagen, und den SiCl-Gruppen des Materials, das eine
Fluorkohlenstoff- und eine Chlorsilangruppe enthielt, so daß auf der
Substratoberfläche Bindungen erzeugt wurden, die durch Formel 1
dargestellt sind.
Formel [1]
-
Der Film wurde dann mit Chloroform gewaschen, um nicht
umgesetztes Material, das auf der Oberfläche verblieb, zu
entfernen, und dann wurde der Film mit Wasser gewaschen oder der
Luftfeuchtigkeit ausgesetzt. Die SiCl-Gruppen wurden in
SiOH- Gruppen umgewandelt, wie in Formel 2 gezeigt.
Formel [2]
-
Die Silanolgruppen (-SiOH) wurden dann dehydratisiert und
vernetzt, um nach dem Trocknen Siloxanbindungen (-SiO-) zu bilden,
wie in Formel 3 gezeigt. Die Trocknungstemperatur kann
Raumtemperatur oder eine höhere Temperatur sein.
Formel [3]
-
Ein Fluor enthaltender monomolekularer Film 2 konnte auf der
gesamten Oberfläche des Reibungsbereichs gebildet werden. Er
war chemisch an das Zahnrad und an die Welle bzw. Achse
gebunden und besaß eine Dicke von etwa 15 Å (1,5 nm). Die
Schwellenoberflächenenergie (threshold surface energy) des Films wurde
gemessen (Meßgerät: "Automatic Contact Angle Gauge Model CA-Z"
von Kyowa Kaimen Kagaku Co., Ltd.), wobei sich ein Wert von 15
dyn/cm ergab. Der dynamische Reibungskoeffizient betrug 0,15
(Meßgerät: "Fully Automatic Dynamic Friction Coefficient Gauge
Model DFPM-SS" von Kyowa Kaimen Kagaku Co., Ltd.
-
Dieser monomolekulare Film war ausreichend dünn, verglichen mit
den Abmessungen des Zahnrades und der Welle bzw. Achse. Da er
weiterhin Fluorkohlenstoffgruppen enthielt, besaß er gute
Schmiereigenschaften. Da er weiterhin chemisch fest gebunden
war, konnte er einer hohen Rotationsgeschwindigkeit widerstehen
und löste sich nicht ab. Weiterhin wurde das Zahnrad getestet,
indem es mit 10000 Umdrehungen rotiert wurde, und es überstand
etwa das 30-fache der Anzahl an Umdrehungen, verglichen mit
einem nichtbehandelten Zahnrad.
-
Das oben genannte Waschen mit Chloroform wurde ausgelassen, und
ein Fluorkohlenstoff-Polymerfilm wurde auf dem Substrat
adsorbiert. Der Polymerfum auf Fluorkohlenstoffbasis war fest an
das Substrat gebunden. Der Film besaß einen geringen
Reibungswiderstand und hervorragende selbstschmierende Eigenschaften.
Beispiel 2
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Ein Teil, hergestellt aus Aluminiumoxid (oder einem Metall, wie
z.B. rostfreiem Stahl), das weniger Hydroxylgruppen enthält,
obwohl es hydrophil ist, wurde behandelt. Das Teil 11 aus
Aluminiumoxid wurde etwa 30 Minuten lang in eine Lösung
eingetaucht und darin gehalten, hergestellt durch Auflösen von
1 Gew.% eines Materials, enthaltend eine Vielzahl von
Chlorsilylgruppen, wie z.B. die Verbindung SiCl&sub4;, die eine kleine
Molekülgröße besitzt und gegenüber Hydroxylgruppen extrem
reaktiv ist, so daß sie die Oberfläche sehr wirksam hydrophil
machen kann, in einem nichtwäßrigen Lösungsmittel, wie z.B. einem
Chloroformlösungsmittel. Daraufhin fand eine
Chlorwasserstoffabspaltung statt, infolge der hydrophilen OH-Gruppen 12, die
mehr oder weniger zahlreich auf der Oberfläche des Teils 11 aus
Aluminiumoxid vorlagen (Figur 3), wobei ein monomolekularer
Chlorsilanfilm des Materials, enthaltend eine Vielzahl von
Trichlorsilylgruppen, gebildet wurde.
