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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum Erzeugen und zum Abscheiden eines Dampfes auf ein Substrat zum
Herstellen einer Beschichtung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine
Vorrichtung und ein Verfahren, bei denen der Dampf aus einem die
abzuscheidenden Stoffe aufweisenden zerstäubten Nebel erzeugt wird.
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Hintergrund der Erfindung
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Beschichtungen
werden auf eine große
Zahl der verschiedensten Substrate für die unterschiedlichsten Zwecke
aufgebracht. Als einige Beispiele aus einer Vielzahl verschiedenartiger
Beschichtungsarten sind zu nennen: Kleberschichten, Grundieraufträge, Dekorationsbeläge, harte
Schutzüberzüge, Lackaufträge, Antireflexionsbeschichtungen
und Reflexionsbeschichtungen, Interferenzschichten, Trennschichten,
dielektrische Beschichtungen, Photolackschichten, elektrisch leitende
Schichten, nichtlineare optische Beschichtungen, Elektrochrom- bzw. Elektroluminiszenzschichten,
Sperrschichten, biologisch aktive Beschichtungen, biologisch inerte
Beschichtungen und dergleichen. Solche Beschichtungen können auf
Substrate aus einer großen Zahl
der verschiedensten Materialien und von unterschiedlichster Form
aufgebracht werden. So können
hinsichtlich der Materialien die Substrate aus Metall, Holz, Stoff,
Polymeren, Keramik, Papier, Mineralien, Glas, Verbundstoffen und
dergleichen sein. Was die Form betrifft, so können die Substrate flach, gekrümmt, wellig, verdrallt,
mikrostrukturiert, glatt, rau, porös, partikulär, faserartig, hohl, dreidimensional,
mit regelmäßiger oder unregelmäßiger Oberfläche etc.
sein.
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In
herkömmlichen
industriellen Beschichtungsverfahren wird ein die Beschichtungsbestandteile
und ein geeignetes Lösungsmittel
aufweisendes Gemisch (das eine Emulsion, eine Lösung, ein Brei, ein Zweiphasen-Flüssiggemisch
und dergleichen sein kann) im Wege eines geeigneten Beschichtungsverfahrens
wie Sprüh-,
Walzen-, Bürsten-
bzw. Rotationsbeschichten (Spin-Coating)
und dergleichen auf ein Substrat abgeschieden. Die aufgebrachte
Zusammensetzung wird sodann zur Verfestigung der Beschichtung in
aller Regel getrocknet und gehärtet.
Während
des Trocknens wird das Lösungsmittel
aus der Beschichtung entfernt und anschließend in die Umwelt entsorgt
oder zurückgewonnen.
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Das
Lösungsmittel
ist aus einer Reihe von Gründen
allgemein eine wesentliche Komponente des Beschichtungsgemischs.
Zunächst
einmal trägt
das Lösungsmittel
dazu bei, dass das Beschichtungsgemisch eine geeignete Beschichtungsviskosität besitzt.
Weiter wirkt das Lösungsmittel
mit, sicher zu stellen, dass die Beschichtungsmasse zur Erzielung
einer gleichförmigen
Beschichtung gleichmäßig auf
das Substrat aufgebracht werden kann. Das Lösungsmittel kann dem Gemisch
auch eine zufriedenstellende Haltbarkeit verleihen.
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Das
Vorhandensein des Lösungsmittels
hat jedoch Nachteile. Muss das Lösungsmittel
nach dem Gebrauch entsorgt werden, so wird es zu umweltbelastendem
Abfall. Besonders problematisch ist dies im Falle gefährlicher
Lösungsmittel.
Tatsächlich
erfordert das Entsorgen gefährlicher
Lösungsmittel
regierungsseitig reglementierte teure und ausgeklügelte Entsorgungsstrategien,
um aus der Entsorgung resultierende Umweltschäden zu minimieren. Der Lösungsmittelrückgewinnung
wird daher oft der Vorzug gegenüber
einer Lösungsmittelentsorgung
gegeben. Wie die Lösungsmittelentsorgung
auch ist jedoch die Lösungsmittelrückgewinnung mit
einer Reihe von Nachteilen behaftet. Die Lösungsmittelrückgewinnung
erfordert kostenaufwendige Verfahren und Einrichtungen.
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Die
Notwendigkeit des Umgangs mit Lösungsmitteln
ist für
die Industrie eine starke Belastung. Dementsprechend wäre es wünschenswert,
eine Möglichkeit
für die
Ausführung
von Beschichtungsoperationen mit einem Minimum an Lösungsmittel
oder, bevorzugter, lösungsmittelfrei
zu finden, um die Belastung, Lösungsmittel
entsorgen bzw. zurückgewinnen
zu müssen,
zu vermeiden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegenden Erfinder haben nunmehr ein außergewöhnlich vielseitiges Beschichtungssystem
und -verfahren entdeckt, mit dem Beschichtungen aus einer breiten
Palette von Beschichtungsgemischen hergestellt werden können, die
völlig
frei von Lösungsmitteln
sind bzw. Lösungsmittel
in lediglich so geringen Mengen enthalten, wie diese zum Lösen einer
oder mehrerer der Komponenten dieser Gemische erforderlich sind. Hierdurch
werden alle umweltmäßigen Nachteile
und Besorgnisse hinsichtlich des Einsatzes von Lösungsmitteln in konventionellen
Beschichtungsprozessen ausgeschaltet.
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Die
vorliegende Erfindung basiert auf dem Konzept der Zerstäubung eines
vorzugsweise lösungsmittelfreien
flüssigen
bzw. fluiden Beschichtungsgemischs, um eine Vielzahl feiner Tröpfchen zu
bilden. Die Tröpfchen
werden mit einem Trägergas
kontaktiert, wodurch sie selbst bei deutlich unter ihrem Siedepunkt
liegenden Temperaturen zum Verdampfen gebracht werden. Die Verdampfung
erfolgt schnell und vollständig,
weil der Partialdruck des im Gemisch mit dem Trägergas enthaltenden Dampfes
noch immer klar unter dem Dampfsättigungspunkt
liegt. Beim Erhitzen des Gases liefert dieses die thermische/mechanische
Energie für
die Verdampfung.
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Nach
dem Verdampfen strömt
der Dampf zu dem zu beschichtenden Substrat. Das Substrat wird auf einer
deutlich unter dem Kondensationspunkt des Dampfes liegenden Temperatur
gehalten. Hierdurch wird eine Kondensierung des Dampfes in Form
einer dünnen,
gleichförmigen
und im Wesentlichen fehlstellenfreien Beschichtung bewirkt, die
auf Wunsch nachfolgend im Wege verschiedener Härtemechanismen ausgehärtet werden
kann. Die Beschichtung kann kontinuierlich oder diskontinuierlich
erfolgen. Besonders zweckmäßig ist die
vorliegende Erfindung zum Ausbilden dünner Beläge im Dickenbereich zwischen
ca. 0,001 μm
und ca. 5 μm.
Dickere Beschichtungen lassen sich durch eine Verlängerung
der Zeitspanne, während
der das Substrat dem Dampf ausgesetzt ist, eine Erhöhung der
Flussrate des flüssigen
Gemischs, sowie eine Erhöhung
der Trägergastemperatur
bzw. des Trägergasdrucks
herstellen. Bei Substraten aus flexiblem bahnförmigen Material ist die Verlängerung
der Einwirkungsdauer des Dampfes dadurch erreichbar, dass dem System
mehrere Dampfquellen zugeordnet werden oder die Bahngeschwindigkeit
durch das System hindurch verringert wird. Mehrlagige Beschichtungen
aus unterschiedlichen Materialien lassen sich durch aufeinanderfolgendes
Abscheiden eines jeweils anderen Beschichtungsmaterials pro Auftrag
ausbilden.
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Die
Grundgedanken der vorliegenden Erfindung sind im Vakuum zu realisieren.
Zweckmäßigerweise können die
Zerstäubung,
Verdampfung und Beschichtung jedoch mit jedem gewünschten
Druck, einschließlich des
Umgebungsdrucks, erfolgen. Hierdurch braucht man sich nicht auf
die üblicherweise
in den vorbekannten Aufdampfverfahren eingesetzten teuren Vakuumkammern
zu verlassen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Zerstäubung, Verdampfung
und Beschichtung bei relativ niedrigen Temperaturen stattfinden
können, so
dass die ansonsten bei hö heren
Temperaturen zu verzeichnenden Zerfallserscheinungen temperaturempfindlicher
Materialien vermieden werden. Die vorliegende Erfindung ist außerdem extrem
vielseitig: es ist praktisch jedes flüssige Material bzw. jede Kombination
aus flüssigen
Stoffen mit messbarem Dampfdruck zum Ausbilden von Beschichtungen
einsetzbar.
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Generell
lässt sich
die Zerstäubung
des flüssigen
Beschichtungsgemischs im Wege jeder konventionellen Zerstäubungstechnik
wie beispielsweise der Ultraschallzerstäubung, der Fliehkraftzerstäubung usw. durchführen. In
besonders bevorzugten Ausführungsformen
wird die Zerstäubung
durch Kollision zwischen einem Trägergas- und dem Flüssiggemischstrom
bewirkt. Vorzugsweise wird das Trägergas erhitzt und befindet sich
der Flüssigkeitsstrom
zum Zeitpunkt der Kollision im laminaren Zustand. Durch die Kollisionsenergie
wird der vorzugsweise laminare Strom aus flüssigem Beschichtungsmaterial
in sehr feine Tröpfchen
aufgebrochen. Die Heranziehung dieser Kollisionsart, um die Zerstäubung herbeizuführen, ist
deshalb besonders vorteilhaft, weil hierdurch feiner zerstäubte Tröpfchen mit
engerer Größenverteilung
und einer gleichförmigeren
Partikeldichte der Tröpfchen
pro Volumen als durch andere Zerstäubungstechniken zu erzielen
sind. Darüber
hinaus gelangen die resultierenden Tröpfchen praktisch sofort in
einen innigen Kontakt mit dem Trägergas
mit dem Ergebnis einer schnellen und wirksamen Verdampfung. Wenngleich
die vorliegende Erfindung auf die Durchführung von Beschichtungsoperationen
im Vakuum angewandt werden kann, ist der Einsatz der Gaskollision zum
Zwecke der Zerstäubung
weniger geeignet für
eine Durchführung
in Vakuumkammern, weil hier beim Gas die Tendenz einer Druckerhöhung in
der Kammer gegeben ist.
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Nach
einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum
Abscheiden bzw. Ausbilden einer Beschichtung auf zumindest einen
Abschnitt einer Substratoberfläche.
Ein Trä gergasstrom
wird zur Kollision mit einem Strom aus flüssigem Beschichtungsmaterial
gebracht. Die Kollision findet unter solchen Bedingungen statt,
dass im Wesentlichen das gesamte flüssige Gemisch verdampft, um
einen Dampf bzw. eine Dampfphase mit Kondensationstemperatur zu
erzeugen. Durch die Geschwindigkeit und den Impuls des Trägergases
wird der Dampf zur Substratoberfläche geleitet. Die Oberflächentemperatur
liegt hierbei unter der Kondensationstemperatur des Dampfes. Infolgedessen
kondensiert der Dampf als Flüssigkeit
auf der Oberfläche
und bildet so die Beschichtung. Zweckmäßigerweise werden die Geschwindigkeit
und der Impuls des Trägergases
dem Dampf weitergegeben, der damit zwangsweise mit einer so ausreichenden
Kraft in das Substrat getrieben wird, dass die Anhaftung der kondensierten
Beschichtung auf dem Substrat unterstützt wird.
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Nach
einem weiteren Aspekt der Erfindung zum Abscheiden einer Beschichtung
auf ein Substrat wird ein flüssiges
Stoffgemisch zerstäubt
und mit einem Trägergas
in Kontakt gebracht. Das Kontaktieren erfolgt unter Bedingungen,
so dass eine Verdampfung der im Wesentlichen gesamten zerstäubten Flüssigkeit
unter Erzeugung einer Dampfphase mit Kondensationstemperatur stattfindet.
Der Dampf wird zur Substratoberfläche geleitet. Die Oberflächentemperatur
liegt unter der Kondensationstemperatur des Dampfes. Infolgedessen kondensiert
der Dampf unter Bildung der Beschichtung auf die Oberfläche. Nach
diesem Aspekt der Erfindung werden der Flüssigkeits- und der Gasstrom
zunächst
miteinander vermischt und sodann unter Verwendung einer herkömmlichen
Zerstäubungseinrichtung
zerstäubt.
Hierdurch werden die resultierenden zerstäubten Flüssigkeitströpfchen innig mit dem Gas vermischt.
Wahlweise kann die Flüssigkeit
unter Einsatz einer konventionellen Zerstäubereinrichtung zerstäubt werden,
welche die zerstäubten
Tröpfchen
auswirft oder in anderer Weise in das Trägergas aussprüht. Als
weitere Al ternative lässt
sich die Zerstäubung
dadurch bewirken, dass zwei oder mehr Flüssigkeitsströme in einer
Weise zur Kollision gebracht werden, dass die resultierenden zerstäubten Flüssigkeitströpfchen in
Kontakt mit dem Trägergas
gelangen können.
Als noch weitere Alternative kann wenigstens ein Flüssigkeitsstrom
mit wenigstens einem Gasstrom kollidiert werden, um das Zerstäuben und
Kontaktieren in praktisch einem einzigen Schritt durchzuführen.
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Nach
einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren
zum Herstellen einer polymeren Beschichtung auf einem Substrat.
Das im vorigen Absatz beschriebene Verfahren wird unter Einsatz eines
Flüssiggemischs
durchgeführt,
das eine oder mehrere polymere Vorläuferkomponenten aufweist.
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Schließlich ist
nach einem noch weiteren Aspekt die vorliegende Erfindung auf ein
Verfahren zum Erzeugen einer Dampfphase gerichtet, bei dem wie vorbeschrieben
ein Flüssiggemischstrom
mit einem Trägergasstrom
zur Kollision gebracht wird.
