CN101129100A - 大气压等离子体喷射装置 - Google Patents

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CN101129100A CNA2006800040318A CN200680004031A CN101129100A CN 101129100 A CN101129100 A CN 101129100A CN A2006800040318 A CNA2006800040318 A CN A2006800040318A CN 200680004031 A CN200680004031 A CN 200680004031A CN 101129100 A CN101129100 A CN 101129100A
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Abstract

本发明涉及一种用于对物品实施等离子体处理的等离子体喷射装置，包括：－细长的中心电极(2，15)；－加长的圆柱形外电极(1)或2个外电极(15，16)，所述外电极围绕所述中心电极并与所述中心电极共轴，或者两个电极与所述中心电极基本上平行；－设置在所述外电极与所述中心电极之间的电绝缘体(3)或电绝缘体(18，19)，其中所述中心电极与所述电绝缘体之间限定了具有远端和近端的放电腔；－设置在所述放电腔的所述远端的供应口(6)，用于向所述放电腔提供等离子体生成气体；－用于向中心电极与外电极之间提供电压的电源(9)，其特征在于，所述电绝缘体在所述近端处具有位于所述外电极的外表面之外的径向或向外延伸部(40，20)。

Description

大气压等离子体喷射装置
技术领域
本发明涉及一种可用于等离子体清洗、表面改性以及表面涂布的等离子体处理设备。更具体地说，本申请涉及一种新颖的等离子体喷射装置。
背景技术
大气压等离子体喷嘴在本领域内是公知的，诸如WO 98/35379或WO 99/20809中所描述的。这些等离子体喷射装置包括两个共轴放置的电极，这两个电极在中心放置的电极的外径与外电极的内径之间限定出等离子体放电空间。等离子体射流能够通过如下手段产生在器件的开放端：将气流引到器件的封闭端，同时在电极之间施加足够的电压。在所述电极之间，放置介电材料，以免飞弧。等离子体射流可用来蚀刻、清洗或涂布表面。在已有技术的器件中，由于目前公知器件的若干局限性，很难获得合理有效的等离子体射流。例如，目前不可能用恰当尺寸的现有技术等离子体射流充分活化橡胶，因为没有足够的能量输出。大多数等离子体喷射装置因此利用喷嘴来覆盖等离子体射流，以便获得更高的等离子体密度。然而，所造成的缺陷是处理点更小，需要更多器件，因此更耗时，或者需要更大的器件来处理特殊表面。
发明目的
本发明的目的是，提供一种比本领域公知装置更有效的等离子体喷射装置。
发明内容
本发明涉及一种大气压等离子体喷射装置，其包括圆柱形双电极器件或平行三电极器件。双电极器件可以是包括中心圆柱形金属电极和外圆柱形金属电极的管状器件，所述圆柱形金属电极是共轴的，并且限定出等离子体放电腔，所述器件具有开放(近)端和封闭(远)端，所述等离子体放电腔在所述开放端对大气是开放的，并且在所述封闭端包括气流入口，介电材料介于所述中心圆柱形金属电极与所述外圆柱形金属电极之间，其特征在于，所述介电屏障在所述开放端沿径向延伸。
平行器件的一个实施例包括中心平坦或特殊形成的金属电极和2个外金属电极，所述电极基本上是平行的，即相隔固定(±1mm)的距离并且限定出等离子体放电腔，所述平行器件具有开放(近)端和封闭(远)端，所述等离子体放电腔在所述开放端对大气是开放的，并且在所述封闭端包括气流入口，介电材料介于所述中心金属电极与所述外金属电极之间，其特征在于，所述介电屏障在所述开放端向外延伸。按照一个具体实施例，外电极在侧面相连，从而形成一个与中心电极共轴的电极。此实施例和管状实施例因此是具有一个内电极和一个外电极的圆柱形器件的两个变型。