-
Wenn z.B. SiCl&sub4; als das Material, welches eine Vielzahl von
Chlorsilylgruppen enthält, verwendet wurde, fand auf der
Oberfläche eine Chlorwasserstoffabspaltung statt, infolge der
geringen Menge an hydrophilen OH-Gruppen, die sich auf einem Teil
der Oberfläche 11 befanden. Moleküle, wie sie durch die Formeln
4 und/oder 5 dargestellt sind, wurden gebildet.
Formel [4]
Formel [5]
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Diese Bindungen waren mit der Oberfläche über -SiO- Bindungen
verbunden.
-
Danach wurde das Teil mit einem nichtwäßrigen Lösungsmittel
gewaschen, z.B. mit Chloroform, um nicht umgesetzte SiCl&sub4;-
Moleküle zu entfernen, und dann mit Wasser, wobei ein
monomolekularer
Siloxanfilm 13 (Figur 4) auf der Oberfläche des Teils
erhalten wurde, wie in den Formeln 6 und/oder 7 gezeigt.
[Formel 6]
[Formel 7]
-
Das oben genannte Waschen mit Chloroform wurde ausgelassen, und
ein Polymerfilm auf Siloxanbasis wurde auf dem Substrat
adsorbiert. Der Polymerfum auf Siloxanbasis war fest an das
Substrat gebunden.
-
Der monomolekulare Film 13 war vollständig über chemische
Bindungen aus -SiO- an die Oberfläche des Teils gebunden und löste
sich nicht ab. Zusätzlich enthielt die Oberfläche des Films
zahlreiche Silanol (-SiOH)-Bindungen, die etwa dem dreifachen
der ursprünglichen Anzahl an Hydroxylgruppen entsprachen.
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Weiterhin wurde das Teil, das oberflächlich mit einem
monomolekularen Film versehen war, der zahlreiche SiOH-Bindungen
enthielt, etwa eine Stunde lang in eine nichtwäßrige Lösung
eingetaucht und darin gehalten, die ein Material enthielt,
enthaltend eine Fluorkohlenstoff- und eine Chlorsilangruppe, z.B. in
eine Lösung, hergestellt durch Auflösen von etwa 3 Gew.-%
CF&sub3;(CF&sub2;)&sub7;(CH&sub2;)&sub2;SiCl&sub3; in einem Lösungsmittel, enthaltend
80 Gew.-% n-Hexadecan, 12 Gew.-% Tetrachlorkohlenstoff und 8
Gew.-% Chloroform. Der Film wurde dann mit Chloroform
gewaschen,
um nicht umgesetztes Material von der Oberfläche zu
entfernen, und danach mit Wasser gewaschen oder der
Luftfeuchtigkeit ausgesetzt. Auf diese Weise wurden Bindungen aus
CF&sub3;(CF&sub2;)&sub7;(CH&sub2;)&sub2;Si(O-)&sub3; auf der Oberfläche gebildet, und ein
Fluor enthaltender monomolekularer Film 14 wurde gebildet, wie
oben in den Formeln 1 bis 3 gezeigt. Der Film wurde mit einer
hohen Dichte auf der gesamten Oberfläche des Teils gebildet und
war chemisch an den inneren monomolekularen Siloxanfilm
gebunden. Die Dicke des Films betrug etwa 1,5 nm (Figur 5).
Dieser laminierte monomolekulare Film löste sich in einem Test
zur Bestimmung der Haftfestigkeit nicht ab. Er besaß etwa die
Hälfte des Reibungswiderstandes, verglichen mit dem Fluor
enthaltenden monomolekularen Film, der direkt auf der Oberfläche
des Teils gebildet wurde.
