DE2361348A1 - Verfahren und anordnung zur behandlung von faserstoffen und polymeren materialien im niedertemperaturplasma - Google Patents

Description

• Verfahren und Anordnung zur Behandlung von Faserstoffen und polymeren Materialien im Niedertemperaturplasma Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Behandlung von Faserflocken, linienförmigen Paserbändern, te tilen Flächengebilden, insbesondere nicht gewebten Flächengebilden, wie Vliesstoffe an sich bekannter Konstruktion, aus Naturfaserstoffen, synthetischen Faserstoffen und anderen polymeren Materialien.
• Es sind Verfahren und Anordnungen zur Behandlung von Faserstoffen und anderen polymeren Materialien mit dem Ziel der Adhäsionserhöhung und einer dadurch eintretenden Erhöhung der gegenseitigen Haftung bekannt. Diese Verfahren und Anordnungen nutzen die Korona- bzw. Glimmentladung zur Erlangung dieses Effektes.
• Bei den bekannten Koronaentladungsanlagen wird die Entladung in einem Plattenkondensator erzeugt. Der maximal mögliche Elektrodenabstand ist trotz Verwendung von Hochspannung von 15 .. 20 kv bei Atmosphärendruck gering und beträgt nur ca. 3 mm. Koronaanlagen arbeiten mit Frequenzen des Netz- bis Mittelfrequenzbe~ reiches.
• Für Glimmentladungsanlagen ist ein Vakuum von 10 3 Torr nötig.
• Bei diesen Anlagen wird die Entladung ebenfalls in einem Plattenkondensator erzeugt. Die Arbeitsfrequenzen reichen vom Netzfrequenz- bis Hochfrequenzbereich. Bei Verwendung einer Entladung im Vakuum ist für die Einführung des Materials in die Entladungszdne bei kontinuierlichem Betrieb eine Vakuumschleuse nötig, oder die Behandlung ist nur diskontinuierlich durchführbar.
• Der Nachteil bei dieser Behandlung von textile und anderem polymeren Material in der Koronaentladung besteht in einer ungleichmäßigen Koronaentladungszoii:e, so daß der Effekt an der Oberfläche der Faserstoffe und anderen polymeren Materialien nicht gleichmäßig oder nur einseitig ist. Es ist ein Vakuum für die Erzeugung der Glimmentladung nötig. Für die Vakuumanlage werden hoher apparativer Aufwand und hohe Anlagenkosten benötigt, und es ergeben sich schlechte Eingliederungsmöglichkeiten der Anlage in den technologischen Prozeß Schlechte Einbringungsmöglichkeiten des textilen Materials in die Vakuumzelle, insbesondere bei Faserbändern und hohe Betriebs spannungen der Glimm- bzw. Koronaentladung und damit verbunden hoher Aufwand zur Sicherung des Arbeitsschutzes sind außerdem nachteilig.
• Der Zweck der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit welchen es möglich ist, die physikalischen Eigenschaften, wie Reiß- und Scheuerfestigkeit, Krumpfung und Formbeständigkeit sowie das chemische Verhalten von Fasern, linienförmigen Faserbändern, textilen Flächengebilden, insbesondere nichtgewebten Flächengebilden aus textilen Faserstoffen und/oder anderen polymeren Materialien zu verbessern bzw. zu erhöhen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Effekt der Adhäsionserhöhung durch Verwendung einer geeigneten Form der Gasentladung am behandelten Gut zu erreichen und die bei der Behandlung in der Gasentladung entstehenden freien Radikale für chemische Prozesse der Pfropfung und/oder Pfropfpolymerisation auszunutzen.
• ErSindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das textile Material in einer an sich bekannten einpoligen oder elektroden~ losen Hochfrequenz oder Höchstfrequenzentladung in einem beliebigen Arbeitsgas und bei beliebigem Druck in der Behandlungszone, vorzugsweise jedoch in Argon und bei Atmosphärendruck behandelt wird.
• Die an sich bekannte einpolige Hoch- oder Höchstfrequenzentladung (HF-PlasmaBackel) brennt an einer Elektrode aufsitzend, ohne eine Gegenelektrode zu benötigen, frei in den Raum hinein, wobei die Frequenz höher als 10 IEz gewählt wird. Der Stromkreis wird kapazitiv geschlossen. Die Gastemperatur in einer HF-Plasmafackel bei Verwendung von einatomigen Gasen liegt in der Größenordnung der Raumtemperatur.
• Das Elektrodenende, an das die HF-Plasmafackel ansetzt, kann in bekannter Weise sowohl als-Spitze (Stabelektrode) oder auch als Hohlelektrode ausgeführt sein. Die Gaszufuhr erfolgt bei der Stabelektrode über den Umfang der Elektrode in ihrer Achsenrichtung. Bei der Hohlelektrode erfolgt die-Gaszufuhr durch die Elektrodenbohrung.
• Erfindungsgemäß wird der bekannte Effekt der Behandlung von textilen Materialien dadurch erreicht, daß das textile Material mit der HF-Plasmafackel in einem beliebigen Winkel zur Richtung des Arbeitsgasstromes in Kontakt gebracht wird.
• Die Zufuhr des zu behandelnden textilen Materials erfolgt vorzugsweise in Richtung oder senkrecht zur Richtung des Arbeitsgasstromes.
• Im Falle einer Materialzufuhr in Richtung des Arbeitsgasstromes wird das textile Material entweder durch den Plasmagenerator durch die HF-Plasmafackel geleitet, d. h. bei Verwendung einer Stabelektrode entlang der Elektrode in die HP-Plasmafackel oder bei Verwendung einer Hohlelektrode durch die Elektrodenbohrung hindurch in die HF-lasmafackel geführt, oder aber das textile Material wird außerhalb des Plasmagenerators in einer solchen Weise gelenkt, daß es die HF-Plasmafackel in Richtung des Arbeitsgasstromes passiert.
• Die Art der Materialzufuhr in die HF-Plasmafackel wird durch die Art und Form des textilen Materials bestimmt0 So werden z.B. te,=-tile Flächengebilde vorzugsweise der HF-Plaiiafackel senkrecht zur Richtung des Arbeitsgasstromes zugeführt.
• Die Materialzufuhr kann in einer oder mehreren Bahnen erfolgen, die beliebig zueinander angeordnet sind.
• Zur Erzielung einer definierten Arbeitsgasatmosphäre, insbesondere zur Ausschließung des liuftsauerstoffes, kann die HF-Plasmafackel, in der die-Behandlung des textilen Materials erfolgt, von Begrenzungswänden aus elektrisch nichtleitendem Material umgeben sein, die entsprechende Öffnungen für die Materialzufuhr tragen.
• Vorzugsweise wird das textile Material jedoch in an sich bekannten elektrodenlosen Hoch- oder Höchstfrequenzentladungen behandelt.
• Elektrodenlose Gasentladungen können in bekannter Weise im Hochfrequenzbereich durch kapazitive oder induktive Ankopplung oder im Höchstfrequenzbereich im IIohlraumresonator erzeugt und aufrechterhalten werden. Die Gasentladungszone wird in ihrer geometrischen Ausdehnung durch einen Entladungsraum geeigneter geonietrischer Form begrenzt; vorzugsweise findet ein kLreiszylindrisches Quarzglasrohr Anwendung.
• Die Zufuhr des textilen Materials erfolgt in beliebigem zinke zur Achse des reizylindrischen Quarzglasrohres. Vorzugsweise wird jedoch das textile Material der Gasentladungszone in Achsen~ richtung oder senkrecht zur Achsenrichtung des Quarzglasrohres zugeführt. Im Falle einer Zufuhr des textilen Materials senkrecht zur Achsenrichtung des Quarzglasrohres trägt dasselbe an seinem Umfang geeignete Öffnungen für die Materialzufuhr.