本发明由此涉及一种用于对物品实施等离子体处理的等离子体喷射装置。现在描述圆柱形的双电极构造和平行的三电极构造。这种圆柱形等离子体喷射装置包括：
●细长的中心电极，
●细长的圆柱形外电极，该电极围绕所述中心电极并与所述中心电极共轴，
●共轴设置在所述外电极与所述中心电极之间的电绝缘体，其中所述中心电极与所述电绝缘体之间限定了具有远端和近端的放电腔，
●设置在所述放电腔的所述远端的供应口，其用于向所述放电腔提供等离子体生成气体，
●用于向所述中心电极与所述外电极之间提供电压的电源，
其中所述电绝缘体在所述近端处以径向放置的环延伸到所述外电极的外表面之外。这些电极是管状的并与一个圆形截面共轴，或者中心电极是盘型平板电极，而外电极具有与中心电极基本平行的前后侧面。取代平板电极的是，这种平行器件可以具有这样的中心电极：这种电极在近端具有沿电极长度延伸的圆形伸展部，而外电极的前后面仍然与所述中心电极平行。
按照一个优选实施例，一条供应管道贯穿中心电极，用于将活性化合物直接引入近端的等离子体余辉内。
按照本发明的三电极平行等离子体喷射装置包括：
●中心电极，诸如盘型平板电极，
●2个外电极，所述外电极在所述中心电极的两侧，并且与所述中心电极基本上平行，
●基本上平行设置在所述外电极与所述中心电极之间的2个电绝缘体，其中所述中心电极与所述电绝缘体之间限定了具有远端和近端的放电腔，
●设置在所述放电腔的所述远端的供应口，其用于向所述放电腔提供等离子体生成气体，
●优选包括贯穿中心电极的供应管道，用于将活性化合物直接引入近端的等离子体余辉内，
●用于向中心电极与外电极之间提供电压的电源，
其中所述电绝缘体在所述近端处向外延伸到外电极的外表面之外。
在按照本发明的等离子体喷射装置中，电绝缘体优选在外电极的外表面进一步向远端延伸。有益的是，中心电极的外表面与电绝缘体的内表面之间的距离为0.1至10mm。电源优选布置成能够为管状构造提供1至10kV的交流或脉冲直流电压，为平行构造提供1至100kV的交流或脉冲直流电压。
本发明另一方面涉及一种用于生成等离子体流的方法，包括如下步骤：
●提供按照本发明的等离子体喷射装置，
●通过供应口提供等离子体气流，
●通过供应口和/或中心电极提供活性化合物(例如单体)流，从而将活性化合物在等离子体的开放端引入等离子体放电中，以及
●向中心电极与外电极之间提供1至100kV的电压。
附图说明
图1表示出已有技术的等离子体喷射装置设计图。
图2是按照本发明的等离子体喷射装置的总示意图。
图3是按照本发明的平行等离子体喷射装置的总示意图。
图4是具有平行电极的实施例的特殊构造的总示意图。
图5表示出按照本发明的平行等离子体喷射装置的许多可能的截面。
具体实施方式
已有技术的等离子体喷射装置，如图1所示，通常包括外电极11和内电极12，以及介于二者之间的介电材料13。
本发明的管状实施例参见图2，涉及一种大气压等离子体喷射装置，其具有2个共轴的圆柱形电极(1，2)和一个特殊形成的介电材料3形式的电绝缘体。介电屏障在等离子体喷射装置的近端延伸，优选是U形延伸部20的形式。等离子体喷射装置在30℃至600℃的温度下工作，并且可以用于等离子体清洗、表面改性和表面涂布。U形介电材料对所有这些应用都是有很大益处的。一个环，即管状构造的径向延伸部，也是一个优选实施例(没有‘U’形的返回段21)。在装置的远端是供应口6，用于向在中心电极与介电材料3之间限定出的等离子体腔供应等离子体气体。优选地，中心电极2与大地8相连，而外电极与电压源9相连。与地相连的电极1和与电压源相连的电极2也是可能的实施例。两个电极都与电压源相连的实施例也包括在本发明内。贯穿中心电极2的供应管7是为了将活性化合物直接引入开放端的等离子体余辉内。中心电极的外表面与电绝缘体的内表面之间的距离为0.1至10mm。距离5是均质等离子体区的直径。距离50是所述均质等离子体区的高度，与外部电极1的高度对应。