-
In der oben genannten Ausführungsform wurde CF&sub3;(CF&sub2;)&sub7;(CH&sub2;)&sub2;SiCl&sub3;
als Fluor enthaltendes oberflächenaktives Material verwendet;
wenn eine Ethylen- oder Acetylengruppe an die Alkylkette
addiert oder in diese Kette eingebracht wird, ist es möglich, den
Film mittels einer Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl von 5
Mrad zu vernetzen, nachdem der monomolekulare Film gebildet
wurde. Die Härte des auf diese Weise erhaltenen Films kann so
weiterhin erhöht werden. Wie in dem oben genannten Beispiel
gezeigt wurde, wird ein schmierender monomolekularer Film auf
Fluorkohlenstoffbasis mit einer Dicke im nm-Bereich, der im
Vergleich mit den Abmessungen der Teile der Mikromaschine
gering ist, auf der Oberfläche des Reibungsbereichs der
Mikromaschine gebildet, und die inhärenten Eigenschaften der
Mikromaschine werden nicht nachteilig beeinflußt. Weiterhin ist der
monomolekulare Film auf Fluorkohlenstoffbasis biokompatibel,
besitzt einen sehr geringen Reibungswiderstand, löst sich nicht
ab und besitzt eine hervorragende Beständigkeit. Daher ist der
Film bestens geeignet für die Verwendung in einer
Mikromaschine, die innerhalb des menschlichen Körpers verwendet wird, und
in der deshalb kein Schmiermittel verwendet werden kann.
-
Entsprechend der Erfindung wird ein chemisch adsorbierter Film,
der eine Oberflächenschicht, enthaltend z.B. Fluor, und eine
Schicht aus Molekülketten, die chemisch über Siloxanbindungen
an das Substrat gebunden ist, umfaßt, auf mindestens einem
Bereich der Reibungsfläche von z.B. einem Maschinenteil gebildet.
Auf diese Weise ist es möglich, ein Maschinenteil
bereitzustellen, das einen geringen Reibungswiderstand und hervorragende
selbstschmierende Eigenschaften besitzt.
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Weiterhin kann mit dem bevorzugten chemisch adsorbierten
monomolekularen Film ein dünner Film mit einer gleichförmigen Dicke
erhalten werden, der hervorragend transparent ist und die
Geometrie der verarbeiteten Maschine nicht nachteilig beeinflußt.
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Weiterhin können mit der Mikromaschine Maschinenteile mit
selbstschmierenden Eigenschaften und hervorragender
Beständigkeit bereitgestellt werden, die kein Schmiermittel benötigen.
Beispiel 3
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Eine Welle bzw. Achse 21, ein Rotationszylinder 22 und ein
Lager 23 eines verarbeiteten VTR-Zylinderkopfes (Figur 6) wurden
mit einer organischen Lösung gewaschen. Eine nichtwäßrige
Lösung, enthaltend ein Material, enthaltend eine
Fluorkohlenstoff- und eine Chlorsilangruppe, wurde durch Auflösen von z.B.
etwa 2 Gew.-% CF&sub3;(CF&sub2;)&sub7;(CH&sub2;)&sub2;SiCl&sub3; in einem Lösungsmittelgemisch
hergestellt, zusammengesetzt aus 80 Gew.-% n-Hexadecan (oder
Toluol oder Xylol oder Dichlorhexyl), 12 Gew.-%
Tetrachlorkohlenstoff und 8 Gew.-% Chloroform. Die Welle bzw. Achse 21,
der Rotationszylinder 22 und das Lager 23 wurden etwa 2 Stunden
lang in die Lösung eingetaucht und darin gehalten. Daraufhin
fand eine Chlorwasserstoffabspaltung statt, infolge der
Reaktion zwischen den Hydroxylgruppen, die zahlreich auf der
Oberfläche eines natürlichen Oxidfilms 24 auf der Oberfläche
der Welle bzw. Achse 21, des Rotationszylinders 22 und des
Lagers 23 vorlagen, und den SiCl-Gruppen in dem Material,
enthaltend eine Fluorkohlenstoff- und eine Chlorsilangruppe. Der Film
wurde dann mit Chloroform gewaschen, um nicht umgesetztes
Material von der Oberfläche zu entfernen, und dann mit Wasser
gewaschen oder der Luftfeuchtigkeit ausgesetzt. Auf diese Weise
wurden Bindungen von CF&sub3;(CF&sub2;)&sub7;(CH&sub2;)&sub2;Si(O-)&sub3; auf der Oberfläche
gebildet, und ein Fluor enthaltender monomolekularer Film 26
wurde wie in den oben genannten Formeln 1 bis 3 beschrieben
gebildet. Der Film war chemisch an die Oberfläche der Welle bzw.