• Unter Umständen erfolgt eine im Zuge des Behandlungsprozesses eventuell erforderliche Vorwärmung des Materials in einem HF-oder lkrowellenfeld, dessen Energie dem gleichen Generator entnommen wird, der zur Plasraaerzeugung installiert ist.
• Durch die Verwendung der an sich bekannten einpoligen oder elektrodenlosen Hochfrequenz oder Höchstfrequenzentladungen zur Behandlung von textilem Material entsprechend der erfindungsgemäßen Anordnung ergeben sich folgende Vorteile: 1. Das an sich bekannte Verfahren zur Behandlung von textilem Material kann mit der erfindungsgemäßen Anordnung unter Atmosphärendruck erfolgen.
• 2. Wegfall des apparativen Aufwandes für die Vakuumanlage 3. Durch die Behandlung des textilen Materials unter Atmosphärendruck ergeben sich keine technischen Probleme bei der Einbringung des Materials in die Entladungszone.
• 4. Eine unter Atmosphärendruck arbeitende Anordnung bietet bessere Eingliederungsmöglichkeiten in einen technologischen Prozeß.
• 5. Die Betriebsspannungen der Gasentladung im Hoch- o-der Höchstfrequenzbereich können gegenüber den benötigten Betriebsspan nungen einer Glimm- bzw. Koronaentladung erheblich gesenkt werden.
• 6. Durch die Wahl eines hoch- oder höchstfrequenten elektrischen Wechselfeldes,in der die Gasentladung betrieben wird, treten mehr elektrische Ladungsträger der Gasentladung pro Zeit~ und Flächeneinheit mit dem zu behandelnden textilen Material in Wechselwirkung als das bei einer Glimm- oder Koronaentladung der Fall ist, wodurch der an sich bekannte Effekt der Behandlung von textilem Material verstärkt werden kann.
• Anahnd einiger Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen: Fig. 1: Anordnung und Materialführung bei der einpoligen Fackel entladung mit Hohlelektrode Fig. 2: Anordnung und Materialführung bei der einpoligen Fackelentladung mit Hohlelektrode Fig. 3: Materialführung durch die Fackel außerhalb des Plasma generators Fig. 4: Anordnung und Materialführung bei kapazitiv angekoppelter Gasentladung Fig. 5: Anordnung und Materialführung bei der induktiv angekoppelten Gasentladung Fig. 6: Anordnung und Materialführung bei der Mikrowellenentladung im Hohlraumresonator Die Anlage nach Fig. 1 besteht aus dem HF- oder Mirkowellengenerator 1, dem Energieleitungssystem 2, der Stabelektrode 3, der Gaszuführung 4, der Materialzuführung 5, dem Gasführungsmantel 6, der HF Plasmafackel 7 und dem Arbeitsgas 8.
• Die HF-Plasmafackel 7 stellt eine einpolige Hoch- oder Höchstfrequenzentladung dar, die an der Stabelektrode 3 aufsitzt und frei in den Raum hinein brennt, ohne eine Gegenelektrode zu benötigen. Der Stromkreis wird zwischen dem geerdeten Pol des HF-oder Mikrowellengenerators 1 und der HF-Plasmafackel 7 kapazitiv geschlossen. Das Arbeitsgas 8, in dem die HF-Plasmafackel 7 be--trieben wird, stellt vorzugsweise ein einatomiges Gas dar, beispielsweise Argon.
• Der Gasführungsmantel 6 ist an seinen unteren Ende als Düse ausgebildet und erfüllt den Zweck, dem Arbeitsgas 8 eine gerichtete Strömung zu verleihen.
• Die Materialzuführung erfolgt entweder nach Fig. 1 durch den Gasführungsmantel 6 in Strömungsrichtung des Arbeitsgases 8 in die HF-Plasmafackel 7 hinein, oder außerhalb des Plasmagenerators, bestehend aus den Elementen 3, 4, 6, 8, beispielsweise senkrecht zur Strömungsrichtung des Arbeitsgases 8 gemäß Fig. 3.