中心电极2和外电极1可以是具有圆形截面的圆柱形，即管状。或者，中心电极可以是平板电极2，而外电极1包括前后侧面70，71(参见图5A)，它们在侧面72相连，从而形成一个圆柱形外电极1。绝缘体1然后也包括与中心电极平行的前后侧面73，74，并且这些侧面在侧面75相连，从而形成一个圆柱形绝缘体3。
图3表示出按照本发明的等离子体喷射装置，其配有3个平行电极。该装置包括中心电极15和两个位于中心电极各一侧的平行电极16，17。该图是装置的切割图。实际装置在侧面当然是封闭的。可能的截面在图5B-5D中示出。图5B-5D所示的装置通过合适的绝缘材料(未示出)在侧面是封闭的。图3的平行装置具有基本上平行于电极的两个介电部分18，19。在装置的远端，供应口6向在中心电极与绝缘体之间限定出的放电腔供应等离子体生成气体。贯穿中心电极的供应管7将活性化合物直接引入开放端的等离子体余辉内。中心电极15与大地8相连，而外电极16，17与电压源9相连。外电极16，17与地相连、中心电极15与电压源相连的实施例也包括在本发明内。而且，中心电极15以及外电极16，17都与电压源9相连的实施例包括在本发明内。在装置的近端，所生成的介电部分带有优选为U形的向外延伸部40，或者是没有‘U’形的返回段41的平坦向外延伸部。中心电极的外表面与电绝缘体的内表面之间的距离为0.1至10mm。距离5是均质等离子体区的直径。距离60是所述均质等离子体区的高度，与外部电极的高度对应。距离61是等离子体区的长度，与装置的长度(深度)对应。
图4表示出按照本发明的平行等离子体喷射装置的可能的特殊构造。在这种构造中，在等离子体喷射装置的所述开放端沿中心金属电极15的整个长度设有圆形延伸部30。如图4所示，特殊形成的介电材料(18，19)和外金属电极(16，17)都具有特殊形状，以确保中心电极的外表面与电绝缘体的内表面之间具有固定(±1mm)距离。附图标记60表示等离子体喷射装置的高度，附图标记5表示均质有效等离子体余辉的宽度，附图标记61表示平行电极之间的等离子体区的长度。由于圆形延伸部30，余辉的浓度以及由此导致的余辉中的等离子体密度得以增大。
一般，当使用按照本发明的等离子体喷流射装置时，可采用以下的工作特征：
-具有10cm电极高度50的管状装置(从此称作管状装置)的电功率：20-750瓦；
-具有10cm电极高度(50，60)和10cm电极长度(61)的平行装置(包括具有一个外电极的平行装置)(从此称作平行装置)的电功率：100-500瓦。所施加的功率取决于具体应用。
-电压(8)：1-100kV
-用于管状装置的等离子体气流(6)：1-400升/分钟，用于平行装置的等离子体气流(6)：10-4000升/分钟。
-预热等离子体气体的温度：20-400℃(这意味着，等离子体气体在插入等离子体喷射装置之前被预热到400℃)。
-等离子体气体：N2，空气，He，Ar，CO2+这些气体与H2，O2，SF6，CF4的混合物、饱和及不饱和烃气、氟化烃气……
-单体流：1-2000克/分钟(通过中心电极中的管道7直接进入等离子体余辉内)。
-馈送气流：0.1-30升/分钟(通过中心电极中的管道7直接进入等离子体余辉内)。
-内部间隙距离(4)：0.1-10mm(取决于等离子体气体和应用)。
-均质等离子体区的直径(对于管状装置而言)或宽度(5)(对于平行装置而言)：6-80mm。
-有效等离子体余辉的长度：5-100mm。(取决于应用)
当将高压交流或脉冲直流功率加在其中一个电极上时，就在电介质与电极之间发生介电屏障放电。来自等离子体的活性物质被等离子体气流从等离子体喷射装置中吹出。将此余辉对准样品，并以这种方式对三维物体进行等离子体处理。在采用脉冲直流功率的情形中，频率优选为1-200KHz，更优选为50-100KHz。
从按照本发明的等离子体喷射装置径向或向外延伸的介电体的优点可归纳为以下三点：等离子体源的距离、等离子体气体的激活及消耗宽度。
等离子体源的距离
