Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine zu dessen Durchführung geeignete Vorrichtung, insbesondere einen Plasma- reaktor, zur Modifizierung partikulärer und pulverförmiger Substrate im Plasma.

Als Plasmen werden teilweise oder vollständig ionisierte Gase und Dämpfe bezeichnet, deren Teilchen zudem eine Vielzahl angeregter Zustände aufweisen. Sie können durch elektromagnetische Felder erzeugt und aufrechterhalten werden. Durch die im Plasma vorhandenen Ionen, Elektronen und Moleküle in elektronisch angeregten Zuständen sowie die vorhandene Strahlung können Oberflächen aktiviert und/oder geätzt oder auch funktionalisiert werden. Bei vielen, insbesondere organischen, Substanzen kann zudem eine PoIy- merisation in der Gasphase und Schichtbildung auf der Oberfläche von Substraten stattfinden. Auch Verbindungen und Substrate, die üblicherweise nicht sehr reaktionsfähig sind, lassen sich in Plasmen zu chemischen Reaktionen anregen bzw. aktivieren. Plasmabehandlungen können bei unterschiedlichen Drücken in speziellen Reakto- ren durchgeführt werden. Insbesondere bei der Behandlung pulverförmiger Substrate ist es dabei wichtig, dass die Partikel gleichmäßig behandelt werden.

Um diesem Erfordernis gerecht zu werden, hat der Stand der Technik verschiedene Verfahren entwickelt. Angefangen beim Umwälzen des Substrats mittels eines Rührorgans, z. B. eines Magnetrührers (Utegulov, Z. N. et al., Journal of Applied Physics, 2005, 97), über einen in den Reaktor integrierten Rütteltisch (Brüser, V. et al., Diamond and Related Materials, 2004, 13 (4 - 8), 1177 - 1181 ; Bubert, H. et al., Diamond and Related Materials, 2003, 12, 811 - 815) und einen Trommelreaktor, bei dem das Substrat wie in einem Betonmi- scher durchmischt wird (Brüser, V. et al., Diamond and Related Materials, 2004, 13 (4 - 8), 1177 - 1181 ; Loh, L-H. et al., Journal of Applied Polymer Science, 1986, 31 (3), 901 - 910; Xu, T. et al., Applied Surface Science, 2007, 253 (22), 8945 - 8951), bis hin zu Fließbett- und Wirbelschichtreaktoren, bei denen das Substrat vom Prozess- gas von unten durchströmt und verwirbelt wird (Bubert, H. et al., Diamond and Related Materials, 2003, 12, 811 - 815; Inagaki, N. et al., Journal of Applied Polymer Science, 1992, 46 (4), 595 - 601 ; Park, S. H. and S. D. Kim, Polymer Bulletin, 1994, 33 (2), 249; Xia, W. et al., Catalysis Today, 2005, 102 - 103, 34 - 39) sind unter- schiedliche Behandlungsverfahren bekannt. Vor allem letzterer Reaktortyp weist ein hohes Skalierungspotential auf und ist daher für einen industriellen Einsatz besonders interessant. Bei den genannten Fließbettreaktoren zur Plasmamodifizierung von Partikeln und Pulvern kamen bislang zwei prinzipielle Reaktortypen zum Einsatz, die beide eine gerade und röhrenförmige Plasmazone aufweisen.

Beim „bubbling-bed"-Prinzip (King, D. M. et al., Surface and Coatings Technology, 2007, 201 (22 - 23), 9163 - 9171) durchströmt das Prozessgas einen Abschnitt eines stationären Betts und verursacht ein vereinzeltes Mitreißen von Substratpartikeln. Da die Plasmazone in der Regel nicht in das stationäre Bett eindringen kann, ist in dieser Verfahrensweise eine homogene Behandlung vor allem dann nicht gewährleistet, wenn eine breite Partikelgrößenverteilung vorliegt. Beim zirkulierenden Fließbett-Prinzip (Karches, M. and P. R. von Rohr, Surface and Coatings Technology, 2001 , 142 - 144, 28 - 33; Srinivasan, N. S., Powder Technology, 2002, 124 (1 - 2), 28 - 39) wird das Substrat so stark durchströmt, dass es durch die Plasma- zone getragen wird. Da es so jedoch auch zu einem Austrag des Substrats aus der Plasmazone bzw. aus dem Reaktor heraus kommt, muss das Substrat über eine nachgeschaltete Partikelab- scheidungsvorrichtung, z. B. durch einen Zyklon, dem Prozess wieder zugeführt werden.

Die ebenfalls in der Literatur beschriebenen Plasmajet- Fließbettreaktoren sind in ihren Einsatzmöglichkeiten beschränkt, da bei den verwendeten Atmosphärenplasmen zum einen die Anwesenheit von Sauerstoff und Stickstoff nicht verhindert werden kann, zum anderen thermolabile Güter aufgrund hoher auftretender Tem- peraturen nicht behandelt werden können, zumal eine Substratkühlung prozessbedingt nicht möglich ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, die die vorgenannten Nachteile überwinden und insbesondere eine mög- liehst gleichmäßige Modifizierung sowohl partikulärer als auch pul- verförmiger Substrate, insbesondere auch mit unterschiedlicher Partikelgrößenverteilung, in effizienter, wirtschaftlicher Weise bei möglichst kurzer Verweilzeit im industriellen Maßstab ermöglichen.

Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende technische Prob- lern wird gelöst durch das Bereitstellen eines Fließbett- und Wirbelschicht-Plasmareaktors, umfassend einen Prozessgaseinlass, einen Strömungseinstellungsraum, einen Verwirbelungs- und Plasmabe- handlungsraum, einen Gasabsaugraum, einen Gasauslass sowie eine erste und eine zweite Elektrode, wobei der Fließbett- und Wirbelschicht-Plasmareaktor dadurch gekennzeichnet ist, dass der Ver- wirbelungs- und Plasmabehandlungsraum einen Querschnittserwei- terungsraum aufweist, d. h. einen solchen umfasst. Die Erfindung sieht demgemäß einen Fließbett- und Wirbelschicht-Plasmareaktor vor, dessen Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraum, im Folgenden auch als Plasmazone bezeichnet, einen Bereich umfasst bzw. aufweist, dessen Querschnitt (d. h. Querschnittsfläche) signifi- kant größer als der des übrigen Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraumes ist und demgemäß einen Querschnittserweiterungsraum darstellt. In besonders bevorzugter Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung einen vorgenannten Fließbett- und Wirbelschicht-Plasmareaktor, der aus einem Prozessgaseinlass, einem Strömungseinstellungsraum, einem Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraum, einem Querschnittserweiterungsraum, einem Gasabsaugraum und einem Gasauslass besteht, d. h. der keine weiteren wesentlichen für seine Funktion bedeutenden Abschnitte oder Räume aufweist, abgesehen von ggf. vorhandenen Zufuhr- und Abfuhr- leitungen sowie Substratvorlagen.