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Weiter
betrifft die Erfindung eine Beschichtungsvorrichtung, die eine Kammer
mit einem Einlassbereich aufweist, in welcher Trägergas mit einer Vielzahl zerstäubter Flüssiggemischtröpfchen unter
Bedingungen kontaktiert wird, so dass eine Verdampfung im Wesentlichen
des gesamten Flüssiggemischs
unter Erzeugung einer Dampfphase mit Kondensationstemperatur bewirkt
wird. Die Vorrichtung weist ein Einlassende auf, durch welches das
Flüssiggemisch
und das Trägergas
in die Kammer eintreten. Die Zerstäubereinrichtung befindet sich
nahe dem Einlassende, um in der Kammer einen Nebel aus Flüssiggemisch
zu bilden. Eine Substratauflage, deren Oberfläche gekühlt ist, ist zum Tragen eines
zu beschichtenden Substrats vorgesehen. Die gekühlte Oberfläche kann eine unter dem Kondensationstemperatur
des Dampfes liegende Temperatur erreichen. Die gekühlte Oberfläche ist
so angeordnet, dass der Zustrom von Dampf zu dieser Fläche gewährleistet ist.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Es
zeigen:
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1a eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Beschichtungssystems, das
die Stromkollision für
die Zerstäubung
verwendet;
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1b eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Beschichtungssystems, das
eine alternative Einrichtung für
die Zerstäubung
verwendet;
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2a ein
Flussdiagramm, welches das Beschichtungssystem gemäß 1a und 1b darstellt;
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2b ein
Flussdiagramm, das ein alternatives erfindungsgemäßes Beschichtungssystem
unter Verwendung mehrerer vor dem Beschichten als Dampfphasen vermischten
Beschichtungsmaterialien zeigt;
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3 eine
schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beschichtungssystems;
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4 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Beschichtungssystems,
das zum Ausbilden strahlungsgehärteter
Beschichtungen auf einem flexiblen Substrat geeignet ist;
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5a eine
auseinandergezogene Perspektivansicht einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform
einer Düse,
die eine im Wesentlichen vollständige
Zerstäubung
bewirkt;
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5b eine
im Querschnitt gehaltene Seitenansicht der in 5a auseinandergezogen
dargestellten Düse;
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5c eine
im Querschnitt gehaltene Seitenansicht der zusammengebauten Düse aus 5a;
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6 eine
Perspektivansicht der von der zusammengebauten Düse aus 5c erzeugten
Flüssigkeits-
und Gasströme,
bei der zu besseren Darstellung einzelne Teile weggelassen sind;
und
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7 eine
auseinandergezogene Perspektivansicht einer weiteren bevorzugten
erfindungsgemäßen Düsenausführungsform zum
Zerstäuben/Verdampfen
mehrerer Flüssigkeitsströme, bei
der einzelne Teile weggelassen sind.
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Detaillierte Beschreibung
der derzeit bevorzugten Ausführungsformen
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Die
nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind nicht als
erschöpfend oder
die Erfindung auf die in dieser detaillierten Beschreibung dargestellten
exakten Formen beschränkend
anzusehen. Vielmehr sind diese Ausführungsformen so gewählt und
beschrieben, dass die Grundgedanken und praktischen Verwendungsmöglichkeiten
der vorliegenden Erfindung für
andere Fachleute verständlich
sind.
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1a ist
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems 10,
das zum Herstellen einer Beschichtung 12 auf der Oberfläche 14 eines
Substrats 16 geeignet ist, bei welcher die Herstellung
der Beschichtung 12 aus einem zugeführten Flüssiggemisch 18 erfolgt.
Generell wird der Strom 20 des Flüssiggemischs 18 mit
einem Strom 22 aus Trägergas 24 an
einem Kollisionspunkt 26 in der Kammer 17 zur
Kollision gebracht. Die Kollisionsenergie zerstäubt den Flüssigkeitsstrom 20 und
bildet so einen Nebel aus flüssigen
Tröpfchen 28.
Der Klarheit wegen sind nur ein einzelner Flüssigkeitsstrom 20 und
nur ein einzelner Trägergasstrom 22 dargestellt.
Alternativ können
mehrere Flüssigkeits- bzw. Gasströme eingesetzt
und je nach Wunsch aufeinanderfolgend oder zusammen an einem oder
mehreren Kollisionspunkten kollidiert werden. Wenngleich das Substrat 16 als
während
der Beschichtungsabläufe
im Inneren der Kammer 17 befindlich dargestellt ist, könnte es
in einigen Ausführungsformen
auch außerhalb
der Kammer 17 angeordnet sein. Bei diesen Ausführungsformen
wäre die
Kammer 17 jedoch mit einer geeigneten Öffnung (nicht dargestellt)
versehen, durch welche verdampftes Flüs siggemisch 18 auf
die Substratoberfläche 14 geleitet
werden könnte.
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Zweckmäßigerweise
lassen sich mit dem Zerstäuben
des Flüssigkeitsstroms 20 unter
laminaren Strömungsbedingungen
durch Kollidieren des Trägergasstroms 22 mit
dem laminaren Flüssigkeitsstrom 20 Flüssigkeitströpfchen 28 bilden,
die eine geringere mittlere Größe bei einer
engeren Teilchengrößenverteilung
und eine gleichförmigere
Teilchendichte aufweisen, als diese mit konventionelleren Zerstäubungstechniken,
bei denen Ultraschall- bzw. Fliehkraftzerstäuber oder dergleichen eingesetzt
werden oder die unter turbulenten Strömungsbedingungen arbeiten,
die tendenziell volumetrische Schwankungen in die Tröpfchensysteme
einbringen, erreichbar sind. Diese Verfahrensweise ist besonders
nützlich
für die
Herstellung dünner
und im Wesentlichen fehlstellenfreier Beschichtungen von gleichförmiger Dicke.
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Die
Kollision zwischen den Strömen 22 und 20 kann
unter den unterschiedlichsten Bedingungen erfolgen, bei denen ein
wesentlicher Teil des Flüssigkeitsstroms,
vorzugsweise praktisch der gesamte, weiter bevorzugt der vollständige Flüssigkeitsstrom 20 als
Ergebnis der Kollision zerstäubt
wird. Die Kollision der Ströme 22 und 20 wird
vorzugsweise so durchgeführt,
dass durch die Kollision Flüssigkeitströpfchen 28 mit
einer mittleren Tröpfchengröße von weniger
als 200 μm,
vorzugsweise von weniger als 100 μm
und weiter bevorzugt von weniger als 30 μm gebildet werden. Faktoren,
bei denen die Tendenz einer Beeinträchtigung der Tröpfchengröße besteht,
sind die Geometrie der Ströme 22 und 20,
die Geschwindigkeiten der Ströme 22 und 20 zum
Zeitpunkt der Kollision, die Beschaffenheit des Flüssiggemischs 18 und
dergleichen.
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So
können
beispielsweise unterschiedlichste Geometrien aufweisende Ströme 22 und 20 mit
günstigen
Ergebnissen erzeugt werden. Nach einer repräsentativen Lösung wie
in 1a sche matisch dargestellt lassen sich die Ströme 22 und 20 so
erzeugen, dass sie mit einem dazwischenliegenden Winkel von ca.
10° bis
ca. 180°,
vorzugsweise von 15° bis
135°, weiter
bevorzugt von ca. 30° bis
60° und
am meisten bevorzugt von 43° bis
47° zueinander
ausgestoßen
werden. Im Einzelnen weisen mit einem Winkel im bevorzugten Bereich
von 15° bis
135° zur
Kollision gebrachte Ströme 22 und 20 eine
durch den Pfeil VL bezeichnete seitliche bzw.
laterale Geschwindigkeitskomponente auf, dass die Flüssigkeitströpfchen 28 und
das Trägergas 24 nach erfolgter
Kollision in eine Bewegung zum Substrat hin gezwungen werden. Bei
der in 1a dargestellten Ausführungsform
werden der Flüssigkeitsstrom 20 und
der Trägergasstrom 22 durch
Ausstoßen
durch die Öffnungen 25a und 25b der
Düse 23 gebildet.
Die Düsenöffnungen 25a und 25b können jede
gewünschte
Form aufweisen. So können
die Ströme 22 und 20 beispielsweise über kreisrunde,
elliptische, quadratische, rechteckige Öffnungen zum Ausbringen planer
Ströme,
zum Ausbringen hohler Ströme
geeignete Öffnungen,
entsprechende Kombinationen davon etc. gebildet werden.
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Eine
breite Palette zur Bildung von Kollisionsströmen in anderen Verwendungsbereichen
eingesetzter vorbekannter Düsenstrukturen
sind auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung zum Erzeugen der
Ströme 22 und 20 einsetzbar.
Derartige Düsen
sind beispielsweise in Lefebvre, A. H., Atomization and Sprays,
Hemisphere Publishing Corp., U.S.A. (1989), Harari et al, Atomization
and Sprays, Band 7, S. 97–113
(1997), beschrieben. Eine besonders bevorzugte und erfinderische
Düsenstruktur
zur Bildung kollidierender Ströme
ist in 5a, 5b und 5c dargestellt
und nachfolgend beschrieben. 7 zeigt
eine weitere besonders bevorzugte und erfinderische Düsenstruktur,
die nachfolgend ebenfalls erläutert
ist.
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Die
Wahl geeigneter Geschwindigkeiten für jeden der Ströme 22 und 20 erfordert
einen Abgleich miteinander konkurrierender Faktoren. Ist beispielsweise
die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstroms 20 zum
Kollisionszeitpunkt zu niedrig, so kann der Strom 20 einen
für das
Erreichen des Kollisionspunkts 26 nicht ausreichenden Impuls
aufweisen. Andererseits kann durch eine zu hohe Geschwindigkeit
der Ausstoß des
Flüssigkeitsstroms 20 aus
einer Düse
unter laminaren Strömungsbedingungen
erschwert werden. Bei zu niedriger Geschwindigkeit des Trägergasstroms 22 könnte die
mittlere Größe der Tröpfchen zu
groß sein,
um wirksam verdampft werden bzw. eine Beschichtung 12 in
der erwünschten
Gleichförmigkeit
herstellen zu können.
Andererseits ist die Höhe
der Geschwindigkeit des Trägergasstroms 22 nach
Wunsch wählbar.
In der Tat sind höhere
Gasgeschwindigkeiten für
das Zerstäuben
und Verdampfen viskoserer/kontinuierlicherer Flüssiggemische besser. Oberhalb
einen bestimmten Gasgeschwindigkeitsbereichs jedoch kann das Beschichten
durch Substratflattern und Kondensationsineffektivität beeinträchtigt sein.
Durch den Abgleich dieser Faktoren weist der Strom 20 vorzugsweise
eine Geschwindigkeit von 0,1 m/s bis 30 m/s, weiter bevorzugt von
1 m/s bis 20 m/s und am meisten bevorzugt von ca. 10 m/s, und der
Trägergasstrom 22 vorzugsweise
eine Geschwindigkeit von 40 bis 350 m/s, weiter bevorzugt von ca.
60 bis 300 m/s und am meisten bevorzugt von ca. 180 bis 200 m/s
auf.
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Das
System 10 gemäß 1a ist
sehr vielseitig und zur Herstellung von Beschichtungen aus einer extrem
breiten Palette von Flüssiggemischen 18 herstellbar.
Es lassen sich Flüssiggemische
einsetzen, mit denen wirksam Kleberschichten, Grundieraufträge, Dekorationsbeläge, harte
Schutzüberzüge, Lackaufträge, Antireflexionsbeschichtungen,
Reflexionsbeschichtungen, Interferenzschichten, Trennschichten,
dielektrische Beschichtungen, Photolackschichten, elektrisch leitende
Schichten, nichtlineare optische Beschichtungen, Elektrochrom-/Elektroluminiszenzschichten,
Sperrschichten, biologisch akti ve Beschichtungen, biologisch inerte
Beschichtungen und dergleichen hergestellt werden können.
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Vorzugsweise
weist das Flüssiggemisch 18 wenigstens
eine Flüssigkomponente
mit einem so ausreichenden Dampfdruck auf, dass es aufgrund seines
Kontakts mit dem Trägergas 24 bei
unter dem Siedepunkt der Komponente liegenden Temperaturen verdampft
wird. Weiter bevorzugt weisen sämtliche
Flüssigkomponenten
des Flüssiggemischs 18 einen
solchen Dampfdruck auf. Generell besitzt eine Flüssigkomponente einen zu diesem
Zweck ausreichend hohen Dampfdruck, wenn im Wesentlichen die gesamte
Flüssigkomponente
in das Trägergas 24 eingebracht
bzw. verdampft wird und dann immer noch einen resultierenden Partialdruck
in dem resultierenden gasförmigen
Gemisch führen,
der unter dem Sättigungspunkt
für dieses
Gemisch liegt. In typischen Beschichtungsoperationen weisen bevorzugte
Flüssigkomponenten
einen Dampfdruck im Bereich von 0,13 mPa bis 13 kPa (1 × 106 Torr bis 100 Torr) bei Normaltemperatur
und Normaldruck auf.
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Soweit
die Flüssigkomponenten
nur den erforderlichen Dampfdruck aufweisen, können sie organisch, anorganisch,
wässerig,
nichtwässerig
oder dergleichen sein. Hinsichtlich der Phasenbeschaffenheit kann
das Flüssiggemisch 18 homogen
oder ein mehrphasiges Komponentengemisch sein und in Form einer
Lösung, eines
Breis, eines mehrphasigen Flüssiggemischs
oder dergleichen vorliegen. Zur Herstellung polymerer Beschichtungen
kann das Flüssiggemisch 18 eine
oder mehrere Komponenten umfassen, die monomer, oligomer oder polymer
sind, wenngleich in aller Regel nur Polymere mit relativ geringem
Molekulargewicht, beispielsweise solche mit einem Molekulargewicht-Zahlenmittel von
weniger als 10.000, vorzugsweise weniger als ca. 7500 und weiter
bevorzugt von weniger als ca. 4500, einen so ausreichenden Dampfdruck
aufweisen, dass sie in der Praxis der vorliegenden Erfindung verdampft
werden können.
Der hier verwendete Begriff „Monomer" steht für ein einzelnes
Molekül
mit einer Einheit, das mit sich selbst oder anderen Monomeren zur
Bildung von Oligomeren oder Polymeren kombinierbar ist. Der Begriff „Oligomer" bezeichnet eine
Verbindung in Form einer Kombination aus 2 bis 10 Monomeren. Der
Begriff „Polymer" gilt für eine Verbindung
aus einer Kombination von 11 oder mehr Monomeren.
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Repräsentative
Beispiele für
die wenigstens eine Flüssigkomponente
sind chemische Spezies wie Wasser, organische Lösungsmittel, anorganische Flüssigkeiten,
strahlungshärtbare
Monomere und Oligomere mit Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungsfunktionalität (für die Alkene,
(Meth)acrylate, (Meth)acrylamide, Styrole und Allylether-Stoffe
als repräsentativ
zu gelten haben), Fluorpolyether-Monomere, -Oligomere und -Polymere,
fluorierte (Meth)acrylate, Wachse, Silicone, Silan-Haftverbesserer,
Disilazane, Alkohole, Epoxydharze, Isocyanate, Carbonsäuren, Carbonsäurederivate,
Ester aus Carbonsäure
und einem Alkohol, Anhydride von Carbonsäuren, aromatische Verbindungen,
aromatische Halogenide, Phenole, Phenolether, Chinone, polyzyklische
aromatische Verbindungen, nichtaromatische heterozyklische Verbindungen,
Azlactone, Furan, Pyrrol, Thiophen, Azole, Pyridin, Anilin, Chinolin,
Isochinolin, Diazine, Pyrone, Pyryliumsalze, Terpene, Steroide,
Alkaloide, Amine, Carbamate, Harnstoffe, Azide, Diazoverbindungen,
Diazoniumsalze, Thiole, Sulfide, Sulfatester, Anhydride, Alkane,
Alkylhalogenide, Ether, Alkene, Alkine, Aldehyde, Ketone, organometallische Spezies,
Titanate, Zirconate, Aluminate, Sulfonsäuren, Phos- phine, Phosphoniumsalze,
Phosphate, Phosphonatester, schwefelstabilisierte Carbanionen, phosphorstabilisierte
Carbanionen, Kohlehydrate, Aminosäuren, Peptide, von diesen Stoffen
ableitbare Reaktionsprodukte in Form von Flüssigkeiten, welche den erforderlichen
Dampfdruck aufweisen oder in eine Flüssigkeit mit dem geforderten
Dampfdruck umgewandelt (beispielsweise aufgeschmolzen, gelöst beispielsweise
aufgeschmolzen, gelöst
oder dergleichen) werden können,
Kombinationen dieser Stoffe und dergleichen. Jeder dieser unter
Umgebungsbedingungen festen Stoffe wie beispielsweise Paraffinwachs
kann aufgeschmolzen oder in einer weiteren Flüssigkomponente gelöst werden,
um nach den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung verarbeitet
werden zu können.