应该注意，等离子体放电中的自由基、尤其是离子的寿命相当短，并且几乎不会被移送到放电区域的外部。另一方面，等离子体内部产生的亚稳物质在大气压下具有更长的寿命，一般为几百毫秒的量级。此更长的寿命允许其被等离子体气流从等离子体容积中运出。显然，最活泼的亚稳物质最先丢失。等离子体余辉越靠近等离子体源，就越活泼。利用按照本发明的这种新颖等离子体喷射装置，样品能够从实际等离子体源中上长到2mm。实验表明，当使用具有径向或向外延伸的介电体的上述等离子体构造时，仅仅能够实现某些聚合物的稳定活化。
实例
橡胶的等离子体活化
橡胶用经典技术不可能充分活化：橡胶/等离子体源的距离似乎太大。这种情形下，所需的等离子体物质最活泼，因此在撞击橡胶样品之前就丢失了。
当采用诸如图2的U形介电体时，就获得了更活泼的等离子体余辉。
参数：
-功率：400瓦
-频率：70KHz
-等离子体气体：65升空气/分钟
-前体：无
-等离子体余辉的温度：65℃
-橡胶/等离子体源的距离：4mm
-等离子体活化前的表面能量：±20达因
-等离子体活化后的表面能量：＞75达因
-等离子体活化一个星期后的表面能量：62达因。
PVC的等离子体活化
PVC是热敏性的。用经典技术实施的活化不能及时稳定。几个小时之后，活化完全丧失。
当使用U形介电体时，就获得更活泼的等离子体余辉。
-功率：300瓦
-频率：32KHz
-等离子体气体：60升氮气/分钟
-前体：无
-等离子体余辉的温度：60℃
-PVC/等离子体源的距离：5-7mm
-等离子体活化前的表面能量：45达因
-等离子体活化后的表面能量：＞75达因
-等离子体活化一个星期后的表面能量：64达因。
-等离子体活化一个月后的表面能量：56达因。
-等离子体活化四个月后的表面能量：54达因。
活化宽度
如果平坦的样品靠近等离子体余辉，那么等离子体余辉活性物质将在等离子体喷射装置与样品之间的某一区域上方传播。这意味着，活化点比等离子体喷射装置的直径要宽得多。样品越靠近实际等离子体源，活化点就越宽。实验已经证实，利用按照本发明的等离子体喷射装置(利用U形介电体)，此活化点比在相同等离子体条件下利用经典技术的活化点要宽得多。
实例
聚乙烯的等离子体活化
增大活化点的宽度将减少(多-)等离子体喷射装置的整个工作成本。当使用按照本发明的等离子体喷射装置时，就获得了更活泼的等离子体余辉，并且活性物质在更宽区域的上方传播。
-功率：200瓦
-频率：50KHz
-等离子体气体：50升氮气/分钟
-前体：无
-等离子体余辉的温度：65℃
-等离子体喷射装置的直径：15mm
-等离子体活化前的表面能量：32达因
-等离子体活化后的表面能量：62达因
  样本/等离子体源的距离(mm)：   均质活化点的宽度(mm)(62达因)
  2,5   45
  4   41
  6   25
  8   22
  10   22
  12,5   22
  15   22
  20   18
  30   7
  35   3
利用经典技术，均质活化点的宽度在样品/等离子体喷射装置的距离为1.5mm时最大，为32mm。
聚丙烯的等离子体活化
增大活化点的宽度将减少(多-)等离子体喷射装置的整个工作成本。当使用按照本发明的等离子体喷射装置时，就获得了更活泼的等离子体余辉，并且活性物质在更宽区域的上方传播。
-功率：200瓦
-频率：50KHz
-等离子体气体：50升空气/分钟
-前体：无
-等离子体余辉的温度：65℃
-等离子体喷射装置的直径：15mm
-等离子体活化前的表面能量：36达因
-等离子体活化后的表面能量：70达因
  样本/等离子体源的距离(mm)：   均质活化点的宽度(mm)(70述因)
  2,5   48
  4   45
  6   26
  8   22
  10   22
  12,5   22
  15   22
  20   20
  30   12
  35   4
利用经典技术，均质活化点的宽度在样品/等离子体喷射装置的距离为1.5mm时最大，为33mm。
等离子体气体/等离子体功率的消耗
样品越靠近实际等离子体区的事实结果是，活泼物质在余辉中丢失的越少。如此与经典等离子体喷射装置相比，用更低的气体和/或功率消耗就能获得相同的效果。此最终优点可看作是前面两个优点的间接结果。