Weiterhin wird das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende technische Problem durch ein Verfahren zur Modifizierung partikulärer und pulverförmiger Substrate mittels des erfindungsgemäßen Fließbett- und Wirbelschicht-Plasmareaktors gelöst. Insbesondere löst die vorliegende Erfindung das ihr zugrundeliegende technische Problem durch die Bereitstellung eines Verfahrens zur Modifizierung partikulärer und pulverförmiger Substrate, wobei die partikulären und/oder pulverförmigen Substrate in einen Fließbett- und Wirbelschicht-Plasmareaktor der vorliegenden Erfindung eingebracht, dort mit angeregtem Plasma in Kontakt gebracht und modifizierte partikuläre und/oder pulverförmige Substrate erhalten werden.

Der erfindungsgemäße Fließbett- und Wirbelschicht-Plasmareaktor zeichnet sich dadurch aus, dass der Verwirbelungs- und Plasmabe- handlungsraum keinen über seine gesamte Länge konstanten Querschnitt aufweist, sondern vielmehr erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass in zumindest einem Längenabschnitt des Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraums eine Querschnittserweiterung vorgesehen ist, die einen gegenüber dem übrigen Verwirbelungs- und Plasma- behandlungsraum querschnittserweiterten, sogenannten Querschnittserweiterungsraum aufweist. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einem Querschnittserweiterungsraum also ein dreidimensionaler Bereich des Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraums, d. h. der Plasmazone, verstanden, der einen in Längsrichtung des Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraums gesehen vergrößerten Querschnitt als ein unmittelbar stromaufwärts und vorzugsweise auch stromabwärts gelegener Bereich des Reaktors aufweist. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff Querschnitt insbesondere die Querschnittsflä- che, d. h. der Flächeninhalt einer bei einem Querschnitt freigelegten Fläche verstanden. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einem stromaufwärts von einem bestimmten Bezugspunkt gelegenen Abschnitt ein solcher Abschnitt verstanden, der in Längsrichtung in Richtung Prozessgaseinlass gelegen ist, während unter einem stromabwärts von einem bestimmten Bezugspunkt gelegenen Abschnitt ein solcher Abschnitt verstanden wird, der ausgehend vom Bezugspunkt in Längsrichtung in Richtung Pro- zessgasauslass gelegen ist. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter der Längsrichtung des Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraums die Dimensionsrichtung verstanden, die die Transportrichtung des zu modifizierenden Substrats vom Pro- zessgaseinlass zum Prozessgasauslass, insbesondere vom Strö- mungseinstellungsraum zum Gasabsaugraum, vorgibt.

Der erfindungsgemäß vorgesehene Querschnittserweiterungsraum innerhalb des Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraums verhindert eine Austragung der zu modifizierenden Substratpartikel aus der Plasmazone und bewirkt dadurch eine Eingrenzung der Partikel auf diesen Bereich. Dies führt im Folgenden dazu, dass das Verfahren mit höchster Behandlungseffizienz und zusätzlich auch mit einer Optimierung der Verweilzeit durchgeführt werden kann. Insbesondere die Optimierung der Verweilzeit ermöglicht eine Verkürzung der Takt-/Zykluszeit, wodurch sich das erfindungsgemäße Verfahren bzw. der erfindungsgemäße Fließbett- und Wirbelschicht- Plasmareaktor gerade auch zu einem industriellen Einsatz eignet. Der erfindungsgemäße Plasmareaktor stellt ein quasi-zirkulierendes Fließbett bereit und ermöglicht dadurch überraschenderweise eine weitgehend homogene Plasmabehandlung selbst von Substraten breiter Partikelgrößenverteilung, wie von Carbon-Nanotube- Agglomeraten, ohne jedoch eine zusätzliche Partikelabscheidevorrichtung zu benötigen.

In vorteilhafter Weise kann das erfindungsgemäß eingesetzte Plasma, insbesondere das bevorzugt eingesetzte Niederdruckplasma, mit einem definierten, praktisch freiwählbaren Prozessgas betrieben werden und ermöglicht darüber hinaus auch die Behandlung thermo- labiler Güter. Die vorliegende Erfindung ist insofern vorteilhaft, als dass ein geringerer anlagen- und apparatetechnischer Aufwand nötig ist, da keine Partikelabscheidungsvorrichtung und -rückführung nötig sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eröffnet Behandlungsmöglichkeiten bei Temperaturen um Raumtemperatur und ermöglicht somit die Einsatzfähigkeit für eine Vielzahl unterschiedlicher Substrate und eine Skalierbarkeit, die zumindest die der bekannten Fließbettreaktoren erreicht oder sogar übertrifft.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff der Modifizierung von Substraten eine chemische, physikalische oder chemische und physikalische, strukturelle und/oder funktionelle Oberflächenänderung eines Substrates verstanden. Insbe- sondere, aber nicht ausschließlich, wird unter einer Modifizierung eines Substrates eine Aktivierung, vorzugsweise partikulärer oder pulverförmiger, Güter unterschiedlichster Materialien, z. B. Polymere, Polymerkomposite, Kohlenstoffmaterialien, Kohlenstoffnanomateria- lien, die Funktionalisierung der genannten Güter mit plasmatech- nisch erzeugten chemischen Oberflächengruppen, die plasmatechnische Beschichtung der vorgenannten Güter oder eine plasmatechnische Degradierung oben genannter Güter verstanden. Zu den mit vorliegender Erfindung in bevorzugter Ausführungsform behandelbaren Substraten zählen partikuläre Systeme jeglicher Art, bevorzugt sind Carbon-Nanotubes, Carbon-Nanofibers, Fullerene und Polymergranulate.