Achse 21, des Rotationszylinders 22 und des Lagers 23 gebunden
und besaß eine Dicke von etwa 1,5 nm (Figur 8).
-
Die Schwellenoberflächenenergie des Films wurde gemessen
(Meßgerät: "Automatic Contact Angle Gauge Model CA-Z" von Kyowa
Kaimen Kagaku Co., Ltd.), wobei sich ein Wert von 15 dyn/cm
ergab. Der dynamische Reibungskoeffizient betrug 0,15 (Meßgerät:
"Automatic Dynamic Friction Gauge Model DFPM-SS" von Kyowa
Kaimen Kagaku Co., Ltd.).
-
Dieser monomolekulare Film war sehr dünn, verglichen mit den
Abmessungen der Welle bzw. Achse, des Rotationszylinders und
des Lagers. Zusätzlich enthielt er Fluorkohlenstoffgruppen und
war extrem gleitfähig. Weiterhin war er sehr fest chemisch
gebunden und konnte daher hohen Rotationsgeschwindigkeiten
widerstehen und löste sich nicht ab. Weiterhin wurden die Welle bzw.
Achse 21, der Rotationszylinder 22 und das Lager 23 in einem
VTR-Zylinderkopf angeordnet, der dann bei einer
Rotationsgeschwindigkeit von 2500 Umdrehungen pro Minute getestet wurde&sub9;
Der Kopf besaß etwa die doppelte Lebensdauer, verglichen mit
einem nichtbehandelten Kopf.
Beispiel 4
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Dieses Beispiel betrifft einen VTR-Zylinderkopf, hergestellt
aus einem Material, das wenig Hydroxylgruppen enthält, obwohl
es hydrophil ist. Der VTR-Zylinderkopf, wie in Beispiel 3
beschrieben, umfaßte eine Welle bzw. Achse 31, einen
Rotationszylinder 32 und ein Lager 33 (Figur 9). Diese Teile wurden etwa
30 Minuten lang in eine Lösung eingetaucht und darin gehalten,
hergestellt durch Auflösen von 1 Gew.-% eines Materials,
enthaltend eine Vielzahl von Chlorsilylgruppen, wie z.B.
Cl(SiCl&sub2;O)&sub2;SiCl&sub3;, das eine kleine Molekülgröße besitzt und
bezüglich der Hydroxylgruppen extrem reaktiv ist, und das die
Oberfläche der Welle bzw. Achse 31, des Rotationszylinders 32
und des Lagers 33 gleichmäßig hydrophil machen kann, in einem
nichtwäßrigen Lösungsmittel, z.B. einem Chloroform-
Lösungsmittel. Daraufhin fand eine Chlorwasserstoffabspaltung
auf der Oberfläche der Welle bzw. Achse, des Rotationszylinders
und des Lagers statt, infolge der hydrophilen -OH-Gruppen 35,
die mehr oder weniger zahlreich auf der Oberfläche vorlagen,
woraufhin ein monomolekularer Chlorsilanfilm des Materials,
enthaltend eine Vielzahl von Chlorsilylgruppen, gebildet wurde.
-
Beispielsweise fand eine Chlorwasserstoffabspaltung auf der
Oberfläche der Welle bzw. Achse des VTR-Zylinders 34 statt,
infolge der kleinen Menge der hydrophilen -OH-Gruppen 35, die auf
der Oberfläche vorlagen. Bindungen, dargestellt durch die
Formeln 8 und/oder 9, wurden auf diese Weise über -SiO- Bindungen
zur Oberfläche gebildet.