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Bei
einigen Ausführungsformen
der Erfindung ist eine Flüssigkomponente/sind
Flüssigkomponenten als
Bestandteil des Flüssiggemischs 18 in
der Lage, auf dem Substrat 16 im Wesentlichen infolge einer
durch ihre Abkühlung
bedingten Phasenänderung
eine feste Beschichtung zu bilden. So wird beispielsweise eine Wachsdampfphase
sich in aller Regel als Flüssigkeit
auf die Substratoberfläche 14 niederschlagen,
um dann beim Absinken der Beschichtungstemperatur unter den Schmelzpunkt
des Wachses zu verfestigen. Als Beispiele für weitere zweckmäßige Beschichtungsstoffe
mit diesem Phasenänderungsverhalten
sind polyzyklische aromatische Verbindungen wie Naphthalin und Anthracen
zu nennen.
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In
anderen Ausführungsformen
der Erfindung kann das Flüssiggemisch 18 eine
Flüssigkomponente bzw.
mehrere miteinander reagierende Flüssigkomponenten zur Bildung
einer Beschichtung enthalten, die ein von solche Komponenten enthaltenden
Reaktanten abgeleitetes Reaktionsprodukt ist. Diese Komponenten können Monomere,
Oligomere bzw. Polymere mit niedrigem Molekulargewicht sein (nachfolgend
gesamtheitlich als „polymere
Vorläufer" bezeichnet), so
dass die Reaktion zwischen den Komponenten eine polymere Beschichtung
ergibt. So kann das Flüssiggemisch 18 beispielsweise
eine Polyolkomponente wie Diol bzw. Triol, ein Polyisocyanat wie
Di- bzw. Triisocyanat und wahlweise einen geeigneten Katalysator
enthalten (wobei alternativ die Substratoberfläche 14 mit dem Katalysator
vorbehandelt werden kann, so dass die reaktiven Komponenten erst
dann reagieren, wenn sie in Kontakt mit der Substratoberfläche 14 ge langen).
Nach dem Auftragen könnten
die Komponenten sodann miteinander reagieren und eine Polyurethanbeschichtung
auf dem Substrat 16 bilden.
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In
einem weiteren Beispiel für
ein mit polymeren Vorläufern
arbeitenden Ansatz kann das Flüssiggemisch 18 ein
oder mehrere organofunktionale Silan- bzw. Titanatmonomere enthalten.
Solche Silan- und Titanatmonomere sind generell nach dem Trocknen
und Erhitzen versetzbar und bilden so eine polymere siloxan- oder
titanatartige Matrix. Bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung
sind eine ganze Reihe verschiedener organofunktionaler Silan- oder
Titanatmonomere einsetzbar. Repräsentative
Beispiele sind: Methyltrimethoxysilan, Methyltriethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan,
Phenyltriethoxysilan, (Meth)acryloxyalkyltrimethoxysilan, Isocyanatpropyltriethoxysilan,
Mercaptopropyltriethoxysilan, (Meth)acryloxyalkltrichlorsilan, Phenyltrichlorsilan,
Vinyltrimethoxysilan, Vinyltriethoxysilan, Propyltrimethoxysilan,
Propyltriethoxysilan, Glycidoxyalkyltrimethoxysilan, Glycidoxyalkyltriethoxysilan,
Glycidoxyalkyltri- chlorsilan, Perfluoralkyltrialkoxysilan, Perfluormethylalkyltrialkoxysilan,
Perfluoralkyltrichlorsilan, Perfluoroctylsul- fonnamidpropylmethoxysilan,
Titanisopropoxid, Isopropyldime- thacrylisostearoyltitanat, Isopropyl-tri(N-ethylendiamin)-
ethyltitanat, Kombinationen dieser Stoffe und dergleichen.
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In
wieder anderen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung kann das Flüssiggemisch 18 wenigstens
eine polymere Vorläuferkomponente
enthalten, die in der Lage ist, eine härtbare flüssige Beschichtung auf dem
Substrat 16 herzustellen, wobei die Komponente(n) eine
Strahlungsvernetzungsfunktionalität aufweist/aufweisen dergestalt,
dass die flüssige
Beschichtung unter Einwirkung von Härtestrahlungsenergie erhärten und
verfestigen (d.h. polymerisieren bzw. vernetzen) kann. Als repräsentative
Beispiele für
die Strahlungshärteenergie
wären hier
die elektromagnetische Energie (beispielsweise Infrarot- und Mikrowellenenergie,
sichtbares Licht, UV-Licht und dergleichen), beschleunigte Teilchen
(zum Beispiel Elektronenstrahlenergie) bzw. Energie aus elektrischen
Entladungen (beispielsweise Korona-, Plasma-, Glüh- oder Dunkelentladungen)
zu nennen.
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Was
die praktische Anwendung der vorliegenden Erfindung anbetrifft,
so bezieht sich die Strahlungsvernetzungsfunktonalität auf direkt
oder indirekt von einem monomeren, oligomeren oder polymeren Grundgerüst (wie
es im Einzelnen der Fall sein kann) abhängige funktionelle Gruppen,
die unter der Einwirkung von Strahlungshärtenergie aus einer entsprechenden
Quelle an Vernetzungs- bzw. Polymerisierungsreaktionen teilnehmen.
Diese Funktionalität
schließt
allgemein nicht nur solche Gruppen ein, die unter dem Einfluss der Strahlung über einen
kationischen Mechanismus vernetzen, sondern auch solche, bei denen
die Vernetzung über
einen radika-lischen Mechanismus erfolgt. Zu den repräsentativen
Beispielen für
im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbare strahlungsvernetzbare
Gruppen zählen
die Epoxydgruppen, die (Meth)- acrylatgruppen, die olefinischen
Kohlenstoff-Kohlenstoff-Dop- pelbindungen, die Allylethergruppen,
die Styrolgruppen, die (Meth)acrylamidgruppen, sowie deren Kombinationen
und dergleichen.
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Die
bevorzugten radikalisch härtbaren
Monomere, Oligomere bzw. Polymere besitzen jeweils eine bzw. mehrere
polymerisierbare Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung(en), so dass
die mittlere Funktionalität dieser
Stoffe wenigstens eine radikalische Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung
aufweist. Stoffe mit derartigen Einheiten sind über diese Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungsfunktionalität miteinander
copolymerisierbar bzw. vernetzbar. Zur Durchführung der vorliegenden Erfindung
geeignete radikalisch härtbare
Monomere sind vorzugsweise aus einem oder mehreren mono-, di-, tri
und tetra funktionalen radikalisch härtbaren Monomeren zu wählen. Je
nach den für
die fertige Beschichtung geforderten Eigenschaften sind verschiedene Anteile
an mono-, di-, tri- und tetrafunktionalen radikalisch härtbaren
Monomeren im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbar. Zur Herstellung
beispielsweise von Beschichtungen mit höherer Abrieb- und Stoßfestigkeit
sollte die Zusammensetzung ein oder mehrere polyfunktionelle radikalisch
härtbare
Monomere, und zwar vorzugsweise wenigstens sowohl di- als auch trifunktionale
radikalisch härtbare
Monomere, aufweisen, damit diese im Gemisch enthaltenen radikalisch
härtbaren
Monomere eine mittlere radikalisch härtende Funktionalität pro Molekül von mehr
als 1 haben.
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Bevorzugte
erfindungsgemäße Zusammensetzungen
bzw. Gemische können
1 bis 100 Gewichtsteile monofunktionale, 0 bis 75 Gewichtsteile
difunktionale, 0 bis 0,75 trifunktionale und 0 bis 75 Gewichtsteile
tetrafunktionale radikalisch härtbare
Monomere enthalten unter der Voraussetzung, dass die radikalisch
härtbaren
Monomere eine mittlere Funktionalität von 1 oder darüber, vorzugsweise
von 1,1 bis 4 und weiter bevorzugt von 1,5 bis 3 aufweisen.
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Eine
für die
Durchführung
der vorliegenden Erfindung geeignete repräsentative Klasse monofunktionaler
radikalisch härtbarer
Monomere beinhaltet Verbindungen, bei denen eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung
direkt oder indirekt mit einem aromatischen Ring verkettet ist.
Als Beispiele für
diese Verbindungen wären
zu nennen: Styrol, alkyliertes Styrol, Alkoxystyrol, halogenierte
Styrole, radikalisch härtbares
Naphthalin, Vinylnaphthalin, alkyliertes Vinylnaphthalin, Alkoyvinylnaphthalin
sowie Kombinationen dieser Stoffe und dergleichen. Eine weitere
repräsentative
Klasse monofunktionaler radikalisch härtbarer Monomere enthält Verbindungen,
bei denen eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung mit einem zykloaliphatischen,
heterozyklischen bzw. aliphatischen Anteil wie 5-Vinyl-2-norbornen,
4-Vinylpyridin, 2-Vinylpyridin, 1-Vinyl-2-pyrrolidinon, 1-Vinylcaprolactam,
1-Vinylimidazol, N-Vinylformamid
und dergleichen angebunden ist.
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Eine
weitere repräsentative
Klasse solcher monofunktionaler radikalisch härtbarer Monomere enthalten
(meth)accrylatfunktionale Monomere mit Anteilen nach der Formel:
wobei R eine einwertige Einheit
wie Wasserstoff, Halogen, Methyl oder dergleichen ist. Repräsentative
Beispiele für
solche Einheiten enthaltende Monomere sind: (Meth)acrylamide, Chlor(meth)acrylamid,
sowie lineare, verzweigte oder zykloaliphatische Ester der (Meth)acrylsäure mit
1 bis 10, vorzugsweise 1–8,
Kohlenstoffatomen wie Methyl(meth)acrylat, n-Butyl(meth)acrylat,
t-Butyl(meth)acrylat, Ethyl(meth)acrylat, Isopropyl(meth)acrylat,
2-Ethylhexyl(meth)acrylat und Isooctylacrylat; Vinylester von Alkansäuren, wobei
die Alkyleinheit der Alkansäuren
2 bis 10, vorzugsweise 2 bis 4, Kohlenstoffatome enthält und linear,
verzweigt oder zyklisch sein kann; Isobornyl(meth)acrylat; Vinylacetat;
Allyl(meth)acrylat und dergleichen.
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Solche
(Meth)acrylat-funktionalen Monomere können auch eine andere Art von
Funktionalität
wie beispielsweise eine Hydroxyl-, Nitril-, Epoxyd-, Carboxyl-,
Thiol-, Amin-, Isocyanat-, Sulfonyl-, Perfluor-, Sulfonamid- bzw.
Phenylfunktionalität
sowie Kombinationen derselben etc. aufweisen. Repräsentative
Beispiele für solche
radikalisch härtbare
Verbindungen sind: Glycidyl(meth)acrylat, (Meth)acrylnitril, β-Cyanethyl(meth)acrylat,
2-Cyanethoxyethyl(meth)acrylat, p-Cyanstyrol, p-(Cyanmethyl)styrol,
ein Ester einer α,β-ungesättigten
Carbonsäure
mit einem Diol, beispielsweise 2-Hydroxyethyl(meth)acrylat bzw.
2-Hydroxypropyl(meth)acrylat; 1,3-Dihydroxypropyl-2-(meth)acrylat;
2,3-Dihydroxypropyl-1-(meth)acrylat; ein Addukt einer α,β-ungesättigten
Carbonsäure
mit Caprolacton; ein Alkanolvinylether wie 2-Hydroxyethylvinylether;
4-Vinylben- zylalkohol;
Allylalkohol; p-Methylolstyrol; N,N-Dimethylamin-(meth)acrylat; (Meth)acrylsäure; Maleinsäure; Maleinsäureanhydrid;
Trifluorethyl(meth)acrylat; Tetrafluorpropyl(meth)acry- lat; Hexafluorbutyl(meth)acrylat;
Butylperfluoroctylsulfonamidethyl(meth)acrylat; Ethylperfluoroctylsulfonamidethyl(meth)-acrylat
sowie Gemische dieser Stoffe und dergleichen.
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Eine
für die
Ausführung
der vorliegenden Erfindung geeignete weitere Klasse monofunktionaler
radikalisch härtbarer
Monomere weist ein oder mehrere N,N-disubstituierte (Meth)acrylamide
auf. Der Einsatz eines N,N-disubstituierten (Meth)acrylamids bietet
zahlreiche Vorteile: so lassen sich beispielsweise bei Verwendung
eines N,N-disubstituierten (Meth)acrylamids antistatische Beschichtungen
herstellen, die eine verbesserte Haftung auf Polycarbonatsubstraten
ausweisen. Weiter können
unter Verwendung dieser Art von Monomer Beschichtungen mit verbesserter
Wetterfestigkeit und Zähigkeit
hergestellt werden. Vorzugsweise hat das N,N-disubstituierte (Meth)acrylamid
ein Molekulargewicht im Bereich von 99 bis ca. 500, vorzugsweise
ca. 99 bis ca. 200.
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N,N-disubstituierte
(Meth)acrylamid-Monomere entsprechen generell der folgenden Formel:
wobei R
1 und
R
2 jeweils unabhängig voneinander ein Wasserstoffatom,
eine (C
1-C
8)Alkylgruppe
(linear, verzweigt oder zyklisch) mit wahlweise Hydroxy-, Halogenid-,
Carbonyl- und Amido-Funktionalität, eine (C
1-C
8)-Alkylengruppe
mit wahlweise Carbonyl- und Amido-Funktio-nalität, eine (C
1-C
4)Alkoxymethylgruppe, eine (C
4-C
10)Arylgruppe, eine (C
1-C
3)Alk(C
4-C
10)arylgruppe oder eine (C
4-C
10)Heteroarylgruppe sind, unter der Voraussetzung,
dass nur einer der Reste R
1 oder R
2 ein Wasserstoffatom bedeutet, und R
3 ein Wasserstoffatom, eine Halogen- oder
Methylgruppe sind. Vorzugsweise ist R
1 eine
(C
1-C
4)Alkylgruppe,
R
2 eine (C
1-C
4)Alkylgruppe und R
3 ein
Wasserstoffatom oder eine Methylgruppe. R
1 und
R
2 können
gleich oder unterschiedlich sein. Weiter bevorzugt sind R
1 und R
2 CH
3 und R
3 ein Wasserstoffatom.
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Beispiele
für solche
geeigneten (Meth)acrylamide sind: N-tert-Butylacrylamid, N,N-Dimethylacrylamid, N,N-Diethylacrylamid,
N-(5,5-Dimethylhexyl)acrylamid, N-(1,1-Dimethyl-3-oxobutyl)-acrylamid,
N-(Hydroxymethyl)acrylamid, N-(Isobutoxymethyl)-acrylamid,
N-Isoproylacrylamid, N-Methylacrylamid,
N-Ethyl-acrylamid, N-Metyhl-N-ethylacrylamid und N,N'-Methylenbisacrylamid.