Derartig modifizierte Substrate können beispielsweise in sensorischen Anwendungen, in Recycling-Anwendungen, bei der Herstellung oder Verwendung von Kompositmaterialien, z. B. CNTs (Car- bon-Nanotubes) oder anderen Partikeln oder Pulvern in Polymeren, Keramiken, Metallen oder Mischungen davon eingesetzt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der erfindungsgemäße Fließbett- und Wirbelschicht-Plasmareaktor einen Prozessgaseinlass, durch den Gas in den Reaktor eingelassen wird. Anschließend durchströmt das Gas einen ersten Reaktorabschnitt mit einem in der Regel im Vergleich zum Prozessgaseinlass größeren Durchmesser. Dieser sogenannte Strömungseinstellungsraum ist bevorzugt als Abschnitt einer bestimmten Länge und gleichbleibenden Querschnitts ausgestaltet, wobei beide Parameter geeignet sind, gewünschte, vorzugsweise konstante, Strömungsverhältnisse herzu- stellen. Dieser Abschnitt dient dem Einstellen der gewünschten Strömungsverhältnisse, bevor das Gas auf das vorzugsweise im Reaktor vorgelegte Substrat trifft, dieses mitreißt und in der Plasmazone, d. h. in dem Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraum, verwirbelt. Um die Partikel während der gesamten Behandlungszeit in dem Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraum zu halten und um eine andernfalls notwendige gesonderte zusätzliche Partikelabschei- dungsvorrichtung zur Substratrückführung zu vermeiden, weist der erfindungsgemäße Fließbett- und Wirbelschicht-Plasmareaktor eine Querschnittserweiterung innerhalb der Plasmazone auf, d. h. ein Ab- schnitt des Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraums weist einen größeren Querschnitt als der stromaufwärts angrenzende, d. h. in Richtung Prozessgaseinlass, liegende Bereich auf.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Prozessgaseinlass und der Prozessgasauslass in einer Achse liegen, dass heißt dass die Gasströmung im erfindungsgemäßen Plasmareaktor allein axial verläuft. Dies führt vorteilhafterweise zu einer hohen Homogenität des fluidisierten Betts und damit zu einer homogeneren Behandlung des Substrats. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Querschnittserweiterungsraum einen ersten Querschnittserweiterungsabschnitt und einen zweiten Querschnittserweiterungsabschnitt auf. Erfindungsgemäß bevorzugt ist vorgese- hen, dass der erste Querschnittserweiterungsabschnitt eine Querschnittserweiterung ausgehend vom stromaufwärts angrenzenden Bereich, d. h. in Richtung Prozessgaseinlass, bis zum stromabwärts angrenzenden maximalen Querschnitt des Querschnittserweiterungsraums aufweist, wobei sich der Querschnitt bzw. die Quer- schnittsfläche kontinuierlich oder diskontinuierlich bis zu dem maximalen Querschnitt, insbesondere Querschnittsfläche, des Querschnittserweiterungsraums vergrößert. Erfindungsgemäß bevorzugt ist weiterhin vorgesehen, dass der zweite Querschnittserweiterungsabschnitt ein Abschnitt ist, in dem sich der Querschnitt bzw. die Querschnittsfläche kontinuierlich oder diskontinuierlich ausgehend von dem stromaufwärts angrenzenden maximalen Querschnitt, insbesondere Querschnittsfläche, des Querschnittserweiterungsraum bis zum stromabwärts angrenzenden Bereich, d. h. Richtung Pro- zessgasauslass, verkleinert, d. h. dass sich der zweite Quer- Schnittserweiterungsabschnitt bis zu dem stromabwärts angrenzenden Bereich in Form einer Querschnittsverjüngung verjüngt, vorzugsweise bis zu seinem ursprünglichen, d. h. nicht erweiterten Querschnitt, zum Gasabsaugraum hin, an dessen Ende sich der Ga- sauslass zum Anschluss des Equipments zur Vakuumerzeugung befindet. In bevorzugter Weise ist der Querschnitt des zweiten, also des sich verjüngenden, Querschnittserweiterungsabschnitts größer als der des angrenzenden Gasabsaugraums oder des nicht erweiterten Querschnitts des Reaktors. Erfindungsgemäß bevorzugt ist vorgesehen, dass der maximale Querschnitt des Querschnitterweite- rungsraums den ersten Querschnitterweiterungsabschnitt von dem zweiten Querschnitterweiterungsabschnitt trennt.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der erste Querschnittserweiterungsabschnitt und der zweite Querschnittserweiterungsabschnitt symmetrisch zueinander aufgebaut und angeordnet sind. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter dem Ausdruck „symmetrisch" verstanden, dass die Querschnittserweiterung des ersten Querschnittserweiterungsabschnitts und die Querschnittsverjüngung des zweiten Querschnitts- erweiterungsabschnitts beidseitig einer Symmetrieachse gleichförmig verlaufen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass der erste Querschnittserweiterungsabschnitt und der zweite Querschnittserweiterungsabschnitt asymmetrisch zueinander aufgebaut sind. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter dem Ausdruck „asymmetrisch" verstanden, dass die Querschnittserweiterung des ersten Querschnittserweiterungsabschnitts und die Querschnittsverjüngung des zweiten Querschnittserweiterungsabschnitt zu beiden Seiten einer Achse unterschiedlich verlaufen. Dies führt vorteilhafterweise zu einer geringeren Wandverschmutzung des erfindungsgemäßen Plasmareaktors und damit zu einem geringeren Materialverlust des zu behandelnden Substrats.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass sich der Querschnitt des ersten Querschnittserweiterungsab- Schnitts im Querschnittserweiterungsraum kontinuierlich und geradlinig von dem im Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraum bzw. Strömungseinstellungsraum vorliegenden Ausgangsquerschnitt zu dem maximalen Querschnitt des Querschnittserweiterungsraums vergrößert. In bevorzugter Ausführungsform kann jedoch auch vorgesehen sein, dass sich der Querschnitt des ersten Querschnittserweiterungsabschnitts im Querschnittserweiterungsraum in anderer Form bzw. Kontur, z. B. diskontinuierlich, in konkaver oder konvexer Linienführung, vergrößert.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass sich der Querschnitt des zweiten Querschnittserweiterungsabschnitts im Querschnittserweiterungsraum kontinuierlich und geradlinig von einem maximal vorliegenden und durch den maximalen Querschnitt des Querschnittserweiterungsraums vorgegebenen Querschnitt zu einem verkleinerten Querschnitt, insbesondere dem Querschnitt des nicht erweiterten Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraums bzw. des Gasabsaugraums, verkleinert. In bevorzugter Ausfüh- rungsform kann jedoch auch vorgesehen sein, dass sich der Querschnitt des zweiten Querschnittserweiterungsabschnitts des Querschnittserweiterungsraums in anderer Form, z. B. diskontinuierlich, in konkaver oder konvexer Linienführung, verkleinert.

In besonders bevorzugter Ausführungsform ist der Querschnitt des nicht erweiterten und nicht verjüngten Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraums genau so groß wie der des Strömungseinstel- lungsraums. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Querschnitt des nicht erweiterten und nicht verjüngten Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraums genau so groß wie der des Gasabsaugraums. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Querschnitte des Strömungseinstellungsraums, des nicht erweiterten und nicht verjüngten Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraums und des Gasabsaugraums gleich groß. In besonders bevorzugter Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Fließbett- und Wirbelschicht-Plasmareaktor, insbesondere dessen Strömungseinstellungsraum, dessen Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraum, dessen Querschnittserweiterungsraum und dessen Gasabsaugraum im Querschnitt gesehen rohrförmig sind.