[Formel 8]
[Formel 9]
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Daraufhin wurde die Welle bzw. Achse mit einem nichtwäßrigen
Lösungsmittel, z.B. mit Chloroform, und dann mit Wasser
gewaschen, woraufhin auf dem Teil der Oberfläche ein
monomolekularer Siloxanfilm 36 (Figur 11) gebildet wurde, entsprechend den
Formeln 10 und/oder 11.
[Formel 10]
[Formel 11]
-
Der auf diese Weise gebildete monomolekulare Film 36 war fest
über chemische -SiO- Bindungen an die Welle bzw. Achse des VTR-
Zylinders gebunden und löste sich nicht ab. Dieser
monomolekulare Film besaß auf seiner Oberfläche zahlreiche
SiOH- Bindungen, deren Anzahl etwa dem 6- bis 7-fachen der
ursprünglichen Anzahl der Hydroxylgruppen entsprach.
-
Weiterhin wurde die Welle bzw. Achse des VTR-Zylinders, die mit
dem monomolekularen Film, der zahlreiche -SiO- Bindungen an
seiner Oberfläche besaß, versehen war, etwa eine Stunde lang in
eine nichtwäßrige Lösung eingetaucht und darin gehalten,
enthaltend ein Material, enthaltend eine Fluorkohlenstoff- und
eine Chlorsilangruppe, z.B. in eine Lösung, hergestellt durch
Auflösen von etwa 2 Gew.-% CF&sub3;(CF&sub2;)&sub7;(CH&sub2;)&sub2;SiCl&sub3; in einem
Lösungsmittel,
enthaltend 80 Gew.-% n-Hexadecan, 12 Gew.-%
Tetrachlorkohlenstoff und 8 Gew.-% Chloroform. Der Film wurde
dann mit Chloroform gewaschen, um nicht umgesetztes Material
von der Oberfläche zu entfernen, und dann mit Wasser gewaschen
oder der Luftfeuchtigkeit ausgesetzt. Als Ergebnis wurden
Bindungen aus CF&sub3;(CF&sub2;)&sub7;(CH&sub2;)&sub2;Si(O-)&sub3; auf der Oberfläche gebildet,
und ein Fluor enthaltender monomolekularer Film 37 wurde
gebildet, wie in den Formeln 1 bis 3 gezeigt. Der Film war chemisch
an den inneren monomolekularen Siloxanfilm 36 gebunden und
besaß eine Dicke von etwa 1,5 nm (Figur 12). Der monomolekulare
Film löste sich in einem Test zur Bestimmung der Haftfestigkeit
nicht ab.
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Der Reibungswiderstand des Films war in etwa identisch (one
fold) mit dem Reibungswiderstand eines Fluor enthaltenden
monomolekularen Films, der direkt auf der Oberfläche des Teils
gebildet wurde.
-
Wie in dem oben genannten Beispiel gezeigt wurde, wurde die
Welle bzw. Achse des VTR-Zylinders mit einer nichtwäßrigen
Lösung in Kontakt gebracht, enthaltend ein oberflächenaktives
Material auf Chlorsilanbasis, enthaltend eine
Fluorkohlenstoff- und eine Chlorsilangruppe, woraufhin eine Reaktion zwischen den
Hydroxylgruppen auf der Oberfläche der Welle bzw. Achse und den
Chlorsilylgruppen stattfand, so daß ein monomolekularer Film
auf der Oberfläche des Substrats gebildet wurde. Der auf diese
Weise gebildete monomolekulare Film auf Fluorkohlenstoffbasis
besaß eine Dicke im nm-Bereich und war chemisch an die
Oberfläche des Kopfes gebunden. Daher beeinträchtigte er die
Funktionen, die der Welle bzw. Achse des VTR-Zylinders inhärent
sind, nicht nachteilig, so daß es möglich ist, eine Welle bzw.
Achse eines VTR-Zylinders zu erhalten, die hervorragende
Gleiteigenschaften besitzt, einen geringen Reibungswiderstand
besitzt und hervorragende selbstschmierende Eigenschaften
besitzt und extrem haltbar ist.