• Die Anlage nach Fig. -2 besteht aus dem HF- oder Mikrowellengenerator 1, dem Energieleitungssystem 2, der Hohlelektrode 9 mit Elektrodenbohrung 15, der Materialzuführung 5, der HF-Plasmafackel 7 und dem Arbeitsgas 8.
• Die HF-Plasmafackel 7 stellt eine einpolige Hoch- oder Höchstfrequenzentladung dar, die an der unteren Innenkante der Elektrodenbohrung 15 aufsitzt und frei in den Raum hinein brennt, ohne eine Gegenelektrode zu benötigen. Der Stromkreis wird in gleicher Weise geschlossen wie bei der Anlage entsprechend Fig.
• 1. Das Arbeitsgas 8, vorzugsweise Argon, wird der HF-Plasmafakkel 7 durch die Elektrodenbohrung 15 zugleitet.
• Die Materialzuführung 5 erfolgt entweder nach Fig. 2 durch die Elektrodenbohrung 15 in Strömungsrichtung des Arbeitsgases 8 in die HF-Plasmafackel 7 hinein, oder außerhalb des Plasmagenera tors, beispielsweise senkrecht zur Strömungsrichtung des Arbeitsgases 8 gemäß Fig. 3.
• Zur Schaffung einer definierten Arbeitsgasatmosphäre und zwecks Ausschaltung des Luftsauerstoffes in der HF-Plasmafackel 7 kann dieselbe von einem Schutzmantel 17 aus elektrisch nichtleitendem Material umgeben sein, wobei der Schutzmantel 17 ufld der Gasführungsmantel 6 identisch sein können.
• Die Anordnungen zur Behandlung von t-extilem Material unter Verwendung der elektrodenlosen Hochfrequenzentladungen zeigen die Fig. 4 und 5.
• Die Anlagen nach Fig0 4 und 5 haben folgende gemeinsame Elemente: Fix oder L-lirkowellengenerator 1 (in diesem Falle nur HF-Generator); Energieieitungssystem 2, Gaszuführung 4, Arbeitsgas 8, Gasentladungszone 16, taterialzuführung 5 und Entladungsraum 10.
• Die Anlagen nach Fig. 4 und 5 unterscheiden sich nur durch die Art und Weise der Ankopplung des HF-Generators an das in der Gasentladungszone 16 befindl-iclie Plasma. Bei der Anlage nach Fig. 4 findet eine kapazitive Ankopplung Anwendung mittels der -Kondensatorbelöge 11. Hingegen wird bei der Anlage nach Fig. 5 die Ankopplung induktiv vollzogen mittels einer Induktorspule 12.
• Der Entladungsraum 10 wird vorzugsweise von eine kreiszylindrischen Quarzglasrohr gebildet.
• Die Materialzuführung 5 erfolgt in beliebigem Winkel zur Achse des kreiszylindrischen Quarzglasrohres. Vorzugsweise wird jedoch das textile Material der Gasentladungszone 16 in Achsenrichtung oder senkrecht zur Achsenrichtung des Quarzglasrohres zugeführt.
• Die Anlage nach Fig. 6 besteht aus einem HF- oder Mikrowellengenerator 1 (in diesem Falle nur TYlikrowellengeneratorY, dem Hohlraumresonator 13, den Kurzschlußschieber 14, dem Entladung raum 10, der Gasentladungszone 16, der Materialzuführung 5, der Gaszuführung 4 und dem Arbeitsgas 8.
• Die elektrodenlose Hochfréquenzentladung entsteht in einem elektromagnetischen Wechselfeld (UHF - SHF Bereich) hoher Feldstärken, die durch einen Hohlramlresonator 13 erzeugt werden.
• Die sich auf diese Weise-ausbildende Gasentladungszone 16 wird in ihrer radialen Ausdehnung durch einen Entladungsraum 10 begrenzt, der vorzugsweise von einen kreiszyindri,schen Quarzglasrohr gebildet wird.
• Zur Leistungsanpassung und zur Einhaltung der Resonanzbedingung des Hohlraumresonators 13 bei verschiedenen Betriebszuständen der die Last darstellenden Gasentladungszone 16 dient der Kurzschlußschieber 14.
• Die Materialzufuhr erfolgt in gleicher Art und Weise wie bei den Anordnungen nach Fig. 4 und 5.