Ein besonders bevorzugtes (Meth)acrylamid ist N,N-Dimethyl(meth)acrylamid.
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Zu
den weiteren Beispielen radikalisch härtbarer Monomere gehören die
Alkene wie die Ethen-, 1-Propen-, 1-Buten-, 2-Buten(cis oder trans)-Verbindungen mit
einer Allyloxyeinheit und dergleichen.
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Zusätzlich bzw.
alternativ zu den monofunktionalen radikalisch härtbaren Monomeren sind im Rahmen der
vorliegenden Erfindung auch alle multifunktionalen radikalisch härtbaren
Mo nomere, die vorzugsweise eine Di-, Tri- bzw. Tetra-Radikalhärte-funktionalität aufweisen,
einsetzbar. Solche multifunktionalen (Meth)acrylat-Verbindungen
sind von einer Reihe von Lieferfirmen beziehbar. Alternativ lassen
sich diese Verbindungen im Wege einer Reihe verschiedener und bestens
bekannter Reaktionsmuster herstellen. So wird nach einem dieser
Verfahren eine (Meth)acrylsäure
oder ein Acrylhalogenid etc. mit einem Polyol mit wenigstens zwei,
vorzugsweise zwei bis vier, Hydroxylgruppen zur Reaktion gebracht.
Dieser Ablauf ist mit dem nachstehenden Reaktionsschema beschreibbar,
das aus Gründen
der Darstellung die Reaktion zwischen einer Acrylsäure und
einem Triol zeigt:
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-
Nach
diesem vorstehenden Reaktionsschema fällt ein trifunktionales Acrylat
an. Zur Herstellung von di- oder tetrafunktionalen Verbindungen
können
anstelle des Triols entsprechende Diole und Tetrole eingesetzt werden.
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Nach
einem weiteren Verfahren wird eine hydroxy- oder amin-funktionale
(Meth)acrylat-Verbindung oder dergleichen mit einem Polyisocyanat,
einem Isocyanurat oder dergleichen mit 2 bis 4 NCO-Gruppen oder dem Äquivalent
zur Reaktion gebracht. Dieses Verfahren wird durch das nachstehende
Reaktionsschema dargestellt, das aus Gründen der Veranschaulichung
eine Reaktion zwischen einem Hydroxyethylacrylat und einem Diisocyanat
zeigt.
wobei
jedes W die Bedeutung
hat.
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Dieses
vorstehende Reaktionsschema ergibt ein difunktionales (Meth)acrylat.
Zur Herstellung von tri- oder tetrafunktionalen Verbindungen könnten anstelle
von Diisocyanat entsprechende tri- oder tetrafunktionale Isocyanate
verwendet werden.
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Eine
weitere bevorzugte Klasse multifunktionaler (Meth)acryl-funktionaler
Verbindungen beinhaltet ein oder mehrere multifunktionale, ethylenisch-ungesättigte Ester
der (Meth)acrylsäure
wie durch die nachstehende Formel dargestellt:
wobei R
4 Wasserstoff,
Halogen oder eine (C
1-C
4)Alkylgruppe
und R
5 eine mehrwertige organische Gruppe
mit m Wertigkeiten ist und zyklisch, verzweigt oder linear, aliphatisch,
aromatisch oder heterozyklisch sein sowie Kohlenstoff-, Wasserstoff-,
Stickstoff-, nicht-peroxidische Sauerstoff-, Schwefel- oder Phosphoratome
aufweisen kann und wobei m eine die Anzahl der Acryl- oder Methacrylgruppen
im Ester bezeichnende Ganzzahl ist und den Wert 2 bis 4 hat. Vorzugsweise
ist R
4 Wasserstoff, Methyl oder Ethyl, weist
R
5 ein Molekulargewicht von ca. 14–100 auf
und hat m den Wert 2–4.
Wird ein Gemisch aus multifunktionalen Acrylaten bzw. Methacrylaten
verwendet, so hat m vorzugsweise einen mittleren Wert von ca. 1,05
bis 3.
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Spezifische
Beispiele für
geeignete multifunktionale ethylenisch-ungesättigte Ester der (Meth)acrylsäure sind
die Polyacrylsäure-
oder Polymethacrylsäureester
polyhydrischer Alkohole, darunter beispielsweise die Diacrylsäure- und
die Dimethylacrylsäureester
aliphatischer Diole wie Ethylenglycol, Triethylenglycol, 2,2-Dimethyl-1,3-propandiol,
1,3-Cyclopentandiol, 1-Ethoxy-2,3-propandiol, 2-Methyl-2,4-pentandiol,
1,4 -Cyclohexandiol, 1,6-Hexandiol, 1,2-Cyclohexandiol, 1,6-Cyclohexandimethanol,
Hexafluordecandiol, Octafluorhexandiol, Perfluorpolyetherdiol; die
Triacrylsäure-
und Trimethacrylsäure-
ester aliphatischer Triole wie Glycerin, 1,2,3-Propantrime-thanol, 1,2,4-Butantriol,
1,2,5-Pentantriol, 1,3,6-Hexantriol und 1,5,10-Decantriol; die Triacrylsäure- und
Trimethacrylsäureester
von Tris(hydroxyethyl)isocyanurat; die Tetraacrylsäure- und
Tetramethacrylsäureester
aliphatischer Triole wie 1,2, 3,4-Butantetrol, 1,1,2,2-Tetramethylolethan
und 1,1,3,3-Te-tramethylolpropan; die Draxcrylsäure- und Dimethacrylsäurester
aromatischer Diole wie Pyrocatechin und Bisphenol A, Gemische dieser
Stoffe etc.
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Unter
weiterer Bezugnahme auf 1a kann
das Trägergas 24 jedes
Gas bzw. jede Kombination von Gasen sein, die je nach Wunsch gegenüber dem
gesamten Flüssiggemisch 18 oder
einem Teil dieses Gemischs inert oder reaktiv sind. In vielen Anwendungen
wird jedoch bevorzugt, dass das Trägergas 24 gegenüber sämtlichen
Komponenten des Flüssiggemischs 18 inert
ist. Besonders in dem Falle, wo das Flüssiggemisch 18 eine
organische Flüssigkeit
umfasst, sollte das Trägergas 24 vorzugsweise
kein oxidierendes Gas wie Sauerstoff enthalten. Repräsentative
Bei spiele für
inerte Gase sind Stickstoff, Helium, Argon, Kohlendioxyd, Kombinationen
dieser Stoffe und dergleichen. Bei Flüssiggemischen 18,
für die
eine Oxidation keine Bedeutung hat, ist auf Wunsch normale Umgebungsluft
als Trägergas
einsetzbar.
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Nach
dem Zerstäuben
werden die Flüssigkeitströpfchen 28 verdampft
und im Trägergas 24 in
Form eines schematisch unter der Bezugsziffer 30 dargestellten
nicht Licht zerstreuenden Dampfes dispergiert. Der Dampf 30 ist
vorzugsweise ein echter Dampf, kann jedoch auch eine dispergierte
Phase sein, in welcher die dispergierten Tröpfchen zu klein sind, d.h.
beispielsweise eine mittlere Größe von weniger
als ca. 30 nm aufweisen, um sichtbares Licht oder Laserlicht mit
einer Wellenlänge
von 630 nm bis 670 nm zu streuen. Damit ist der Dampf 30 in
Wirklichkeit nicht sichtbar, obgleich in 1a der
Dampf 30 als eine Vielzahl von Tröpfchen wiedergegeben ist.
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Tatsächlich weist
das Unsichtbarwerden der flüssigen
Tröpfchen 28 nach
erfolgter Kollision der Ströme 22 und 20 über die
Distanz d hinweg darauf hin, dass die Kollision unter für das Verdampfen
im Wesentlich des gesamten Flüssiggemischs 18 wirksamen
Bedingungen stattgefunden hat. Die tatsächliche Distanz d, über die
hinweg das Verdampfen der zerstäubten
Tröpfchen 28 beendet
wird, wird abhängig
von einer Reihe von Faktoren variieren, darunter von der Beschaffenheit
des Flüssiggemischs 18 und
des Trägergases 24,
den jeweiligen Temperaturen des Flüssiggemischs 18 und
des Trägergases 24,
den Geschwindigkeiten der Ströme 22 und 20 zum
Zeitpunkt der Kollision, der Temperatur der Kammer 17,
in der die Zerstäubung
und Verdampfung stattfinden, und dergleichen. In aller Regel liegt
d im Bereich zwischen 2 cm und 20 cm für den Umfang der in den nachfolgenden
Beispielen beschriebenen Einrichtungen. Entsprechend weist die Kammer 17,
falls vorgesehen, normalerweise eine Länge auf, die zumindest der
Distanz d entspricht, damit eine breite Palette von Beschichtungsstoffen
verarbeitet werden kann.
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Die
Kammer 17 ist nicht erforderlich, trägt jedoch zu einer wirksameren
Förderung
des Dampfes zum Substrat 16 und zur Erzielung einer für einen
verbesserten Beschichtungsablauf erforderlichen Geometrie des Dampfes 30 bei.
Soweit verwendet, könnte
die Kammer 17 über
eine Länge
linear verlaufen, die der Distanz von der Zerstäubungszone bis zu dem Bereich
entspricht, in dem der Dampf 30 das Substrat 16 kontaktiert, dies
ist jedoch nicht unbedingt erforderlich. Tatsache ist, dass der
Dampf 30 selbst dann noch die Tendenz hat, zum Substrat 16 zu
strömen,
wenn die Kammer 17 eine Reihe von Verdrehungen und Windungen
aufweisen würde.
So zeigt die 3 beispielsweise Dampftransportrohre
mit geraden Kammern, während
in 4 dagegen eine Kammer mit einer 90°-Windung
dargestellt ist.
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Solange
genügend
Trägergas 24 mit über dem
Kondensationspunkt des Dampfes 30 liegender Temperatur,
die in aller Regel klar unter dem Siedepunkt der zu verdampfenden
Flüssigkomponenten
liegt, eingesetzt wird, kann der Dampf 30 in Vermischung
mit dem Trägergas 24 als
echte Dampfphase vorhanden sein. Höhere Temperaturen, beispielsweise
am Siedepunkt der Flüssigkomponenten
oder oberhalb desselben liegende Temperaturen, sind für das Erzielen
und die Aufrechterhaltung des Verdampfungsprozesses nicht erforderlich,
weil der Kontakt zwischen Trägergas 24 und
Flüssiggemisch
unter Bedingungen durchgeführt
wird, bei denen der Teildruck des Dampfes 30 unter dem
Dampfsättigungsdruck
liegt. Diese Fähigkeit
des Verdampfens von Komponenten, ohne Zuflucht zu höheren Temperaturen
nehmen zu müssen,
ist besonders vorteilhaft beim Einsatz eines Flüssiggemischs 18, in
dem eine oder mehrere der Komponenten bei hohen Temperaturen beschädigt oder
anderweitig beeinträchtigt
werden könnte(n).
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Falls
die Komponenten des Flüssiggemischs 18 keine
Beeinträchtigung
durch hohe Temperaturen erfährt,
könnte
das Trägergas 24 mit
oberhalb des Siedepunkts der Flüssigkomponente(n)
liegenden Temperaturen zugeführt
werden. Tatsächlich
kann die Wahl solch hoher Temperaturen bei gewissen Anwendungen
von Vorteil sein. Weil die Wärmeenergie
für das
Verdampfen aus dem Trägergas 24 kommt,
können
beispielsweise höhere
Gastemperaturen erforderlich bzw. erwünscht sein, damit genügend Wärmeenergie
zugeführt
wird, um gewisse Flüssigkeiten,
insbesondere bei höheren
Strömungsgeschwindigkeiten
derselben, zu verdampfen. In derartigen Fällen kann das resultierende
Gemisch aus Trägergas 24 und
Dampf 30 in Abhängigkeit
von Faktoren wie der Anfangstemperatur des Trägergases 24, der Anfangstemperatur
des Flüssiggemischs 18 und den
relativen Strömungsgeschwindigkeiten
der beiden Materialien eine über
oder unter dem Siedepunkt einer oder mehrerer der Dampfkomponenten
liegende Temperatur aufweisen.
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Damit
hat der Dampf 30 eine Kondensationstemperatur, oberhalb
welcher der gesamte Dampf 30 die Tendenz hat, in der Dampfphase
zu verbleiben. Andererseits besteht unterhalb der Kondensationstemperatur beim
Dampf 30 die Tendenz, in eine Flüssigphase zu kondensieren.
Dementsprechend wird der Strom 22 aus Trägergas 24 vorzugsweise
der Kammer 17 mit einer über dem Kondensationspunkt
des Dampfes 30 liegenden Temperatur zugeführt. Vorzugsweise
wird das Trägergas 24 auf
eine höhere
Temperatur erhitzt, die über dem
Kondensationspunkt, aber dennoch trotzdem unter dem Siedepunkt wenigstens
einer der Komponenten und weiter bevorzugt unter dem Siedepunkt
einer jeden der Flüssigkomponenten
des Flüssiggemischs 18 liegt.
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Aus
dieser Erörterung
ergibt sich, dass, würde
das Gemisch aus Trägergas 24 und
Dampf 30 unter die Kondensationstemperatur fallen, bevor
der Dampf 30 das Substrat 14 erreicht, wenigstens
Teile des Dampfes 30 vorzeitig kondensieren könnten.
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Um
dies zu verhindern, ist die Kammer 17 vorzugsweise aufheizbar,
um das Gasgemisch auf einer über
der Dampfkondensationstemperatur liegenden Temperatur zu halten.
Wärme kann
der Kammer 17 in jeder erwünschten Art und Weise zugeführt werden.
So könnte
beispielsweise der Inhalt der Kammer mit Infrarot-, Mikrowellen-,
Hochfrequenz- oder Laserenergie bestrahlt werden. Weiter könnten beispielsweise
die Wände 19 der
Kammer 17 über
eine elektrische Heizspule oder einen Heizmantel, in dem heißes Gas
bzw. heiße
Flüssigkeit,
zum Beispiel Dampf, um Wände 19 oder
in diesen Wänden
zirkuliert wird, geheizt werden.
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Das
Gemisch aus Trägergas 24 und
Dampf 30 strömt
zur Oberfläche 14 des
Substrats 16, die auf eine Temperatur unter der Kondensationstemperatur
des Dampfes 30 gekühlt
wird. Dies hat zur Folge, dass der Dampf 30 auf der Oberfläche 14 kondensiert
und eine dünne
und im Wesentlichen gleichförmige
Beschichtung 12 bildet. Die Kühlung des Substrats 16 kann
mittels einer geeigneten Kühleinrichtung
erfolgen. Der Darstellung entsprechend wird das Substrat 16 dadurch
gekühlt,
dass es in thermischen Kontakt mit einer gekühlten Auflage 32 gebracht
wird. Der Einsatz der Auflage 32 ist besonders deswegen
vorteilhaft, weil Kühleffekte
primär
auf das Substrat 16 und nicht auf andere Teile des Systems 10 wie
das Gemisch aus Trägergas 24 und Dampf 30 thermisch übertragen
werden. Auf diese Weise wird die vor dem Erreichen des Substrats 16 kondensierende
Menge des Dampfes 30 minimiert. Die Auflage 32 kann
unter Verwendung jeder erwünschten Kühltechnik
gekühlt
werden. Wie ersichtlich, wird die Auflage 32 durch Zirkulieren
eines geeigneten Kühlmediums
wie gekühlten
Wassers oder dergleichen aus einer Kühlmittelzufuhrleitung 34 durch
die Auflage 32 gekühlt. Über eine
Ablauflaufleitung 36 wird das Kühlmedium aus der Auflage 32 abgezogen.