Erfindungsgemäß ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass der Fließbett- und Wirbelschicht-Plasmareaktor in einem ersten Teilabschnitt des Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraums stromabwärts vom Prozessgaseinlass aus einem gera- den Teil besteht. Erfindungsgemäß ist dieser gerade Teil unterhalb des zweiten Teilabschnitts des Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraums, der stromaufwärts vom Prozessgasauslass gelegen ist, angeordnet, wobei dieser zweite Teilabschnitt die erfindungsgemäße Querschnittserweiterung in Form eines Querschnittserweiterungs- raums vorsieht. Erfindungsgemäß kann dieser erste Teilabschnitt des Fließbett- und Wirbelschicht-Plasmareaktors, insbesondere der erste Teilabschnitt der erfindungsgemäß bevorzugt jeweils durch eine dichtende Verbindung am unteren Ende, also stromaufwärts, sowie am oberen Ende, also stromabwärts, beim Übergang zum zweiten Teilabschnitt des Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraums begrenzt wird, mit einer beliebigen Länge ausgebildet sein. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Fließbett- und Wirbelschicht-Plasmareaktor ohne den ersten geraden Teil im ersten Teilabschnitt des Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraums ausgebildet ist. In dieser Ausführungsform weist der erfindungsgemäße Fließbett- und Wirbelschichtplasmareaktor in seinem Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraum lediglich den Querschnittserweiterungsraum auf. In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Längenverhältnis in dem Querschnittserweiterungsraum mit symmetrischer Querschnittserweiterung ein Verhältnis des - ersten - Abstandes von dem minimalen Querschnitt des ersten Querschnitts- erweiterungsabschnitts zu dem maximalen Querschnitt des Querschnittserweiterungsraums zu dem - zweiten - Abstand vom maximalen Querschnitt des Querschnittserweiterungsraums bis zu dem minimalen Querschnitt des zweiten Querschnittserweiterungsabschnitt des Querschnittserweiterungsraums von 1 :1 (erster Abstand : zweiter Abstand) ist.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist unter dem „Längenverhältnis in dem Querschnittserweiterungsraum" das Verhältnis des räumlichen Abstandes in Längsrichtung, also in Transportrichtung, in dem Querschnittserweiterungsraum zu verstehen. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung gibt das Längenverhältnis das Verhältnis des - ersten - Abstandes zwischen der Stelle des minimalen stromaufwärts, also im ersten Querschnittserweiterungsabschnitt, gelegenen Querschnitts zu der Stelle des maximalen Querschnitts des Querschnittserweiterungsraums zu dem - zweiten - Abstand zwischen der Stelle des maximalen Querschnitts des Querschnitterweiterungsraums zu der Stelle des minimalen stromabwärts, also im zweiten Querschnittserweiterungsabschnitt des Querschnittserweiterungsraums gelegenen Querschnitts wieder. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist unter einem „mi- nimalen Querschnitt des Querschnittserweiterungsraums" die Stelle in dem ersten oder zweiten Querschnitterweiterungsabschnitt des Querschnittserweiterungsraums zu verstehen, die die kleinste Querschnittsfläche, insbesondere den kleinsten Durchmesser aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Fließbett- und Wirbel- schicht-Plasmareaktor in dem Querschnittserweiterungsraum einen minimalen Querschnitt sowohl unterhalb, also stromaufwärts, des maximalen Querschnitts des Querschnittserweiterungsraums in dem ersten Querschnittserweiterungsabschnitt, als auch oberhalb, also stromabwärts des maximalen Querschnitts des Querschnittserweiterungsraums in dem zweiten Querschnittserweiterungsabschnitt, aufweist. Entsprechend ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung unter einem „maximalen Querschnitt des Querschnitterweiterungsraums" die Stelle des Querschnittserweiterungsraums zu ver- stehen, die die größte Querschnittsfläche, insbesondere den größten Durchmesser aufweist. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist unter dem Querschnitt bzw. unter dem Durchmesser der Querschnitt bzw. der Durchmesser bzw. die Querschnittsfläche zu verstehen, der im Inneren des Fließbett- und Wirbelschicht- Plasmareaktors vorliegt, also der Innendurchmesser bzw. der Innenquerschnitt.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Längenverhältnis in dem asymmetrischen Querschnitterweiterungsraums ein Verhältnis des - ersten - Abstandes vom minimalen stromaufwärts gelegenen Querschnitt zum maximalen Querschnitt des Querschnittserweiterungsraums zu dem - zweiten - Abstand vom maximalen Querschnitt zu dem minimalen stromabwärts gelegenen Querschnitt in einem Bereich von 20:1 bis 1 ,5:1 , vorzugsweise 10:1 bis 1 ,5:1 , insbesondere 7:1 bis 1 ,5:1 , bevorzugt 3:1 (jeweils erster Abstand : zweiter Abstand). Die Erfindung betrifft daher in bevorzugter Ausführungsform auch einen Plasmareaktor mit einem asymmetrischem Querschnittserweiterungsraum, dessen erster Querschnittserweiterungsabschnitt länger als der zweite Querschnittserweiterungsabschnitt ist. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Längenverhältnis in dem asymmetrischen Querschnittserweiterungsraum ein Verhältnis von bevorzugt 2:1; 2,25:1; 2,5:1; 2,75:1; 3,25:1; 3,5:1; 3,75:1; 4:1; 4,25:1; 4,5:1; 4,75:1, 6:1; 8:1; 9:1; 11:1; 15:1 oder 19:1 ist.

Die Erfindung betrifft auch in bevorzugter Ausführung einen Plasmaerweiterungsraum mit einem Querschnittserweiterungsraum, dessen erster Querschnittserweiterungsabschnitt kürzer als der zweite Querschnittserweiterungsabschnitt ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist daher vorgesehen, dass das Längenverhältnis in dem asymmetrischen Querschnittserweiterungsraums ein Verhältnis in einem Bereich von bevorzugt 1:20 bis 1:1,5, insbesondere 1:10 bis 1:1,5, bevorzugt 1:7 bis 1:1,5 1:2; 1:2,25; 1:2,5; 1:2,75; 1:3; 1:3,25; 1:3,5; 1:3,75; 1:4; 1:4,25; 1:4,5; 1:4,75, 1:5, 1:6; 1:8; 1:9; 1:10; 1:11; 1:15 oder 1:19 ist (jeweils erster Abstand : zweiter Abstand).