实验已经表明，获得相同的等离子体活化效果所需的气体和/或功率更少。这样的实验可由技术人员来实施。

Claims (15)

1.一种用于对物品实施等离子体处理的等离子体喷射装置，包括：
●细长的中心电极(2)，
●细长的圆柱形外电极(1)，所述外电极围绕所述中心电极并与所述中心电极共轴，
●共轴设置在所述外电极与所述中心电极之间的电绝缘体(3)，其中所述中心电极与所述电绝缘体之间限定了具有远端和近端的放电腔，
●设置在所述放电腔的所述远端的供应口(6)，所述供应口用于向所述放电腔提供等离子体生成气体，
●用于向所述中心电极与所述外电极之间提供电压的电源(9)，
其特征在于，所述电绝缘体在所述近端处以径向放置的环(20)延伸到所述外电极的外表面之外。
2.根据权利要求1所述的等离子体喷射装置，其特征在于，所述电绝缘体在所述外电极的外表面向所述远端进一步延伸(21)。
3.根据权利要求1或2所述的等离子体喷射装置，其特征在于，所述中心电极的外表面与所述电绝缘体(4)的内表面之间的距离在0.1至10mm之间。
4.根据权利要求1-3任一项所述的等离子体喷射装置，其特征在于，所述电源(9)被布置成可提供1至10kV的交流或脉冲直流电压。
5.根据权利要求1-4任一项所述的等离子体喷射装置，其特征在于，所述电极(1，2)是管状的。
6.根据权利要求1-4任一项所述的等离子体喷射装置，其特征在于，所述外电极(1)包括基本上平行于中心电极(2)的前后侧面(70，71)。
7.根据权利要求6所述的等离子体喷射装置，其特征在于，所述中心电极(2)包括沿中心电极的整个长度(61)、在近端的圆形延伸部(30)。
8.根据权利要求1-7任一项所述的等离子体喷射装置，其特征在于，还包括贯穿中心电极(2)的供应管(7)，所述供应管用于将活性化合物直接引入近端的等离子体余辉内。
9.一种用于对物品实施等离子体处理的等离子体喷射装置，包括：
●中心电极(15)，
●2个外电极(16，17)，所述外电极在所述中心电极的两侧，并且与所述中心电极基本上平行，
●基本上平行设置在所述外电极与所述中心电极之间的2个电绝缘体(18，19)，其中所述中心电极与所述电绝缘体之间限定了具有远端和近端的放电腔，
●设置在所述放电腔的所述远端的供应口(6)，所述供应口用于向所述放电腔提供等离子体生成气体，
●用于向所述中心电极与外电极之间提供电压的电源(9)，
其特征在于，所述电绝缘体在所述近端处向外延伸到外电极的外表面之外。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述电绝缘体在所述外电极的外表面向所述远端进一步延伸(41)。
11.根据权利要求9或10所述的装置，其特征在于，还包括贯穿所述中心电极的供应管(7)，所述供应管用于将活性化合物直接引入所述近端的等离子体余辉内。
12.根据权利要求9-11任一项所述的装置，其特征在于，所述中心电极(15)是平板电极。
13.根据权利要求9-11任一项所述的装置，其特征在于，所述中心电极包括沿所述中心电极的整个长度(61)、且在近端的圆形延伸部(30)。
14.一种用于生成等离子体流的方法，包括如下步骤：
●提供按照权利要求1-8任一项的等离子体喷射装置，
●通过所述供应口提供等离子体气流，
●通过所述供应口(6)和/或所述中心电极提供活性化合物(例如单体)流，从而将所述活性化合物在等离子体的开放端引入等离子体放电中，以及
●向所述中心电极与外电极之间提供1至100kV的电压。
15.一种用于生成等离子体流的方法，包括如下步骤：
●提供按照权利要求9-13任一项的等离子体喷射装置，
●通过所述供应口提供等离子体气流，
●通过所述供应口(6)和/或所述中心电极提供活性化合物(例如单体)流，从而将活性化合物在等离子体的开放端引入等离子体放电中，以及
●向所述中心电极与外电极之间提供1至100kV的电压。
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