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Für das Beschichten
gemäß der vorliegenden
Erfindung geeignete Substrate sind aus vielen unterschiedlichen
Materia lien und in einer Vielzahl von Formen herstellbar. Hinsichtlich
des Materials können
die Substrate aus Metall, Holz, Stoff, Polymeren, Keramik, Papier,
Mineral, Glas, Verbundstoffen usw. bestehen. Hinsichtlich ihrer
Form können
die Substrate eben, gekrümmt,
gewellt, verdrallt, mikrostrukturiert, glatt, rau, porös, partikulär, faserig,
hohl, dreidimensional, mit regelmäßiger oder unregelmäßiger Oberfläche etc.
ausgebildet sein. Die Verfahrensweisen für die Anordnung der Substrate
nahe dem erfindungsgemäßen Dampfstrom sind
von der jeweils gewünschten
Art der Beschichtung und des Substrats abhängig. Zu den geeigneten Verfahren
gehören
beispielsweise Fördertechniken
für flexible
bahnartige Substrate und Fasermaterialien, Vibrations- oder Suspensionstechniken
für partikuläre Substrate
sowie der Einsatz beweglicher Quellen für Dampf oder ein bewegliches
Substrat im Falle dreidimensionaler Substrate.
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In
der Ausführungsform
gemäß 1a findet
während
der Beschichtung keine Bewegung des Substrats 16 und der
Auflage 32 statt. Damit ist diese Ausführungsform nach 1a zur
Durchführung
von diskontinuierlichen Beschichtungsprozessen geeignet. Wahlweise
könnten
die Beschichtungsoperationen jedoch auch stationär durchgeführt werden. So zeigen 3 und 4 beispielsweise
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, bei denen große Längen eines beweglichen Substrats
stationär
beschichtet werden.
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Vorteilhafterweise
lässt sich
die vorliegende Erfindung zum Herstellen von Aufträgen wie
der Beschichtung 12 in vielen unterschiedlichen Dicken
einsetzen. In bevorzugten Ausführungsformen
lassen sich Beschichtungen mit einer gleichförmigen Dicke im Bereich zwischen
0,01 μm
und 5 μm
problemlos in einem einzigen Durchgang herstellen. Dickere Filme
oder Mehrschichtfilme aus unterschiedlichen Stoffen sind dadurch
herstellbar, dass das Substrat 16 in mehreren Beschichtungsgängen oder
durch Aufbringen mehrerer Aufträge
in einem einzigen Durchgang beschichtet wird. Vorteilhafterweise
können
erfindungsgemäß auch im Wesentlichen
nadellochfreie Beschichtungen erzielt werden. Auch wird angenommen,
dass beim gleichzeitigen Abscheiden separater Dämpfe bzw. Dampfgemische bei
den Beschichtungen keine Phasentrennungen feststellbar sind.
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Nach
anfänglichem
Ausbilden der Beschichtung 12 durch Abscheiden von Dampf 30 auf
die Oberfläche 12 kann
die Beschichtung 12 je nach ihrer gewünschten Beschaffenheit wahlweise
auch weiteren Verarbeitungen zugeführt werden. Besteht eine Beschichtung 12 beispielsweise
aus Komponenten, die erhärten oder
vernetzen und verfestigen können,
wenn sie einer härtenden
Strahlungsenergie ausgesetzt werden, so kann die Beschichtung 12 zu
ihrer Aushärtung
mit einer geeigneten Dosis härtender
Strahlungsenergie bestrahlt werden. Bei Beschichtungen aus Bestandteilen,
die nach einem Erhitzen thermisch aushärten und verfestigen, kann
die Beschichtung 12 unter das Aushärten bewirkenden passenden
Bedingungen erhitzt werden. Im Falle einer Beschichtung 12 aus
Bestandteilen, die sich aufgrund einer Phasenveränderung bei weiterer Abkühlung verfestigen,
kann die Beschichtung 12 auf eine Temperatur abgekühlt werden,
bei welcher die Verfestigung ihrer Bestandteile erfolgt. Überschüssiges Trägergas 24 und überschüssiger Dampf 30,
die in 1a gesamtheitlich als Abgas 39 dargestellt
sind, können über eine
Auslassöffnung 38 aus
der Kammer 17 abgeführt
werden.
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Gemäß 1a wird
die Zerstäubung
durch Kollidieren des Stroms 22 mit dem Strom 20 bewirkt,
wobei die Kollisionsenergie das Flüssiggemisch 18 in
einen Nebel 18 aus feinen Flüssigkeitströpfchen 28 aufbricht. Die
Kollisionszerstäubung
unter laminaren Strömungsbedingungen
ist deswegen von Vorteil, weil das Flüssiggemisch 18 weich
und ohne Stöße, die
zu Änderungen
in der Konzentration der Tröpfchen
und im weiteren Verlauf des Dampfes führen könnten, verdampft wird. Die
Zerstäubung
könnte
auch mit anderen Mitteln erfolgen, wenngleich bei diesen die Tendenz
besteht, dass sie eine Stoßcharakteristik
in der Zerstäubung
entwickeln. So könnte
die Zerstäubung
des Flüssiggemischs 18 unter
Einsatz einer konventionellen Zerstäubereinrichtung erfolgen, die
zerstäubte
Flüssigkeitströpfchen 28 in
ein Trägergas
auswirft oder sprüht,
so dass die Tröpfchen 28 verdampfen
können.
Zu solchen anderen Zerstäubungsverfahren
gehören
die Ultraschall- oder Fliehkraftzerstäubung etc. Dies ist schematisch
in 1b dargestellt. 1b ist
allgemein ähnlich
der 1a mit der Ausnahme, dass der Flüssigkeitsstrom 20 mittels
eines Zerstäuberelements 21 statt
durch Stromkollision zerstäubt
wird. Eine breite Palette zur Verwendung als Zerstäuberelement 21 geeigneter
repräsentativer Zerstäubungsstrukturen
ist in Lefebvre, A. H., Atomization and Sprays, Hemisphere Publishing
Corp., U.S.A. (1989); Harari et al, Atomization and Sprays, Band
7, Seite 97–113
(1997) beschrieben.
-
Als
weitere Alternative können
der Flüssigkeitsstrom 20 und
der Gasstrom 22 zunächst
vorvermischt werden, wonach das Flüssiggemisch 18 mittels
konventioneller Zerstäubereinrichtungen
zerstäubt
wird. Auf diese Weise gelangen die resultierenden zerstäubten Tröpfchen 28 zum
Zeitpunkt der Zerstäubung
zu einer innigen Vermischung mit dem Trägergas 24. Vorteilhafterweise
wird im Falle des Vorvermischens von Flüssigkeitsstrom 20 und
Trägergasstrom 24 weniger
Trägergas 24 gebraucht
als bei der Kollisionslösung
gemäß 1a.
Durch Kollision gebildete Tröpfchen 28 neigen
jedoch dazu, kleiner zu sein und schneller zu verdampfen als im
Wege des Vorvermischungsverfahrens erzeugte Tröpfchen 28. Als weitere
Alternative lässt
sich die Zerstäubung
durch Kollidieren von zwei oder mehr Strömen aus Flüssiggemisch 18 ausführen, dergestalt, dass
die resultierenden zerstäubten
Tröpfchen 28 mit
Trägergas 24 kontaktiert
werden können.
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2a ist
ein Flussdiagramm einer bevorzugten Betriebsart 100 des
Systems 10 aus 1a. Eine Betrachtung
der Betriebsart 100 anhand dieses Flussdiagramms ist besonders
hilfreich für
das Verständnis
der alternativen Betriebsart 100' der vorliegenden Erfindung, die
in Form eines Flussdiagramms in 2b dargestellt
ist. Wie zunächst
aus 2a ersichtlich, werden der Strom 102 aus
Flüssiggemisch 104 und
der Strom 106 aus Trägergas 108 in
Schritt 110 unter die Zerstäubung sowie Verdampfung des
Flüssiggemischs 104 zu einem
das Trägergas 108 und
das verdampfte Flüssiggemisch
enthaltenden Gasgemisch bewirkenden Bedingungen zerstäubt und
verdampft. In Schritt 112 strömt der Dampf zur Oberfläche des
gekühlten
Substrats, wo sich der Dampf als eine Flüssigkeit niederschlägt und in
Schritt 114 eine Beschichtung auf dem Substrat bildet. In
Schritt 116 wird die Beschichtung einer wahlweisen Nachkondensationsbehandlung
unterzogen.
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Die
Betriebsart 100 lässt
sich auf einfache Weise für
die Verarbeitung von Flüssiggemischen 104,
die abgeleitet sind aus bzw. eine oder mehrere Komponente umfassen,
die unter Umgebungsbedingungen normalerweise fest sind, anpassen.
So kann ein zur Bildung einer verdampfbaren Flüssigkeit leicht schmelzender Stoff,
beispielsweise Wachs, geschmolzen und sodann in geschmolzener Form
in das Flüssiggemisch 104 eingebracht
werden. Andere Feststoffe weisen Löslichkeitseigenschaften auf,
die in Kombination mit einer anderen Flüssigkomponente des Flüssiggemischs 104 eine
einfache Lösung
gestatten. So sind beispielsweise viele feste Photoinitiatoren in
Fluids mit strahlungshärtbaren
Monomeren löslich,
deren Polymerisation durch das Vorhandensein eines Photoinitiators
auf vorteilhafte Weise vereinfacht wird. Andere Feststoffe sind
in Form feiner Teilchen lieferbar, die beim Kontakt mit dem Trägergas 108 entweder
schmelzen oder klein genug sind, um mit dem Beschichtungsdampf an
die Beschichtungszone verbracht zu werden.
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2b zeigt
eine alternative Betriebsart 100', die generell der Betriebsart 100 gemäß 2a entspricht
mit der Ausnahme, dass in dieser Betriebsart 100' mehrere Flüssigkeitsströme 102a', 102b' usw. mit einer
entsprechenden Zahl von Trägergasströmen 106a', 106b' etc. so vereinigt
werden können,
dass die Flüssigströme 102a', 102b' usw. wirksam
zerstäubt
und verdampft werden. Diese Dampfbildung kann im Wesentlichen gleichzeitig
in der gleichen Kammer zur Erzeugung von Mischdämpfen erfolgen. Die gleichzeitige Dampfbildung
wird besonders bevorzugt für
die Herstellung homogener Beschichtungen aus Flüssigkeiten, die normalerweise
miteinander unmischbar sind. Alternativ kann die Dampfbildung sequenziell
in der gleichen Kammer erfolgen, so dass mehrlagige Beschichtungen
hergestellt werden können.
Als weitere Alternative ist die Dampfbildung in separaten Kammern
möglich,
wonach die Dämpfe
gleichzeitig aus diesen separaten Kammern auf ein Substrat gesprüht werden.
Das gleichzeitige Aussprühen
von Dämpfen
aus separaten Kammern wird zur Herstellung von Beschichtungen aus
miteinander reaktionsfähigen
Dämpfen
bevorzugt.
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3 zeigt
eine besondere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 200,
die zum Ausbilden einer Beschichtung (aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt)
auf einem flexiblen Bahnmaterial 204 nützlich ist, das sich von einer
Vorratsrolle 208 aus über
eine gekühlte
Auflage 206 zu einer Aufwickelwalze 210 bewegt.
Generell sind Beschichtungsoperationen beim Transport des flexiblen
Bahnmaterials 204 mit jeder gewünschten Geschwindigkeit innerhalb
eines weiten Geschwindigkeitsbereichs durchführbar. So kann beispielsweise
das flexible Bahnmaterial 204 mit einer Geschwindigkeit
im Bereich von ca. 1 cm/s bis 1000 cm/s gefahren werden. Das flexible
Bahnmaterial 204 ist aus einer Reihe verschiedener flexibler
Materialien, darunter Polymere, Papier, Fasermaterial und Stoff
aus Natur- oder Kunstfasern, Metalle, Keramikverbindungen und dergleichen
herstellbar. Führungsrollen 212 tragen
mit dazu bei, das flexible Bahnmaterial 204 über die
Oberfläche 214 der
Auflage 206 zu leiten. Die Auflage 206 wird durch
ein Kühlmedium
gekühlt,
das über
eine Zuleitung 216 in die Auflage 206 eintritt
und über
eine Abflussleitung 218 ausgetragen wird. Die Kühlwirkung
des Kühlmediums
wird in thermischem Kontakt mit der Aufnahme 206 stehenden
Teilen des flexiblen Bahnmaterials 204 eingebracht.
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Die
Beschichtungsoperationen werden unter Einsatz eines Dampftransportrohrs 224 durchgeführt. Dieses
Dampftransportrohr 224 unterstützt die Förderung von Dampf zum flexiblen
Bahnmaterial 204 sowie die Erzielung einer für eine bessere
Beschichtungsleistung geeigneten Dampfstromform. Das Dampftransportrohr 224 ist
aus zwei Hälften 203 und 205 aufgebaut.
Jede Hälfte 203 und 205 weist
an ihrem Verbindungsende einen Flansch 207 bzw. 209 auf, über den
die Hälften
mit entsprechenden Befestigungselementen wie Schrauben, Bolzen,
Gewinde usw. lösbar
miteinander verbunden sind. Die beiden Hälften 203 und 205 lassen sich öffnen, um
den Zugang zur Kammer 222 zwecks Wartung und Überprüfung zu
ermöglichen.
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Das
Dampftransportrohr 224 weist ein Einlassende 226 und
ein Auslassende 228 auf. Das Einlassende 226 ist
mit einer Düse 230 versehen,
durch die Ströme
eines flüssigen
Beschichtungsmaterials und eines Trägergases ausgestoßen und
im Innern der Kammer 222 des Dampftransportrohrs 224 zur
Kollision gebracht werden. Diese Kollision bewirkt die Zerstäubung und
Verdampfung des Beschichtungsmaterials. Das Beschichtungsmaterial
wird der Düse 230 über die
Versorgungsleitung 232 zugeführt. Die Materialförderung durch
die Versorgungsleitung 232 hindurch erfolgt mittels einer
Dosierpumpe 236. Trägergas
wird der Düse 230 über die
Versorgungsleitung 234 zugeleitet. Die Versorgungsleitung 234 weist
einen Durchflussregler 235 sowie wahlweise einen Wärmetauscher 238 zum
Vorwärmen
des Trägerga ses
vor dessen Eintritt in das Dampftransportrohr 224 auf.