Claims (11)

Patent ansprüche:

1. Verfahren zur Behandlung von Faserflocken, linienförmigen Bam serbändern, textilen Flächengebilden, insbesondere nichtgeweb ten Flächengebilden aus textilen Faserstoffen und/oder anderen polymeren Materialien durch geeignete Gasentladungen, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der einpoligen HF-Fackelentladung oder elektrodenlosen HF- oder Mikrowellenentladungen in Nieder temperaturplasmen energiereiche Ladungsträger erzeugt werden, die auf der Oberfläche des behandelten Materials physikalische und chemische Reaktionen, vorzugsweise Adhäsionserhöhung und Radikal bildung auslösen.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, daß die Faserstoffe und polymeren Material alien über eine Materialzuführung (5) einer HF-Plasmafackel (7) zugeführt werden, in welcher die Behandlung der Faserstoffe und polymeren Materialien erfolgt,

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmagenerator aus einer Stabelektrode (3), die von einem Gasführungsmantel (6) mit Gaszuführung (4) umgeben ist, besteht und die Ma terialzuführung (5) zwischen der Stabelektrode (5) und dem Gasführungsmantel (6) erfolgt, so daß das textile Material den Plas magenerator passiert und die HF-Plasmafackel (7) in Strömung richtung des Arbeitsgases (8) durchläuft.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet1 daß der Plasmagenerator aus einer Hohlelektrode (3) besteht, in welche die Gaszuführung (4) einmündet, und die HFPlasmafackel (7) am Ausgang der Hohlelektrode (9) entsteht und die Materialzuführung g5) durch die Hohlelektrode (9) erfolgt, so daß das textile Material die HF-Plasmafackel (7) in Strömungerichtung des Arbeitsgaser(8) passiert.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialzuführung (5) für das textile Material außerhalb des Plasesg @erators erfolgt, wobei die Zuführungsrichtung mit der Strömungsrichtung des Arbeitsgases (8) einen bliebigen'Win= kel einschließt und das textile Material in einer Bahn oder mehreren Bahnen zugeführt wird,

6. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die HF-Plasmafackel (7) von einem Schutzmantel (17) zylindrischer oder anderer geeigneter Form umgeben ist, wobei der Schutzmantel (17) und der Gasführungsmantel (6) identisch sein können,

7. Anordnung zur Behandlung von Faserstoffen und polymeren Materialien im Niedertemperaturplasma, dadurch gekennzeichnet, daß die Xaserstoffe-und polymeren Materialien über eine Mae teriaIzuführung -(5) einer Gasentladungszone (16) aufgeführt wer den, die durch eine elektrodenlose Hoch- oder Höchstfrequenzentladung erzeugt wird und in der die Behandlung des textilen Materials erfolgt.

8. Anordnung nach- Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmagenerator aus einem Entladungsraum (10) besteht, auf welchen zur kapazitiven Ankopplung der Gasentladungszone C16) an den HF- oder Mikrowellengenerator (1) Kondensatorbeläge (11) aufgebracht sind und'die Materialzuführung (5) in einem beliebigen Winkel zur Rotationsachse des Entladungsraumes (10) erfolgt, wobei der Entladungsraum (10) vorzugsweise ein kreiszylindrisches Quarzglas rohr ist und die Materialzuführung (5) vorzugsweise axial oder senkrecht zur Achse des Quarzglasrohres erfolgte

9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmagenerator-aus einem Entladungsraum (10)'besteht, auf welchen zur induktiven Ankopplung der Gasentladungszone (16) an den HF- oder Mikrowellengenerator (1) eine Induktorspule (12) aufgebracht ist und die Materialzuführung (5) in einem beliebigen Winkel zur Rotationsachse des Entladungsraumes (10) erfolgt, wobei der Entla dungsraum (10) vorzugsweise ein kreiszylindrisches Quarzglasrohr ist und die Materialzuführung (5) vorzugsweise axial oder senk recht zur Achse des Quarzglasrohres erfolgte

10. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmagenerator aus einem Entladungaraum (10) besteht, vor zugeweise ein kreiszylindrisches Quarzglasrohr, dieser Entladungsraum (10) mit einem Hohlraui-lareifsonator (13) verbunden ist und die Materialzuführung (5) in einem beliebigen Winkel zur Achse des Quarzglasrohres erfolgt, wobei die Materialzuführung vorzugsweise axial oder senkrecht zur Achse des Quarzglasrohres erfolgt.

11. Verfahren zur Vorwärmung von Faserstoffen und polymeren Materialien, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie des H?- oder Mikrowellengenerators gleichzeitig zur dielektrischen Vorwärmung des Materials ausgenutzt wirde