Beispiel 5
-
Ein chemisch adsorbierter monomolekularer Film wie in Beispiel
3 und wie in Figur 6 gezeigt wurde auf der äußeren Oberfläche
eines Rotationszylinders und der Oberfläche einer Bandführung
gebildet. Der chemisch adsorbierte monomolekulare Film besaß
einen sehr geringen Reibungswiderstand beim Laufen des Bandes
und war extrem haltbar. Weiterhin bildeten sich nicht ohne
weiteres Kratzer oder Schrammen auf dem Band, und der Film besaß
hervorragende selbstschmierende Eigenschaften.
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Wie im vorhergehenden gezeigt wurde, findet der
selbstschmierende Film umfangreiche Verwendung bei z.B. Teilen eines
Audio- oder Videogerätes, wie z.B. der Oberfläche eines
Magnetisierungskopfes (einschließlich eines
Entmagnetisierungskopfes) eines Tonbandes, der Oberfläche eines VTR-
Rotationszylinders (einschließlich eines Kopfes), der
Oberfläche und dem Lagerbereich eines DAT-Rotationszylinders, der
Oberfläche eines stationären Kopfes einer VTR- und DAT-
Vorrichtung und einer Bandführung.
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Wie im vorhergehenden gezeigt wurde, wird entsprechend der
Erfindung ein chemisch adsorbierter Film, der eine
Oberflächenschicht, enthaltend z.B. Fluorgruppen, und eine Schicht aus
Molekülketten, die chemisch über Siloxanbindungen an das Substrat
gebunden ist, enthält, auf der Substratoberfläche, wie z.B. der
Oberfläche eines laufenden Bandes, gebildet, und auf diese
Weise ist es möglich, den Reibungswiderstand beim Laufen des
Bandes zu verringern und so die Bildung von Kratzern und Schrammen
auf dem Band infolge von Reibung zu verhindern.
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Weiterhin ist es mit dem chemisch adsorbierten Film, der auf
der Oberfläche eines Gleitbereichs von z.B. Teilen einer
Audiooder Videovorrichtung gebildet wird, möglich, eine Vorrichtung
mit geringem Reibungswiderstand und hervorragenden
selbstschmierenden Eigenschaften bereitzustellen. Genauer gesagt, da
die Oberflächenschicht des chemisch adsorbierten Films z.B.
Fluoralkylgruppen enthält, ist es möglich, den
Reibungswiderstand, d.h. den Reibungswiderstand beim Laufen des Bandes, zu
verringern, und ein Reibungsbereich der Vorrichtung mit
hervorragenden selbstschmierenden Eigenschaften kann erhalten werden.
Da weiterhin der Bereich aus Molekülketten des chemisch
adsorbierten Films chemisch über Siloxanbindungen an das Substrat
gebunden ist, kann ein Film mit hervorragender Haltbarkeit
erhalten werden, der sich nicht ohne weiteres von der Oberfläche
des Substrats ablöst, wenn die Oberfläche wiederholt einer
Gleit- bzw. Laufbewegung ausgesetzt oder gerieben wird. Da
weiterhin der chemisch adsorbierte Film entsprechend der Erfindung
sehr dünn ist, mit einer Dicke im nm- oder Å-Bereich,
beeinträchtigt er die Geometrie der verarbeiteten Maschine nicht
nachteilig.
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Da weiterhin der chemisch adsorbierte Film ein monomolekularer
Film sein kann, und eine Dicke im nm-Bereich besitzen kann, ist
er hervorragend transparent und beeinflußt die Geometrie von
z.B. der verarbeiteten Maschine nicht nachteilig. Weiterhin
kann er die selbstschmierenden Eigenschaften verleihen, ohne
daß irgendein Schmiermittel benötigt wird, und er ist extrem
haltbar. Auf diese Weise werden die Wartungs- und
Instandhaltungsarbeiten deutlich verringert.