Wärme kann
der Kammer 222 mittels einer Heizvorrichtung wie eines
Heizelements 240 zum Erhitzen der Wände 242 des Dampftransportrohrs 224 zugeführt werden.
Das schematisch in 3 dargestellte Heizelement 240 ist
in Form eines elektrischen Widerstandsheizelements vorgesehen, das spiralförmig um
das Dampftransportrohr 224 in thermischem Kontakt mit den
Wänden 242 herumgelegt
ist, um die gewünschte
Wärmemenge
bereitzustellen.
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Das
Auslassende 228 des Dampftransportrohrs 224 ist
mit einer Endkappe 246 versehen, über deren Öffnung 244 der im
Innern der Kammer 222 erzeugte Dampf auf das flexible Bahnmaterial 204 geleitet
wird. Die Endkappe 246 kann wahlweise abnehmbar sein, damit
die Kammer 222 zum Zwecke der Wartung und Kontrolle zugänglich ist.
Kontaktiert der Dampf das gekühlte
Bahnmaterial 204, das auf einer Temperatur unterhalb der
Kondensationstemperatur des Dampfes gehalten wird, so schlägt sich
der Dampf unter Bildung einer Beschichtung auf dem Bahnmaterial 204 nieder.
Nach dem Aufbringen der Beschichtung auf das sich fortbewegende
Bahnmaterial 204 kann die Beschichtung einer geeigneten
Härtebehandlung
unterzogen werden, wie dies schematisch durch die Härteeinrichtung 250 angezeigt
ist. So kann beispielsweise in einer Option die Härteeinrichtung 250 eine
Härtestrahlungsenergiequelle
sein, wenn die Beschichtung eine strahlungsvernetzbare Funktionalität aufweist.
In einer weiteren Ausführung
besteht die Härtevorrichtung 250 aus
einem Ofen, wenn die Beschichtung eine thermisch härtbare Funktonalität besitzt.
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4 zeigt
ein besonders bevorzugtes erfindungsgemäßes System 300, das
zum Ausbilden einer strahlungsgehärteten Beschichtung auf einem
beweglichen Bahnmaterial 302 geeignet ist, bei dem die
Beschichtung aus einem oder mehreren flüssigen strahlungsvernetzbaren
Beschichtungsstoffen hergestellt wird. Das System 300 weist
ein doppelwandiges Gehäuse 304 mit
einer Innenwand 306 und einer Außenwand 308 auf. Die
Innenwand 306 bildet eine Beschichtungskammer 310.
Eine innere Trennwand 312 unterteilt die Beschichtungskammer 310 in
eine obere Kammer 314 und eine untere Kammer 316.
Die untere Kammer 316 wird angesichts der reaktiven Beschaffenheit
der zur Herstellung der Beschichtung auf dem Bahnmaterial 302 eingesetzten
strahlungsvernetzbaren Beschichtungsmaterialien sowie zur Aufrechterhaltung
einer sauberen Beschichtungsumgebung unter einer inerten Atmosphäre gehalten.
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Die
inerte Atmosphäre
kann aus jedem beliebigen Gas bzw. jeder beliebigen Kombination
von Gasen bestehen, das bzw. die gegenüber den aufzubringenden und
einer Bearbeitung nach dem Kondensieren zu unterziehenden Materialien
inert ist bzw. sind. Beispiele für
solche geeignete inerte Gase sind Stickstoff, Helium, Argon, Kohlendioxid,
Kombinationen dieser Gase etc. Die inerte Atmosphäre kann
mit jeder Temperatur zugeführt
werden, die für
die Durchführung
der Beschichtungsoperationen zweckmäßig und wirksam ist. Ist die inerte
Atmosphäre
jedoch zu heiß oder
zu kühl,
so kann die Steuerung der Bahnmaterial- bzw. Dampftemperatur erschwert werden.
Deshalb wäre
generell die Zufuhr der inerten Atmosphäre mit einer Temperatur im
Bereich zwischen 0°C
und 100°C
geeignet. Die inerte Atmosphäre
wird der unteren Kammer 316 über Gaseinlassöffnungen 320 zugeführt, während die
Ableitung über
Gasaustragöffnungen 322 erfolgt.
Die untere Kammer 316 wird unter einem leichten Überdruck,
beispielsweise von 0,04 psig (250 Pa) gehalten, damit Umgebungsgase,
Teilchen und sonstige Verunreiniger von der unteren Kammer 316 ferngehalten
werden.
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Das
flexible Bahnmaterial 302 ist von einer Vorratsrolle 326 (im
Oberkammerbereich 314) aus um eine Trommel 324 (im
Unterkammerbereich 316) herum auf die Aufwickelwalze 328 (ebenfalls
in der oberen Kammer 314) geführt. Führungsrollen 325 unterstützen die
Führung
der Materialbahn 302 während
ihres Transports. Vorzugsweise ist die Trommel 324 als
wassergekühlte
Drehtrommel ausgeführt,
die zum Unterstützen des
Transports der Materialbahn 302 um die Trommel 324 herum
in Richtung des Pfeils 330 drehbar ist. Wegen der sehr
geringen Beschichtungsdicken, die erfindungsgemäß herstellbar sind, sollte
die Oberfläche 332 der
Trommel 324 eben (d.h. parallel zur Trommelachse) und glatt
sein. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform einer wassergekühlten Trommel 324 wird
durch Zirkulieren von Kühlwasser
durch einen unterhalb, jedoch nahe der Oberfläche 332 angeordneten
doppelspiraligen Kühlkanal
(nicht dargestellt) gekühlt.
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Die
Trommel 324 wird auf einer unterhalb der Kondensationstemperaturen)
wenigstens eines Teils der und vorzugsweise sämtlicher strahlungsvernetzbaren
Beschichtungsstoffe liegenden Temperatur gehalten. Weil die thermische
Masse des mit der Trommel 324 in thermischem Kontakt stehenden
Bahnmaterials 302 gegenüber
derjenigen der Trommel 324 relativ gering ist, werden die
in thermischem Kontakt mit der Trommel 324 stehenden Teile
der Bahn auf eine Temperatur gekühlt,
die im Wesentlichen der Temperatur der Auflage entspricht. Damit
wird sichergestellt, dass die dampfförmigen Beschichtungsmaterialien
sich auf die Bahn 302 niederschlagen. Die Kühltemperatur
schwankt in Abhängigkeit
der Beschaffenheit des/der aufzubringenden Materials/Materialien.
In aller Regel wäre
die Trommel 324 zweckmäßigerweise
auf einer Temperatur im Bereich zwischen 0°C und 80°C zu halten.
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Die
Drehgeschwindigkeit der Trommel 324 ist vorzugsweise einstellbar,
so dass die Beschichtungsgeschwindigkeit für jeden Beschichtungsvorgang
optimiert werden kann. Allgemein wäre für die Beschichtung ein Bahngeschwindigkeitsbereich
von 0,001 cm/s bis 2000 cm/s, vorzugsweise 1 cm/s bis 1000 cm/s
und weiter bevorzugt 1 cm/s bis 300 cm/s geeignet.
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Wahlweise
ist auf der Eintragseite der Trommel 324 eine Grundiervorrichtung 336 zum
Grundieren des Bahnmaterials 302 vorgesehen. Diese zwar
nicht in allen Fällen
erforderliche Behandlung kann unter entsprechenden Bedingungen durchgeführt werden,
um die Haftung der Beschichtung auf dem Bahnmaterial 302 zu verbessern.
Die Art der auszuführenden
Grundierbehandlung ist nicht kritisch und es kann jede Lösung benutzt
werden, mit der eine ausreichende Grundierung des Bahnmaterials 302 erreicht
wird. So kann beispielsweise die Grundiervorrichtung 336 eine
Korona-Behandlungseinrichtung sein, mit der das Grundieren des Bahnmaterials 302 durch
Beaufschlagen der Bahnoberfläche
mit einer Korona-Entladung erfolgt. Korona-Behandlungseinrichtungen
sind über
eine Reihe von Lieferquellen beziehbar. So wurde beispielsweise
eine durch die Pillar Technologies, Milwaukee, Wisconsin, lieferbare
Korona-Behandlungseinrichtung für
geeignet befunden.
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Der
Beschichtungsdampf wird aus einem Dampftransportrohr 340 auf
das Bahnmaterial 302 geleitet. Das Dampftransportrohr 340 weist
einen Hauptrohrteil 341 und einen Beschichtungskopfteil 343 auf.
Wahlweise kann der Beschichtungskopfteil 343 einstückig mit
dem Hauptrohrteil oder als separates Element, das lösbar an
dem Hauptrohrteil 341 befestigt wird, ausgebildet sein.
Alternativ können
Hauptrohrteil 341 und Beschichtungskopfteil 343 unabhängig voneinander
aus einer Vielzahl der verschiedensten Materialien, die gegenüber den
eingesetzten Beschichtungsstoffen inert sind, hergestellt werden.
Beispiele solcher Materialien sind Glas, Edelstahl, Aluminium, Kupfer,
Kombinationen hiervon und ähnliches.
Vorzugsweise ist der Hauptrohrteil 341 mit Glaswänden versehen,
so dass die Verdampfungsqualität
visuell kontrolliert werden kann. Der Beschichtungskopf 343 kann
ebenfalls aus Glas oder auf Wunsch aus einem anderen geeigneten
Material hergestellt sein.
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Das
Dampftransportrohr 340 ist mit einem Einlassende 342 und
einem Auslassende 344 versehen. Das Einlassende 342 weist
eine Düse 346 auf,
durch welche die entsprechenden Ströme eines strahlungshärtbaren
Beschichtungsmaterials und eines Trägergases ausgestoßen und
im Innern der Kammer 348 des Dampftransportrohrs 340 zur
Kollision gebracht werden. Diese Kollision resultiert in der Zerstäubung und
Verdampfung des Beschichtungsmaterials. Das Beschichtungsmaterial
wird über
die Versorgungsleitung 350 und das Trägergas über die Versorgungsleitung 352 der
Düse 346 zugeführt. Die
Versorgungsleitung 350 ist mit einer Verdränger- bzw.
Dosierpumpe 354 ausgerüstet.
Die Versorgungsleitung 352 ist mit einem Wärmetauscher 356 zum
Erhitzen des Gases ausgerüstet.
Wärme wird
der Kammer 348 mittels irgendeiner geeigneten Vorrichtung
(nicht dargestellt), wie sie beispielsweise vorstehend beschrieben
wurde, zugeführt.
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Die
Fließgeschwindigkeit
der Beschichtungsstoffe und des Trägergases durch die Düse 346 hindurch ist
einer der die Beschichtungsleistung beeinflussenden Faktoren. Generell
ist die Fließgeschwindigkeit
des Trägergases
höher als
die der Beschichtungsstoffe, um sicherzustellen, dass sämtliche
Beschichtungsstoffe verdampfen können,
ohne dass das Trägergas
mit Dampf gesättigt
wird. In einem typischen Beschichtungsprozess können die Beschichtungsstoffe
mit einer Fließgeschwindigkeit
von 0,01 ml/min bis 50 ml/min und das Trägergas mit einer solchen von
4 l/min bis 400 l/min zugeführt
werden. Das Verhältnis
zwischen den Fließgeschwindigkeiten
des Beschichtungsmaterials und des Trägergases liegt normalerweise
im Bereich zwischen 103 und 106.
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Das
Auslassende 344 des Dampftransportrohrs 340 weist
eine Öffnung 360 auf,
durch welche in der Kammer 348 erzeugter Dampf auf das
Bahnmaterial 302 geleitet wird. Beim Kontakt des Dampfes
mit dem gekühlten
Bahnmaterial 302, das auf einer un ter der Kondensationstemperatur
des Dampfes liegenden Temperatur gehalten wird, schlägt sich
der Dampf nieder und bildet eine Beschichtung auf der Materialbahn 302. Nach
dem Aufbringen der kondensierten Beschichtung auf das sich fortbewegende
Bahnmaterial 302 kann die Beschichtung entsprechenden Aushärtebedingungen,
wie diese schematisch durch die Strahlungshärteeinrichtung 362 bereitgestellt
werden, ausgesetzt werden. Die beschichtete Bahn kann sodann auf
Wunsch weiterverarbeitet oder wie dargestellt zur Lagerung auf eine
Aufwickelwalze 328 gewickelt werden.
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5a, 5b und 5c zeigen
eine Ausführungsform
einer besonders bevorzugten Düse 400 zur Verwendung
bei der Realisierung der Grundgedanken der vorliegenden Erfindung.
Die Düse 400 kann
in jede erfindungsgemäße Ausführungsform,
darunter jeder der vorbeschriebenen Ausführungsformen, aufgenommen werden.
Die Düse 400 weist
als Hauptkomponenten einen Hauptzylinder 402, eine Endkappe 404,
ein Passstück 406 und
eine Auslassabdeckung 408 auf. Diese Hauptkomponenten sind
für den
Zusammenbau durch Verschrauben eingerichtet, wodurch der zum Zwecke
der Wartung und Überprüfung erforderliche
Auseinander- und
Wiederzusammenbau auf einfache Weise erfolgen kann.
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Der
Hauptzylinder 402 weist einen konischen Kopf 405 auf,
der mit einem zylindrischen Körper 407 so verbunden
ist, dass eine Schulterfläche 409 entsteht.
Am anderen Ende des Körpers 407 verläuft eine äußere zylindrische
Wand 410 in Längsrichtung
von einem Außenabschnitt 412 des
Körpers 407.
Eine innere zylindrische Wand 414 verläuft in Längsrichtung von einem Innenabschnitt 416 des
Körpers 407.
Die Länge
der inneren zylindrischen Wand 414 ist größer als
die einer äußeren zylindrischen
Wand 410, so dass die Endkappe 404 auf die innere
zylindrische wand 414 aufgeschraubt werden kann und an
der Verbindungsstelle 418 in einen abdichtenden Eingriff
mit der äußeren zylindrischen
Wand 410 gelangt. Die innere und die äuße re zylindrische Wand 414, 410 sind
voneinander beabstandet und bilden so einen Spalt 420,
der einen Teil einer Ringkammer 422 (5c)
bildet, wenn Hauptzylinder 402 und Endkappe 404 mit
dem Körper 407 zusammengebaut
sind. Die äußere Oberfläche 424 des
Körpers 407 ist
zum Verschrauben mit dem Passstück 406 entsprechend
mit Gewinde versehen und dimensioniert. Die äußere Oberfläche 426 der inneren
zylindrischen Wand 414 ist zum Verschrauben mit der Endkappe 404 passend
ebenfalls mit Gewinde ausgestattet und dimensioniert.
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Im
Körper 407 ist
zur Herstellung einer Flüssigkeitsverbindung
zwischen dem Spalt 420 und damit der Ringkammer 422 und
der Schulterfläche 409 mindestens
eine Durchgangsöffnung 428 vorgesehen.
In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform sind vier Öffnungen 428 in
gleichem Abstand voneinander um die Schulterfläche 409 herum angeordnet.
Der Hauptzylinder 402 weist außerdem eine Durchgangsöffnung 429 auf,
die sich in Längsrichtung
der Achse des Hauptzylinders 402 vom Einlassende 421 auf
der inneren zylindrischen Wand 414 bis zum Auslassende 423 auf
dem konischen Kopf 405 erstreckt. Die Durchgangsöffnung 429 ist
generell zylindrisch, verjüngt
sich jedoch zu einem kleineren Durchmesser am Auslassende 423.