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Verhältnis der Größe der Querschnittsfläche des symmetrischen oder asymmetrischen Querschnittserweiterungsraums ein Verhältnis von 1:1,5 bis 1:25, bevorzugt von 1:2 bis 1:20, weiter bevorzugt von 1:2,5 bis 1:10, insbesondere 1:3 bis 1:4, vorzugsweise 1:3,1 bis 1:3,9 für die Größe des minimalen Querschnitts des Querschnittserweiterungsraums zu der Größe des maximalen Querschnitts des Querschnittserweiterungsraums.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Verhältnis der Größe der Querschnittsfläche des symmetrischen oder asymmetrischen Querschnittserweiterungsraums ein Verhältnis von bevorzugt 1 :2; 1 :2,25; 1 :2,5; 1 :2,75; 1 :3; 1 :3,25; 1 :3,5; 1 :3,75; 1 :4; 1 :4,25; 1 :4,5; 1 :4,75, 1 :5; 1 :6; 1 :7; 1 :8; 1 :9; 1 :10 oder 1 :15 ist. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter dem „Verhältnis der Größe der Querschnittsfläche des symmetrischen oder asymmetrischen Querschnittserweiterungsraums" ein Verhältnis der Größe des minimalen Querschnitts zu der Größe des maximalen Querschnitts des Querschnittserweiterungsraums verstanden, wobei der minimale Querschnitt und der maximale Querschnitt jeweils den Innendurchmesser bzw. die Querschnittsfläche an der jeweiligen Stelle des Querschnittserweiterungsraums darstellen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Plasmareaktor, insbesondere dessen Strömungseinstellungsraum und/oder Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraum und/oder Gasabsaugraum rohrförmig, d. h. weist im Querschnitt gesehen eine Kreisform auf.

Der erfindungsgemäße Plasmareaktor, insbesondere der Strömungseinstellungsraum, der Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraum und der Gasabsaugraum, umfasst in bevorzugter Ausführungsform ein Dielektrikum, insbesondere Glas, oder ist aus diesem bestehend oder ist aus diesem gefertigt.

In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt der erfindungsgemäße Reaktoraufbau modular. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist das dadurch ermöglichte erleichterte Öffnen und Schließen des Reaktors, ggf. über entsprechende Antriebe. Die einzelnen Bauteile wer- den in dieser Ausführungsform bevorzugt durch z. B. O-Ringe aus Elastomermaterial oder andere dichtende Teile miteinander verbunden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist daher vorgesehen, dass der Fließbett- und Wirbelschicht-Plasmareaktor aus mehreren Teilen gefertigt ist, die dichtend miteinander verbunden sind. In bevorzugter Weise kann also vorgesehen sein, den Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraum nicht einstückig, son- dem geteilt auszuführen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Fließbett- und Wirbelschicht-Plasmareaktor einstückig ausgebildet.

Zur Reduzierung der Belastung einiger Reaktorbauteile, v. a. bei den Druckwechseln, ist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass ausgleichende Elemente, wie z. B. Wellschläuche, eingefügt werden.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, in dem erfindungsgemäßen Plasmareaktor Substrathaltevorrichtung, z. B. Gitter, Stege, Filter, Membranen oder dergleichen vorzusehen, die beispielsweise der Vorlage von Substrat oder dem Vermeiden von Substratverlusten beim Anfahren der Behandlung dienen. Derartige Vorrichtungen können sowohl stromaufwärts, also Richtung Gasein- lass, oder stromabwärts, also Richtung Gasauslass, der Plasmazone sowie ggf. innerhalb der Plasmazone vorgesehen sein.

Erfindungsgemäß ist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass zur Reduzierung von Druckgradienten, z. B. bedingt durch Gitter, Filter oder sonstige Elemente im Reaktor, die die Strömung behindern können, Bypass-Leitungen vorliegen. Die Erfin- düng sieht daher auch vor, mindestens eine Bypass-Leitung zwischen zumindest zwei strukturellen bzw. funktionellen Teilen des erfindungsgemäßen Reaktors vorzusehen. In bevorzugter Ausfüh- rungsform verlaufen diese Bypass-Leitungen zwischen je zwei der folgenden Reaktorelemente: Strömungseinstellungsraum, Verwirbe- lungs- und Plasmabehandlungsraum mit dem Querschnittserweiterungsraum und Gasabsaugraum.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Fließbett- und Wirbelschicht-Plasmareaktor eine Bypass-Leitung auf, die zwischen Strömungseinstellungsraum und Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraum mit integriertem Querschnittserweiterungsraum verläuft.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Bypass-Leitung zwischen Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraum mit integriertem Querschnittserweiterungsraum und Gasabsaugraum verläuft.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Bypass-Leitung zwischen Strömungseinstellungsraum und Gas- absaugraum verläuft.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Bypass-Leitung sowohl zwischen Strömungseinstellungsraum und Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraum mit integriertem Querschnittserweiterungsraum als auch zwischen Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraum mit integriertem Querschnittserweiterungsraum und Gasabsaugraum sowie auch zwischen Strömungseinstellungsraum und Gasabsaugraum verläuft.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Bypass-Leitung allein zwischen Strömungseinstellungsraum und Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraum mit integriertem

Querschnittserweiterungsraum oder allein zwischen Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraum mit integriertem Querschnittserweiterungsraum und Gasabsaugraum oder allein zwischen Strömungsein- stellungsraum und Gasabsaugraum verläuft.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Bypass-Leitung zwischen Strömungseinstellungsraum und Ver- wirbelungs- und Plasmabehandlungsraum mit integriertem Querschnittserweiterungsraum sowie zwischen Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraum mit integriertem Querschnittserweiterungsraum und Gasabsaugraum verläuft.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Bypass-Leitung zwischen Strömungseinstellungsraum und Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraum mit integriertem Querschnittserweiterungsraum sowie zwischen Strömungseinstellungsraum und Gasabsaugraum verläuft.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Bypass-Leitung zwischen Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraum mit integriertem Querschnittserweiterungsraum und Gasabsaugraum sowie zwischen Strömungseinstellungsraum und Gasabsaugraum verläuft.

In einer erfindungsgemäß bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mindestens eine Bypass-Leitung mit mindestens einem Ventil versehen ist.