Beispiel 6
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Ein Pachinkoball wurde mit einer organischen Lösung gewaschen
und dann etwa 2 Stunden lang in eine Lösung getaucht und darin
gehalten, enthaltend ein Material mit einer
Fluorkohlenstoff- und einer Chlorsilangruppe, z.B. in eine Lösung, hergestellt
durch Auflösen von etwa 2 Gew.-% CF&sub3;(CF&sub2;)&sub7;(CH&sub2;)&sub2;SiCl&sub3; in einem
Lösungsmittel, enthaltend 80 Gew.-% n-Hexadecan (oder Toluol
oder Xylol oder Dicyclohexyl), 12 Gew.-% Tetrachlorkohlenstoff
und 8 Gew.-% Chloroform. Daraufhin fand eine
Chlorwasserstoffabspaltung statt, infolge der Reaktion zwischen den
Hydroxylgruppen 43, die zahlreich auf der Oberfläche eines natürlichen
Oxidfilms 42 vorlagen, der sich auf der Oberfläche des
Pachinkoballs
41 gebildet hatte (Figur 13), und den SiCl-Gruppen des
Materials, enthaltend eine Fluorkohlenstoff- und eine
Chlorsilangruppe. Der Film wurde dann mit Chloroform gewaschen, um
nicht umgesetztes Material von der Oberfläche zu entfernen, und
danach mit Wasser gewaschen oder der Luftfeuchtigkeit
ausgesetzt. Auf diese Weise wurden Bindungen aus
CF&sub3;(CF&sub2;)&sub7;(CH&sub2;)&sub2;Si(O-)&sub3; auf der Oberfläche gebildet, und ein
Fluor enthaltender monomolekularer Film 44 wurde gebildet, wie
oben in den Formeln 1 bis 3 gezeigt (Figur 14). Der Film war
chemisch an die Oberfläche des Pachinkoballs 41 gebunden und
besaß eine Dicke von etwa 1,5 nm.
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Er war chemisch sehr fest gebunden und löste sich nicht ab.
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Das obengenannte Waschen mit Chloroform wurde ausgelassen, und
ein Fluorkohlenstoff-Polymerfilm wurde auf dem Substrat
adsorbiert. Der Polymerfilm auf Fluorkohlenstoffbasis war fest an
das Substrat gebunden. Der Film besaß einen geringen
Reibungswiderstand und hervorragende selbstschmierende Eigenschaften.
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Wie im vorhergehenden gezeigt wurde, besitzt der Überzugsfilm
hervorragende Gleiteigenschaften, ist wasser- und ölabweisend,
haltbar und abriebbeständig, und kann z.B. bei Spielbällen
verwendet werden, die in Spielmaschinen verwendet werden, z.B. für
Pachinko-, Smartball-, Billard- und Roulettspiele.
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Da der chemisch adsorbierte Film chemisch über Siloxanbindungen
an z.B. die Oberfläche von Spielbällen gebunden ist, ist der
Reibungswiderstand gering, wenn der Ball rollt. Zusätzlich
besitzt der Film hervorragende Gleiteigenschaften und verhindert
die Bildung von Kratzern und Schrammen. Da weiterhin die
Oberflächenschicht des chemisch adsorbierten Films z.B.
Fluoralkylgruppen enthält, besitzt sie einen geringen Reibungswiderstand,
d.h. der Reibungswiderstand des Balls, wenn dieser rollt, ist
gering. Der Film besitzt ebenfalls hervorragende wasser- und
ölabweisende sowie schmutzabweisende Eigenschaften. Da er
weiterhin chemisch über Siloxanbindungen gebunden ist, ist er
extrem haltbar und löst sich nicht ohne weiteres von der
Oberfläche des Substrats ab, selbst wenn diese wiederholt einer
Rollbewegung oder einer Bewegung unter dem Einfluß von Reibung
ausgesetzt wird. Weiterhin ist der bevorzugte chemisch adsorbierte
monomolekulare Film hervorragend transparent und beeinflußt die
Geometrie z.B. des verarbeiteten Spielballs nicht nachteilig&sub4;
Eine gleichförmige Dicke kann ebenfalls erhalten werden.
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Wie gezeigt worden ist, ist die Erfindung von großem
industriellen Nutzen.
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Die Erfindung kann in anderen Ausführungsformen praktiziert
werden.