Vorzugsweise hat die Durchgangsöffnung 429 eine
so ausreichende Flächenlänge und
so ausreichende Öffnungsdurchmesser
an den Enden 421 und 423, dass eine laminare Strömung erzielt
wird.
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Die
Endkappe 404 weist allgemein eine Endwand 430 und
eine umfangsmäßige Seitenwand 432 auf. Die
Endwand 430 ist mit einer die innere zylindrische Wand 414 des
Hauptzylinders 402 übergreifenden
und verschraubenden mittigen Öffnung 434 versehen.
Sind Endkappe 404 und Hauptzylinder 402 miteinander
verschraubt, wie dies am besten aus 5c ersichtlich
ist, so greift die Seitenwand 432 an der Verbindungsstelle 418 dichtend
an der äußeren zylindrischen
Wand 410 des Hauptzylinders 402 an, ist jedoch
von der inneren zylindrischen Wand 414 ab gesetzt. Somit
unterstützt
die Seitenwand 432 die Bildung einer einen Anfangsbereich
der inneren zylindrischen Wand 414 nahe dem Einlassende 421 umgebende
Ringkammer 422. Die Seitenwand 412 weist eine Öffnung 435 auf,
welche die Verbindung zwischen dem Äußeren der Düse 400 und der Ringkammer 422 herstellt,
wenn die Düse 400 zusammengebaut
ist. Die äußere Oberfläche 436 der
Endkappe 404 ist mit Riffelungen versehen, die beim Zusammen-
und Auseinanderbau der Düse 400 einen
griffigen Halt an der Endkappe 404 sicherstellen.
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Das
Passstück 406 weist
einen konischen Kopf 440 mit ebener Endfläche 442,
der unter Bildung einer äußeren Schulter 446 mit
dem Körper 444 verbunden
ist. Am anderen Ende des Körpers 444 verläuft in Längsrichtung
vom äußeren Umfang 450 des
Körpers 444 eine
zylindrische Wand 448. Die äußere Oberfläche 452 des Körpers 444 ist
zum Verschrauben mit der Auslassabdeckung 408 mit Gewinde
versehen und dimensioniert. Die innere Oberfläche 453 der zylindrischen
Wand 448 ist mit Gewinde versehen und so dimensioniert, dass
eine Verschraubung mit dem Körper 407 des
Hauptzylinders 402 erfolgen kann. Die äußere Oberfläche 454 der zylindrischen
Wand 448 ist geriffelt, um beim Zusammen- und Auseinanderbau
der Düse 400 einen griffigen
Halt am Passstück 406 sicherzustellen.
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Der
Körper 444 und
der konische Kopf 440 sind mit einer Durchgangsöffnung 456 zur
Aufnahme des konischen Kopfes 405 des Hauptzylinders 402 versehen.
Eine innere Schulter 455 überspannt die Distanz zwischen
der Kante 457 der Durchgangsöffnung 456 und der
inneren Oberfläche 452 der
zylindrischen Wand 448. Der konische Kopf 405 wird
abdichtend so von der konischen Durchgangsöffnung 456 aufgenommen,
dass das Auslassende 423 des konischen Kopfes 405 eben
von der Endfläche 442 vorsteht.
Bei voll in die Durchgangsöffnung 456 eingesetztem
konischen Kopf 405 ist weiterhin die Schulterfläche 409 des
Hauptzylinders 402 von der inneren Schulter 455 abgesetzt
und bildet somit eine sekundäre
Ringkammer 458. Der Körper 444 weist
mehrere bogenförmige
durchgehende Ausnehmungen 460 auf, die eine Flüssigkeitsverbindung
zwischen der inneren Schulter 455 und der äußeren Schulter 446 herstellen.
Diese bogenförmigen
durchgehenden Ausnehmungen 460 sind über die sekundäre Ringkammer 458 mit
den Durchgangsöffnungen 428 des Hauptzylinders 402 verbunden.
Die bogenförmigen
Ausnehmungen 460 verteilen den aus den Öffnungen 428 austretenden
und im Wesentlichen linearen stromlinienförmigen Strom in einen allgemein
ringförmigen
Strom, der von den bogenförmigen
Ausnehmungen 460 austritt.
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Die
Auslassabdeckung 408 weist einen Endabschnitt 470 und
eine Seitenwand 472 auf. Die innere Oberfläche 474 der
Seitenwand 472 ist zum Verschrauben mit dem Körper 444 des
Passstücks 406 mit
Gewinde versehen und dimensioniert. Die äußere Oberfläche 476 der Seitenwand 472 ist
geriffelt, um beim Zusammen- und Auseinanderbau der Düse 400 einen
griffigen Halt an der Auslassabdeckung zu gewährleisten. Der Endabschnitt 470 weist
eine innere Wand 480 auf, die eine konische Durchgangsöffnung 478 bildet
und zur beabstandeten Aufnahme des konischen Kopfes 440 des
Passstücks 406 geeignet
ist, dergestalt, dass ein konischer Durchgang 482 zwischen
der inneren Wand 480 und dem konischen Kopf 440 hergestellt
wird. Der Durchgang 482 weist damit einen Einlass 484 nahe
den bogenförmigen
durchgehenden Ausnehmungen 460 und einen Auslass 485 nahe
der Endfläche 442 auf.
Der Auslass 485 ist ringförmig und umschließt das Auslassende 423 der
Durchgangsöffnung 429.
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In
einer bevorzugten Betriebsart der Düse 400 tritt eine
Beschichtungsmaterialzufuhr in den Einlass 421 der Durchgangsöffnung 429 ein
und fließt
sodann zum Auslassende 423, wo ein Strom des Beschichtungsmaterials
entlang der Längsachse
der Düse 400 in
Richtung Kollisionspunkt 490 in vorzugsweise laminarem
Zustand ausgestoßen
wird. Zwischenzeitlich gelangt eine Trägergaszufuhr über die Öffnung 435 in
die Ringkammer 422. Der Trägergasstrom wird beim Fließen aus
der Ringkammer 422 zur sekundären Ringkammer 458 über die
Durchgänge 428 eingeschnürt. Aus
der sekundären
Ringkammer 458 tritt der Trägergasstrom in die bogenförmigen Durchgänge 460 ein,
wodurch der verengte Strom aus den Durchgängen 428 zu einem
im Wesentlichen ringförmigen
Strom umverteilt wird. Der aus den bogenförmigen Durchgängen 460 kommende
Trägergasfluss
wird in dem konischen Durchgang 482 erneut eingeschnürt und sodann
als konischer hohler Strom in Richtung auf den Kollisionspunkt 490 ausgestoßen. Im
Kollisionspunkt 490 kollidieren die Ströme aus Beschichtungsmaterial
und Trägergas,
wodurch das Beschichtungsmaterial zerstäubt und verdampft wird.
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Mit
Bezug auf die in 5a, 5b und 5c dargestellten
Düsenmerkmale
gibt 6 die Geometrie der mittels der Düse 400 erzeugten
kollidierenden Flüssigkeits-
und Gasströme
im größeren Detail
wieder. Der hohle und im Wesentlichen konische Trägergasstrom 500 mit
einem Innenbereich 504 tritt aus der ringförmigen Öffnung 485 der
Düse 400 aus
und verjüngt
sich in Richtung auf den Scheitelpunkt 502. Die etwa in
der Mitte der Ringöffnung 485 angeordnete Öffnung 425 stößt einen
zylindrischen Flüssigkeitsstrom 506 durch
den Innenbereich 504 und in Richtung auf den Scheitelpunkt 502 aus,
wo die Ströme 500 und 506 kollidieren.
Der Flüssigkeitsstrom 506 wird
dadurch mit großer
Kraft zerstäubt.
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Diese
Verfahrensweise bietet viele leistungsmäßige Vorteile. Zunächst vereinfacht
der Aufbau der Düse 400 die
Zerstäubung
von Flüssigkeitsströmen aus
klebrigen oder relativ viskosen Flüssigmaterialien. Es bedarf
nur relativ niedriger Drücke,
um solche flüssigen
Komponenten durch die Düse 400 zu
bringen und es zeigen anders als im Falle von mit anderen Düsenausführungen
arbeitenden Zerstäubungskonfigurationen solche
Komponenten überraschenderweise
eine geringere Tendenz, die Düse 400 zu
verstopfen. Ohne an die Theorie gebunden sein zu wollen, kann eine
mögliche
Erklärung
dieses verbesserten Leistungsverhaltens vorgeschlagen werden. Es
wird angenommen, dass der sich schnell fortbewegende hohle, konische
Trägergasstrom 500 ein
Vakuum im Innenbereich 504 erzeugt, das dazu beiträgt, das
Flüssiggemisch
durch die Düse 400 zu
ziehen. Diese Zugkraft hilft mit, die viskosen und klebenden Wirkungen
auszuschalten, die ansonsten zu einer Verstopfung der Düse führen würden. Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass diese Verfahrensweise eine
hervorragende Zerstäubung
des Flüssigkeitsstroms 506 dadurch
gewährleistet,
dass der Trägergasstrom 500 mit
dem Flüssigkeitsstrom 506 im
Wesentlichen um den gesamten Umfang des Flüssigkeitsstroms 506 herum
mit großer
Kraft kollidiert.
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In
einigen Anwendungen mag die Erzeugung eines homogenen Dampfes aus
zwei oder mehr Flüssiggemischen
erwünscht
sein, die so inkompatibel miteinander sind, dass der Einsatz der
Düse 400 nicht
optimal für
die Herstellung homogener zerstäubter
bzw. verdampfter Mischungen solcher Komponenten ist. Die Benutzung
der Düse 400 kann
beispielsweise in solchen Fällen
weniger optimal sein, in denen die zu verarbeitenden Flüssigmaterialien
zwei oder mehr unvermischbare Komponenten aufweisen, die nicht homogen
durch die Düse 400 gelangen.
Alternativ mag der Einsatz der Düse 400 auch
dann weniger optimal sein, wenn die Flüssigmaterialien zwei oder mehr
Komponenten enthalten, die im flüssigen
Zustand so reaktiv miteinander sind, dass der Transport solcher
Materialien durch die Düse 400 in
einem einzigen Strom zu einem Verstopfen der Düse 400 führen könnte.
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Unter
solchen Bedingungen zeigt 7 eine besonders
bevorzugte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Düse 400', die besonders
zweckmäßig zur
Bildung homogener zerstäubter
bzw. verdampfter Gemische aus mehreren Flüssigkeitsströmen ist.
Die Düse 400' ist generell
identisch mit der Düse 400 mit der Ausnahme,
dass der Hauptzylinder 402 nicht lediglich eine Durchgangsöffnung 429,
sondern mehrere Durchgangsöffnungen 429' zur gleichzeitigen
Verarbeitung mehrerer Flüsigkeitsströme aufweist.
Lediglich zum Zwecke der Darstellung sind drei Durchgangsöffnungen 429' gezeigt, doch
kann je nach Anzahl der zu verarbeitenden Ströme eine größere oder kleinere Zahl von
Durchgangsöffnungen
eingesetzt werden. So kann in anderen Ausführungsformen beispielsweise
der Hauptzylinder 402' zwischen
2 bis 5 solcher Durchgangsöffnungen 429' aufweisen.
Die Düse 400' ist auch mit
Leitungen 431' versehen,
um für
jeden dieser Durchgangsöffnungen 429' die entsprechenden
Flüssigkeitsströme zuzuführen. Die
Düse 400' vermag somit
eine im Wesentlichen gleichzeitige implosive und energetische Zerstäubung und
Verdampfung mehrerer Flüssigkeitsströme zu bewirken.
Mit dieser Verfahrensweise wird ein Dampf erzeugt, der eine wesentlich
bessere Homogenität besitzt
als diese erreichbar ist, wenn mehrere Dämpfe aus mehreren Düsen gebildet
und sodann vermischt werden.
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Es
folgt eine weitergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung
anhand der nachstehenden Beispiele:
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BEISPIEL 1
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Ein
Flüssigkeitsstrom
wurde wie folgt zerstäubt,
verdampft und auf ein Substrat abgeschieden, auf dem er später polymerisiert
wurde: Ein Flüssigkeitsstrom
in Form einer Lösung
aus 5,3-Gewichtsteilen 1,6-Hexandioldiacrylat (beziehbar von UCB
Chemicals) mit einem Siedepunkt von 295°C bei Normaldruck und 94,7 Gewichtsteilen
Perfluoroctylacrylat (lieferbar als FC 5166 durch Minnesota Mining
and Manufacturing Company) mit einem Siedepunkt von 100°C bei 10
mm Hg (1400 Pa) mittels einer Spritzenpumpe (Modell 55-2222 der
Firma Harvard Apparatus) wurde durch die in 5a, 5b und 5c dargestellte
Zerstäuberdüse gegeben.
Ein Gasstrom (kryogener Stickstoff von Praxais) mit 0,35 mPa (34
psi) wurde auf 127°C
erhitzt und durch die Düse
geleitet. Der Flüssigkeitsstrom
bewegte sich mit einer Geschwindigkeit von 0,5 ml/min und der Gasstrom
mit einer solchen von 27 l/min (Normaltemperatur und Normaldruck
bzw. „STP"). Sowohl der Flüssigkeits-
als auch der Gasstrom passierten die Düse über verschiedene Kanäle wie vorstehend
bei der Erörterung
der 5a, 5b und 5c beschrieben.
Der Gasstrom trat über
eine Ringöffnung
in einem 3,2 mm (0,125 Zoll) vom Düsenende entfernten zentralen
Scheitelpunkt aus. An dieser Stelle kollidierte der Gasstrom mit
dem zentralen Flüssigkeitsstrom.
Der Flüssigkeitsstrom
wurde in einen Nebel aus Flüssigkeitströpfchen zerstäubt. Die
zerstäubten
Flüssigkeitströpfchen im
Gasstrom gelangten sodann bei der weiteren Fortbewegung durch die
Dampftransportkammer schnell zur Verdampfung. Die Dampftransportkammer
wies zwei Teile auf, nämlich
ein Glasrohr von 10 cm Durchmesser und 5 cm Länge und ein Aluminiumrohr von
10 cm Durchmesser und 25 cm Länge.
Das Auslassende der Düse
erstreckte sich etwa 16 mm (0,64 Zoll) in ein Ende des Glasrohrs
hinein und das Aluminiumrohr war mit dem anderen Ende des Glasrohrs
verbunden. Das Aluminiumrohr wurde mit um seine Außenseite
gewickeltem Heizband erwärmt,
um Dampfkondensation auf die Wände
der Dampftransportkammer zu verhindern.
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Die
Verdampfung wurde auf zweierlei Weise beobachtet. Die erste Verfahrensweise
bestand in der visuellen Beobachtung mit bloßem Auge, während die zweite eine Laserlichtstreuung
beinhaltete. Mit bloßem Auge
waren die zerstäubten
Tröpfchen
als feiner Nebel sichtbar, der auf einen weniger als zwei Zentimeter vom
Düsenaustritt
sich erstreckenden engen konischen Bereich beschränkt war.