In bevorzugter Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Fließbett- und Wirbelschicht-Plasmareaktor mindestens ein Belüf- tungsventil aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist daher vorgesehen, dass die Wiederbeaufschlagung des Fließbett- und Wirbelschicht-Plasmareaktors mit Atmosphärendruck über ein Belüftungsventil entweder mit Umgebungsluft oder aber mit definiertem Gas bzw. einer Gasmischung erfolgen kann.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können die zur Erzeugung des elektromagnetischen Feldes nötigen Elektroden unterschiedlich aufgebaut und angebracht werden. Erfindungsgemäß bevorzugte Ausführungsformen zur kapazitiven Einkopplung sind Schellen, Metallbänder oder -drahte sowie Bleche, die vorzugsweise auch an die Kontur des Reaktors angepasst sein können. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Einkopplung induktiv über eine oder mehrere Spulen. In besonders bevorzugter Ausführungsform ist vorgesehen, dass die in dem erfindungsgemä- ßen Reaktor angebrachten Elektroden an der Außenkontur des Reaktors angebracht sind. Erfindungsgemäß kann in einer weiteren Ausführungsform jedoch auch vorgesehen sein, dass die Elektroden im Inneren des Reaktors angebracht sind. In diesem Fall sieht die Erfindung in bevorzugter Ausführungsform entsprechende Vakuum- durchführungen vor.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die erste und zweite Elektrode so am erfindungsgemäßen Fließbett- und Wirbelschicht-Plasmareaktor angebracht, dass der Querschnittserweiterungsraum, ein Großteil davon oder ein Teil durch die beiden Elektroden eingefasst wird, insbesondere zwischen ihnen liegt und so der Querschnittserweiterungsraum entweder vollständig, größtenteils oder teilweise einem von den beiden Elektroden erzeugten elektromagnetischen Feld ausgesetzt wird. In besonders bevorzugter Ausführungsform ist die erste Elektrode stromaufwärts des ersten Querschnittserweiterungsabschnitts und die zweite Elektrode stromabwärts des ersten oder, wenn vorhanden, zweiten, Querschnittserweiterungsabschnitts am erfindungsgemäßen Reaktor angebracht, so dass der gesamte Querschnittserweiterungsraum unmittelbar zwischen der ersten und der zweiten Elektrode liegt. In einer bevorzugten Ausführungsform kann erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, dass eine der beiden Elektroden im Bereich des maximalen Querschnitts des Querschnittserweiterungsraums ange- bracht ist und die andere Elektrode stromaufwärts oder stromabwärts des Querschnittserweiterungsraums. In einer bevorzugten Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass der Querschnittserweiterungsraum teilweise von den Elektroden eingefasst ist, insbesondere dass eine Elektrode im Bereich des maximalen Querschnitts des Querschnittserweiterungsraums angebracht ist und die zweite Elektrode stromaufwärts oder stromabwärts des ersten oder zweiten Querschnittserweiterungsabschnitts angeordnet ist, wobei in dieser Ausführungsform demgemäß zwei Querschnittserweiterungsabschnitte vorliegen.

Diese erfindungsgemäß bevorzugten Anordnungsmöglichkeiten der ersten und zweiten Elektrode ermöglichen vorteilhafterweise, dass das Plasma weitestgehend allein oder allein im Querschnittserweiterungsraum vorliegt. Die zu modifizierenden Partikel werden durch diese erfindungsgemäß bevorzugte Konfiguration während ihrer Be- handlung nicht aus dem Plasmabehandlungsraum also der Plasmazone, ausgetragen. Dies führt vorteilhafterweise dazu, dass die Partikel mit höchster Behandlungseffizienz und optimierter Verweilzeit modifiziert werden können, da sie die Plasmazone nicht verlassen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die erste und zweite Elektrode aus einem leitfähigen Feststoff, insbesondere Metall, einem Kunststoffsubstrat oder beidem, bestehen, diese im Wesentlichen umfassen oder enthalten.

Die erfindungsgemäß eingesetzten Elektroden, ihre erfindungsgemäß vorgesehene Anordnung sowie die erfindungsgemäße Plasmaanregungsart des Glimmentladungs-Niederdruckplasmas führen vorteilhafterweise zu einem besonders homogenen Plasma und so- mit zu einer besonders homogenen Behandlung der zu modifizierenden Partikel im erfindungsgemäßen Plasmareaktor.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Fließbett- und Wirbelschicht- Plasmareaktor zusätzlich mindestens einer, z. B. ein oder mehrere elastische(s) bzw. längenausgleichende(s) Element(e) angeordnet sind.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform betrifft einen Fließbett- und Wirbelschicht-Plasmareaktor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens einer, z. B. ein oder mehrere, Abschnitte des Reak- tors zum erleichterten Öffnen oder zum Längenausgleich auf einem verschiebbaren Schlitten befestigt sind.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das eingesetzte Plasma ein Niederdruckplasma ist. Durch diese bevorzugte Ausführungsform wird auch die Behandlung thermo- labiler Güter ermöglicht. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das eingesetzte Niederdruckplasma mit einem definierten, praktisch frei wählbaren Prozessgas betrieben werden kann.

Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zur Modifizierung partikulärer und pulverförmiger Substrate, wobei diese Substrate in eine erfindungsgemäße Vorrichtung, insbesondere einen vorgenannten erfindungsgemäßen Fließbett- und Wirbelschicht- Plasmareaktor eingebracht, dort mit einem Plasma, insbesondere einem Niedertemperaturplasma, vorzugsweise einem Glimmentla- dungs-Niederdruckplasma, das angeregt wird, in Kontakt gebracht und modifizierte partikuläre und pulverförmige Substrate erhalten werden. Erfindungsgemäß werden die Substratpartikel durch den in der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehenen Querschnittserweiterungsraum innerhalb des Verwirbelungs- und Plasmabehand- lungsraums gehalten und dort modifiziert.

Die vorliegende Erfindung sieht daher in besonders bevorzugter Weise ein Verfahren zur Behandlung partikulärer und pulverförmiger Substrate vor, worin Plasma in einem erfindungsgemäßen Fließbett- und Wirbelschicht-Plasmareaktor angeregt wird und die in den Reak- tor eingebrachten Substratpartikel durch die erfindungsgemäß vorgesehene Querschnittserweiterung innerhalb des Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraums in dieser gehalten werden, ohne dass die Notwendigkeit einer gesonderten Partikelabscheide- und Substratrückführungsvorrichtung besteht.