Anschließend
war der Nebel nicht mehr zu sehen, was auf eine vollständige Verdampfung
hinter diesem Bereich hindeutete. Die Zerstäubung und Verdampfung der Flüssigkeit
wurde auch durch Einleiten von Laserlicht aus einem „Penlight"- oder Stablaser
(OptiTM der Lyte Optronics, Inc.) mit einer
Wellenlänge
von 630–670
mm in den Glasteil der Dampftransportkammer beobachtet. Das Laserlicht
war als Streulicht von den weniger als zwei Zentimeter vom Düsenauslass
entfernten Tröpfchen
sichtbar. Der Rest der Dampftransportkammer war klar, was auf eine
vollständige
Verdampfung der Flüssigkeit
bzw. zumindest eine Reduzierung der Tröpfchendurchmesser auf weniger
als die unter 30 mm liegende Erfassungsgrenze hinwies.
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Das
Dampf- und Gasgemisch trat am Auslass der Dampftransportkammer über einen
Schlitz am Ende des Aluminiumrohrs aus. Der Schlitz wies eine Länge von
50 mm und eine Breite von 1,3 mm (2 Zoll × 0,05 Zoll) auf. Die Temperatur
des Dampf- und Gasgemischs betrug 3 cm vor dem Auslass de Dampftransportkammer
136°C. Ein
Substrat in Form einer zweiachsig gerichteten Polyethylenterephthalatfolie
mit einer Dicke von 100 μ und
einer Breite von 23 cm wurde durch ein mechanisches Antriebssystem über den
Dampftransportauslass hinaus befördert,
das die Bewegungsgeschwindigkeit der Folie auf 1,0 cm/s steuerte.
Die Folie passierte eine wassergekühlte Platte, während das
Gemisch aus Dampf und Gas die Folie kontaktierte. Der Spalt zwi schen
dem Dampfauslass und der gekühlten
Platte betrug ca. 2 mm. Der Dampf im Gemisch aus Gas und Dampf kondensierte
auf die Folie und bildete einen Nassbeschichtungsstreifen mit einer
Breite von 50 mm (2 Zoll).
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Die
Beschichtung wurde sodann frei-radikalisch polymerisiert, indem
die beschichtete Folie in einer Stickstoffatmosphäre unter
ein monochromatisches UV-Lampensystem mit 222 nm (erhältlich als
Noblelight Excimer Labor System 222 von der Firma Heraeus,
Deutschland) hindurchgeleitet wurde. Die Lampe hatte eine Bestrahlungsstärke von
30 mW/cm2 und die Foliengeschwindigkeit
lag bei ca. 2,1 m/min (7 fpm).
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BEISPIEL 2
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Ein
Substrat wurde wie in Beispiel 1 beschichtet und gehärtet, jedoch
mit der Ausnahme, dass die Substratgeschwindigkeit während des
Kondensationsbeschichtens 2,6 cm/s, die Temperatur des in die Düse eintretenden
Stickstoffs 150°C
und die Temperatur des Dampf- und Gasgemischs an einer 3 cm vor
dem Auslass der Dampftransportkammer liegenden Stelle 142°C betrugen.
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BEISPIEL 3
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Ein
Substrat wurde wie in Beispiel 1 beschichtet und gehärtet, jedoch
mit der Ausnahme, dass die Substratgeschwindigkeit während des
Kondensationsbeschichtens 8,9 cm/s, die Temperatur des in die Düse eintretenden
Stickstoffs 122°C
und die Temperatur des Dampf- und Gasgemischs an einer 3 cm vor
dem Auslass der Dampftransportkammer liegenden Stelle 127°C betrugen.
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ERGEBNISSE BEISPIEL 1–3
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Die
polymerisierten Beschichtungen der Beispiele 1–2 waren fest, klar und mit
bloßem
Auge gerade sichtbar. Wurde jedoch jede der Beschichtungen winklig
unter Licht gehalten, so war ein irisierendes Muster zu erkennen,
wie es allgemein einer im Wesentlichen geschlossenen Beschichtung
ohne signifikante Hohlstellen mit einer Dicke von weniger als 1 μm zuzuordnen
ist. Die polymerisierte Beschichtung des Beispiels 3 war mit bloßem Auge
nicht sichtbar. Jede Beschichtung wurde durch Photoelektronen-Röntgenspektroskopie
und Infrarotspektroskopie mit gedämpfter Totalinnenreflexion
analysiert, um das Vorhandensein sowohl des Fluorkohlenstoffacrylats
als auch des Vernetzungsmittels in der Beschichtung und damit die
Tatsache, dass beide Komponenten des Flüssigstroms verdampft und kondensiert
waren, zu bestätigen.
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BEISPIEL 4
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Ein
Substrat wurde ähnlich
wie in Beispiel 1 beschichtet, jedoch mit der Ausnahme, dass eine
andere Flüssigkeit
und andere Prozessbedingungen eingesetzt wurden. Dampftransportkammer
und Austragschlitz waren ebenfalls unterschiedlich und es wurde
die Beschichtung nicht gehärtet.
Der Flüssigstrom
bestand aus Flüssigfluorkohlenstoff
(von der Minnesota Mining and Manufacturing Co. beziehbar unter
der Handelsbezeichnung FluorinertTM FC-43)
mit einem Siedepunkt bei Atmosphärendruck
von 174°C.
Die Fließgeschwindigkeit
der Flüssigkeit
betrug 1,0 ml/min und die des Stickstoffs 25 l/min (STP). Die Temperatur
des Stickstoffs beim Eintritt in die Düse lag nahe bei 100°C. Die Dampftransportkammer
umfasste ein Glasrohr von 10 cm Durchmesser und 23 cm Länge, das
mit um seine Außenseite
gewickeltem Heizband erhitzt wurde, um eine Dampfkondensation auf die
Wände der
Dampftransportkammer zu verhindern. Laserlicht wurde weniger als
1 cm vom Auslass entfernt, jedoch nicht hinter dem ersten Zentimeter,
zerstreut. Die Temperatur des Dampf- und Gasgemischs betrug an einer
3 cm vor dem Auslass der Dampftransportkammer gelegenen Stelle 90°C. Der Schlitz
am Ende des Aluminiumrohrs hatte eine Länge von 9 cm und eine Breite
von 1 cm (3,5 Zoll × 0,4
Zoll). Das Substrat war etwa zwei Sekunden lang ca. 5 mm vom Austragschlitz
der Dampftransportkammer plaziert.
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BEISPIEL 5
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Ein
Substrat wurde wie in Beispiel 4 beschichtet, jedoch mit der Ausnahme,
dass die Fließgeschwindigkeit
2,0 ml/min und die Temperatur des Dampf- und Gasgemischs an einer
3 cm vor dem Auslass der Dampftransportkammer gelegenen Stelle 94°C betrug
und dass der Nebel sichtbar und das Laserlicht in dem weniger als
3 cm vom Düsenaustritt
entfernten Bereich zerstreut wurde.
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BEISPIEL 6
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Ein
Substrat wurde wie in Beispiel 4 beschichtet, jedoch mit der Ausnahme,
dass die Fließgeschwindigkeit
der Flüssigkeit
10,0 ml/min und die Temperatur des Dampf- und Gasgemischs an einem
3 cm vor dem Auslass der Dampftransportkammer gelegenen Punkt 99°C betrug,
und dass der Nebel sichtbar und das Laserlicht in dem weniger als
22 cm vom Düsenaustritt
entfernten Bereich zerstreut wurde.
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ERGEBNISSE BEISPIEL 4–6
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Die
Beschichtungen der Beispiele 4–6
waren flüssig.
Wurden die Beschichtungen winklig unter Licht gehalten, so war ein
irisierendes Muster zu erkennen, wie es allgemein einer im Wesentlichen
geschlossenen Beschichtung ohne signifikante Hohlstellen mit einer
Dicke von weniger als 1 μm
zuzuordnen ist. Die Beschichtung des Beispiels 6 erschien viel dicker
und wies kein irisierendes Muster auf.
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BEISPIEL 7
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Ein
Substrat wurde wie in Beispiel 4 beschichtet, jedoch mit der Ausnahme,
dass ein anderes Gas, eine andere Düse und andere Prozessbedingungen
eingesetzt wurden. Das Gas war Druckluft und bewegte sich mit einer
Geschwindigkeit von 4 l/min (STP). Es wurde eine Düse des Typs
SonicairTM der IVEK Corp., Vermont, benutzt.
Flüssig-
und Gasstrom wurden in der Düse
vermischt und traten über
eine Öffnung
von 0,05 cm (0,020 Zoll) Durchmesser aus der Düse aus. Die Flüssigkeit
wurde beim Austreten des Gemischs aus der Düse zerstäubt. Die mit dem Gasstrom in
Kontakt befindlichen zerstäubten
Flüssigkeitströpfchen wurden
beim Eintritt in die Dampftransportkammer aus einem an seiner Außenseite
mit Heizband umwickelten Aluminiumrohr von 11 cm Durchmesser und
30 cm Länge
schnell zerstäubt.
Das Auslassende der Düse
erstreckte sich ca. 13 mm (0,5 Zoll) in das Aluminiumrohr hinein.
Die Zerstäubung
und Verdampfung wurden durch den Austragschlitz in die Dampftransportkammer
hinein beobachtet. Die zerstäubten
Tröpfchen
und das Laserlicht waren innerhalb eines nahe dem Düsenaustritt
liegenden Bereichs als feiner Nebel bzw. Streulicht sichtbar. Die Temperatur
des Dampf- und Gasgemischs betrug an einer 5 cm vor dem Auslass
der Dampftransportkammer gelegenen Punkt 85°C.
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Die
Beschichtung des Beispiels 7 war flüssig. Wenn das beschichtete
Substrat winklig unter Licht gehalten wurde, erschien ein irisierendes
Muster.
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BEISPIEL 8
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Ein
Substrat könnte ähnlich wie
in Beispiel 1 beschichtet werden, jedoch mit der Ausnahme, dass
zusätzlich
ein Photoinitiator eingesetzt wurde, die Beschichtungen breiter
waren und andere Lampen zum Erzeugen ultravioletten Lichts zum Einsatz
kamen. Als Photoinitiator war Acetophenon der Aldrich Chemical Co.
im Verhältnis
von 1 Teil pro 100 Teile difunktionalen monomeren 1,6-Hexandiolacrylats
mit einem Siedepunkt von 295°C
bei STP verwendet. Der Dampf wurde sodann in einem System wie in 4 dargestellt
auf das Substrat abgeschieden. Das Dampf- und Gasgemisch trat anschließend über einen
25 cm langen Schlitz über
den Auslass des Beschichtungskopfes aus. Das 30 cm breite Substrat
wurde durch ein Koronaelektrodensystem in einer Stickstoffatmosphäre und sodann
in Kontakt mit einer metallischen Kühlwalze von 41 cm (16 Zoll)
Durchmesser und 36 cm (14 Zoll) Breite durch den Beschichtungskopfauslass
befördert.
Die Kühlwalze
wurde mit Wasser aus einem Kühler
gekühlt.
Das Koronaelektrodensystem war mit drei Keramikrohrelektroden (beziehbar
von Sherman Treater, Ltd., Vereinigtes Königreich) mit jeweils einer
aktiven Länge
von 30 cm (12 Zoll), die im Abstand von 2 mm von der Folie angeordnet
sind, bestückt.
Die Entladungsenergie wurde von einem Korona-Generator (Modell RS-48B der ENI Power
Systems, Rochester, New York) geliefert. Der Stickstoff für die Koronaentladung
trat in die Rückseite
des Elektrodensystems ein und strömte über die Elektroden in den Entladungsbereich.
Der Spalt zwischen dem Dampfauslass und der gekühlten Platte betrug ca. 2 mm.
Der Dampf im Gemisch aus Gas und Dampf kondensierte auf die Folie und
bildete dabei einen Nassbeschichtungsstreifen von ca. 25 cm Breite.
Das Ultraviolettlampensystem bestand aus einer Hochstrom-Quecksilberlichtbogen-lampe.
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Die
polymerisierte Beschichtung des Beispiels 8 war fest, klar und für das bloße Auge
gerade sichtbar, weist jedoch unter reflektiertem Licht ein irisierendes
Muster auf.
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BEISPIEL 9
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Ein
Substrat konnte in ähnlicher
Weise wie in Beispiel 8 beschichtet werden, jedoch mit der Ausnahme,
dass eine andere Flüssigkeit
benutzt wird, kein Photoinitiator vorhanden ist, ein anderes Substrat
eingesetzt wird und die UV-Lichtquelle sowie die Bedingungen wie
in Beispiel 1 gewählt
sind. Der Flüssigkeitsstrom war
eine Lösung
aus 2 Gewichtsteilen Acrylsäure
(beziehbar von der Sigma-Aldrich Corp., Milwaukee, Wisconsin) mit
einem Siedepunkt bei Atmosphärendruck
von 139°C
und 98 Gewichtsteilen Isooctylacrylat (beziehbar als SR440 von Sartomer,
Exton, PA) mit einem Siedepunkt bei Normaldruck von 216°C. Das Substrat
wies zweiachsig gerichtetem Polypropylen mit einer Dicke von ca.
50 μm auf.
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Die
polymerisierte Beschichtung des Beispiels 9 war fest, klar und mit
dem bloßen
Auge gerade sichtbar, wies jedoch unter reflektiertem Licht ein
irisierendes Muster auf.
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BEISPIEL 10
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Ein
Substrat konnte in ähnlicher
Weise wie in Beispiel 8 beschichtet werden, jedoch mit der Ausnahme,
dass eine andere Flüssigkeit
benutzt wird, kein Photoinitiator vorhanden ist, ein anderes Substrat
eingesetzt wird und ein anderer Polymerisationsmechanismus zur Anwendung
kommt. Der Flüssigkeitsstrom
war eine Lösung
aus 99 Gewichtsteilen eines kondensationspoly merisierbaren Materials,
nämlich
Mercaptopropyltrimethoxysilan (beziehbar von Sigma-Aldrich Corp.)
mit einem Siedepunkt bei Normaldruck von 212°C und 1 Gewichtsteil Aminkatalysator
(beziehbar von Huntsman unter der Bezeichnung Jeffcat ZR-50) mit
einem Siedepunkt bei Atmosphärendruck
von 290°C.
Das Substrat wies silicagrundiertem zweiachsig gerichteten Polypropylen
mit einer Dicke von ca. 50 μm
auf. Die silicagrundierte Folie wurde wie in dem US-Patent Nr. 5
576 076 (Slootman et al) beschrieben hergestellt. Die Polymerisation
erfolgte, indem die Beschichtung mehrere Tage der Luft ausgesetzt
wird.
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Die
Beschichtung war hart, klar und gerade sichtbar.
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Weitere
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus dem Studium
dieser Beschreibung bzw. aus der vorbeschriebenen praktischen Anwendung
der Erfindung. Bei den vorbeschriebenen Grundgedanken und Ausführungsformen
sind durch den Fachmann die verschiedensten Auslassungen, Abwandlungen
und Änderungen
möglich,
ohne dass von dem in den nachfolgenden Ansprüche festgelegten echten Schutzumfang
und Erfindungsgedanken abgewichen wird.