In einer erfindungsgemäß bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Substrat entweder vorgelegt oder über ein Vorratsgefäß in den Reaktor dosiert wird. In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Verfahren mit einem Glimmentladungs-Niederdruckplasma durchgeführt wird.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Fließbett- und Wirbelschicht-Plasmareaktor verwendet wird, der einen Innendurchmesser von 20 bis 60 mm, insbesondere 30 bis 50 mm, insbesondere 40 mm im Strömungseinstellungsraum sowie im Gasabsaugraum besitzt und einen Innendurchmesser von 110 bis 190 mm, insbesondere 120 bis 180 mm, insbesondere 150 mm im Querschnitterweiterungsraum aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Innendurchmesser von 20 bis 60 mm, insbesondere 30 bis 50 mm, insbesondere 40 mm auch dem minimalen Querschnitt des Querschnittserweiterungsraums und der Innendurchmesser von 110 bis 190 mm, insbesondere 120 bis 180 mm, insbeson- dere 150 mm dem maximalen Querschnitt des Querschnittserweiterungsraums entspricht. Somit ist bevorzugt ein Größenverhältnis des minimalen Querschnitts zu dem maximalen Querschnitt des Querschnittserweiterungsraums von 1 :2 bis 5, insbesondere 1 :3 bis 4, vorgesehen. In einer bevorzugten Ausführungsform können in einem solchen bevorzugten Fließbett- und Wirbelschicht-Plasmareaktor verschiedene Kohlenstoffnanomaterialien als Substrate eingesetzt werden. Erfindungsgemäß weiterhin bevorzugt ist die Oberflächen- funktionalisierung dieser Substrate mittels verschiedener Prozessgase. In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Oberflächenfunktionalisierung durch eine Plasmabehandlung bei einer Anregung von 13,56 MHz, einen Druck von 0,075 bis 0,675 mbar, einem Gesamtprozessgasfluss von 30 bis 220 sccm und einer eingespeisten Leistung von 5 bis 100 W durchgeführt wird. Diese vorgenannten Prozessparameter stellen eine bevorzugte Ausfüh- rungsform der Erfindung dar und sind nicht beschränkend für die Erfindung zu verstehen. Ein Fachmann wird vielmehr bevorzugte Prozessparameterbereiche den jeweils vorliegenden Reaktorabmaßen, der Saugleistung der Pumpe der Substratart, -dichte und - agglomerationsgröße und gegebenenfalls auch der Plasmaanregung anpassen. Weiterhin wird ein Fachmann je nach gewünschten und bevorzugten Anwendungsgebiet beispielsweise für Schichtabsch- scheidungsprozesse oder für Recyclinganwendungen die Prozessparameterbereiche entsprechend variieren und so gegebenenfalls höhere Leistungen anwenden.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachstehenden Beispiele und Figuren näher erläutert. Die Beispiele sind nicht beschränkend zu verstehen.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Fließbett- und Wirbelschicht-Plasmareaktors mit symmetrischer Querschnittserweiterung und -Verjüngung.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungs- gemäßen Fließbett- und Wirbelschicht-Plasmareaktors mit asymmetrischer Querschnittserweiterung und -Verjüngung.

Beispiel 1 : Aufbau eines erfindungsgemäßen Fließbett- und Wirbelschicht-Plasmareaktors

Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen rohrförmigen Fließbett- und Wirbelschicht-Plasmareaktor (100) mit einem Prozessgaseinlass (1), einem rohrförmigen Strömungseinstellungsraum (2), einer dichtenden Verbindung (3) zwischen Strömungseinstellungsraum (2) und dem ersten rohrförmigen Teilabschnitt des Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraums (14), einer dichtenden Verbindung (11) zwischen erstem rohrförmigen und zweitem rohrförmigen Teilabschnitt des Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraums (14), einen Querschnittserweiterungsraum (40) im zweiten Teilabschnitt des Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraums (14), wobei der Querschnittserweiterungsraum (40) aus einem ersten Querschnitts- erweiterungsabschnitt (4) und einem zweiten Querschnittserweiterungsabschnitt (5) besteht, und wobei der erste Querschnittserweiterungsabschnitt (4) und der zweite Querschnittserweiterungsabschnitt (5) symmetrisch zueinander aufgebaut und einen gemeinsamen maximalen Querschnitt (400) aufweisen, eine dichtende Verbindung (6) zwischen dem zweiten Teilabschnitt des Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraums (14) und dem Gasabsaugraum (7), einen Gasabsaugraum (7), einen Gasauslass (8), eine erste Elektrode (10), eine zweite Elektrode (9). Die erste Elektrode (10) befindet sich stromaufwärts des ersten Querschnittserweiterungsabschnitts (4), dass heißt vor diesem, und die zweite Elektrode (9) stromabwärts des zweiten Querschnittserweiterungsabschnitts (5), dass heißt nach diesem. Der in der Plasmazone (14) befindliche Querschnittserweiterungsraum (40) liegt zwischen den beiden Elektroden (9) und (10). Der Figur 1 kann entnommen werden, dass innerhalb des rohrförmi- gen Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraums (14), insbesondere innerhalb eines zweiten Teilabschnittes desselben, der Querschnitt und damit Durchmesser des Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraums beträchtlich bis auf einen durch den Pfeil mit der Bezugsnummer (400) gekennzeichneten Maximalwert vergrößert, d. h. erweitert wird. Vom maximalen Querschnitt des durch den Pfeil mit der Bezugsnummer (400) dargestellten ersten Querschnittserweiterungsabschnitt (4) verjüngt sich dann der Querschnitt des Querschnitterweiterungsraums (40) innerhalb des Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraums (14) in Form einer Querschnittsverjüngung des zweiten Querschnitterweiterungsabschnitts (5) bezogen auf die durch die Bezugsnummer (400) gekennzeichnete Symmetrieachse symmetrisch bis zu dem Ursprungsquerschnitt des Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraums (14) wieder, um so den Querschnitt des Gasabsaugraums (7), der dem des Strömungsein- stellungsraums (2) entspricht, zu erreichen.

In einer erfindungsgemäßen Funktionsweise des Fließbett- und Wirbelschicht-Plasmareaktors ist vorgesehen, dass Gas in den Reaktor durch einen Prozessgaseinlass (1) eingelassen wird. Anschließend durchströmt das Gas einen ersten Reaktorabschnitt, nämlich den Strömungseinstellungsraum (2), mit einem im Vergleich zum Prozessgaseinlass (1) größeren Durchmesser, der dem Einstellen der gewünschten Strömungsverhältnisse dient, bevor das Gas auf das im Reaktor vorgelegte, hier nicht dargestellte Substrat trifft. Durch das Zusammentreffen von Gas mit dem vorgelegten Substrat wird dieses mitgerissen und in dem Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraum (14) verwirbelt. Durch den innerhalb des Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraums (14) gebildeten Querschnittserweiterungsraum (40) werden die Partikel während der gesamten Prozess- zeit in der Plasma- und Verwirbelungszone gehalten. Im an den ersten Querschnittserweiterungsabschnitt (4) anschließenden zweiten Querschnittserweiterungsabschnitt (5) des Querschnitterweiterungsraums (40) innerhalb des Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraums (14) ist eine Querschnittsverjüngung ausgebildet, durch den das Prozessgas in Richtung des Gasabsaugraums (7) strömt, an dessen Ende sich wiederum der Gasauslass (8) zum Anschluss an eine Vakuumerzeugung befindet.

Figur 2 zeigt einen erfindungsgemäßen rohrförmigen Fließbett- und Wirbelschicht-Plasmareaktor (100) mit einem Prozessgaseinlass (1), einem Strömungseinstellungsraum (2), einer dichtenden Verbindung (3) zwischen Strömungseinstellungsraum (2) und erstem Teilabschnitt des Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraums (14), eine dichtende Verbindung (11) zwischen erstem und zweitem Teil- abschnitt des Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraums (14), einen Querschnittserweiterungsraum (40) des zweiten Teilabschnitts des Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraums (14), wobei der Querschnittserweiterungsraum (40) aus einem ersten Querschnittserweiterungsabschnitt (4) und einem zweiten Querschnittserweite- rungsabschnitt (5) besteht und wobei der erste Querschnittserweiterungsabschnitt (4) und der zweite Querschnitterweiterungsabschnitt (5) asymmetrisch zueinander aufgebaut und gemeinsam einen maximalen Querschnitt (400) aufweisen, eine dichtende Verbindung (6) zwischen zweitem Teilabschnitt des Verwirbelungs- und Plasmabe- handlungsraums (14) und dem Gasabsaugraum (7), einen Gasabsaugraum (7), einen Gasauslass (8), eine erste Elektrode (10) und eine zweite Elektrode (9). Die erste Elektrode (10) befindet sich stromaufwärts des ersten Querschnittserweiterungsabschnitts (4), dass heißt vor diesem, und die zweite Elektrode (9) stromabwärts des zweiten Querschnittserweiterungsabschnitts (5), dass heißt nach diesem. Der in der Plasmazone (14) befindliche Querschnittserweiterungsraum (40) liegt zwischen den beiden Elektroden (9) und (10). Der Figur 2 kann entnommen werden, dass der Verwirbelungs- und Plasmabehandlungsraum (14) in seinem zweiten Teilabschnitt einen Querschnittserweiterungsraum (40) aufweist, der in einem ersten Querschnittserweiterungsabschnitt (4) in einem vergleichsweise langen Längenabschnitt eine stetige Querschnittserweiterung aufweist, um dann unmittelbar anschließend in einem zweiten Querschnittser- Weiterungsabschnitt (5) asymmetrisch dazu in einem vergleichsweise kurzen Längenabschnitt in Form einer Querschnittsverjüngung wieder auf den ursprünglichen Querschnitt des nicht erweiterten Verwir- belungs- und Plasmabehandlungsraums (14) verjüngt zu werden.

Beispiel 2: Vergleich eines herkömmlichen zylindrischen Fließ- bettreaktors mit einem erfindungsgemäßen symmetrischen sowie erfindungsgemäßen asymmetrischen Fließbettreaktor.

Es wurde ein Vergleich zwischen einem herkömmlichen zylindrischen Fließbettreaktor mit einem Innendurchmesser von 40 mm gegenüber einem erfindungsgemäßen symmetrischen sowie einem erfindungsgemäßen asymmetrischen Fließbettreaktor durchgeführt. Die erfindungsgemäßen Fließbettreaktoren weisen einen Innendurchmesser von 40 mm im Bereich des Strömungseinstellungs- raums (2) sowie im Gasabsaugraum (7) und einen Innendurchmesser von 150 mm im maximalen Querschnitt (400) im Querschnittser- Weiterungsraum (40), d. h. ein Verhältnis der Größen des Durchmessers von 1 :3,75 auf. Es wurde jeweils in gleicher Menge im Bereich der dichtenden Verbindung (3) Material aus mehrwandigem Kohlenstoffnanoröhrchen vorgelegt. Als Prozessgas wurde eine Argon-Sauerstoff-Mischung eingesetzt. Das Plasma wurde jeweils bei 13,56 MHz angeregt und bei einer Leistung von 20 W betrieben. Es wurde eine gleiche Plasmabehandlungszeit (Plasma-„an"-Zeit) gewählt. Weiterhin wurde eine Pumpe mit einer Saugleistung von 30 m ³ /h eingesetzt. Der Gesamtfluss der eingesetzten Prozessgasmi- schung betrug zwischen 30 und 40 sccm. Dies führte zu einem Prozessdruck im Bereich der dichtenden Verbindung (6) und, bei korrekter Prozessführung, im Bereich des maximalen Querschnitts (400) in dem Querschnittserweiterungsraum (40) von 0,2 bis 0,25 mbar.

Eine anschließende elektronenspektroskopisch-chemische Analyse ergab im Falle des herkömmlichen zylindrischen Reaktors einen maximal erzielbaren Sauerstoffgehalt von 6 bis 8 atom%. Dieser konnte bei Verwendung der erfindungsgemäßen Reaktortypen mit 13 bis 14 atom% Sauerstoffgehalt fast verdoppelt werden. Dies entsprach nä- herungsweise dem auf entsprechenden Flachsubstraten erzielbaren Ergebnissen von ca. 15 atom% Sauerstoffgehalt. Hierbei ist anzumerken, dass dieser Sauerstoffgehalt mit einem für diese Flachsubstrate optimierten Reaktortyp erzielt wurde. Es ist davon auszugehen, dass dieser Wert als für das gewählte Material maximal erziel- bares Ergebnis anzusehen ist. Weiterhin konnte durch die Analyse gezeigt werden, dass darüber hinaus eine deutlich bessere Homogenität dieser Funktionalisierungsgüte erreicht werden konnte als im Falle des herkömmlichen Reaktorkonzepts. Der erfindungsgemäße asymmetrische Reaktor zeigt im durchgeführten Beispiel zu dem als weiteren Vorteil eine geringere Wandverschmutzung auf, so dass der damit verbundene Materialverlust deutlich geringer ausfiel. Beim herkömmlichen zylindrischen Reaktorkonzept dagegen war allein aufgrund der hier eigentlich nötigen Substratrückführung ein erheblich größerer Materialverlust zu verzeichnen. Zusammenfassend konnte festgestellt werden, dass das erfindungsgemäße Reaktorkonzept ohne Notwendigkeit einer Substratrückführung bei erheblich reduziertem Materialverlust eine höhere Homogenität der Behandlung und eine Verbesserung der Behandlungsgüte um annähernd 100 % ermöglicht. Weiterhin wirkt beispielsweise eine entsprechend gewählte asymmetrische Ausführungsform der Querschnittserweiterung einer je nach Substrateigenschaften möglichen Wandverschmutzung entgegen.