CN102080145A

CN102080145A - 一种常压等离子体改性船体钢表面的方法

Info

Publication number: CN102080145A
Application number: CN2011100299556A
Authority: CN
Inventors: 刘峰; 辛永磊; 李相波
Original assignee: 725th Research Institute of CSIC
Current assignee: 725th Research Institute of CSIC
Priority date: 2011-01-22
Filing date: 2011-01-22
Publication date: 2011-06-01

Abstract

本发明属于等离子体表面处理技术领域，涉及一种等离子体束改性处理船体钢表面的方法，采用干法改性一步直接完成船体钢表面的改性；先将常压等离子体改性处理用的喷枪对准待处理的船体钢工件部位，使喷枪距离工件表面10-20mm的位置相对工件匀速平行移动，在常压、常温和开放环境下将等离子体束喷射至船体钢工件表面，对船体钢工件表面进行常压等离子体改性处理；等离子体选自空气、氩气、氮气或功能性气体中的一种或多种；功能性气体为氨气、氧气、硅烷、硅氧烷气体、丙烯酸和甲基丙烯酸的蒸汽的组合气体；其工艺简单，流程短，可控性强，自动化程度高，能耗低，易实现工业化生产，环境污染小。

Description

一种常压等离子体改性船体钢表面的方法

技术领域：

本发明属于等离子体表面处理技术领域，涉及一种使用常压等离子体束改性处理船体钢表面的方法，特别是一种有助于对有机涂料粘接的材料表面处理方法。

背景技术：

海洋环境是十分严酷的腐蚀环境，船舶长期处于这样的海洋环境中，腐蚀极其严重，涂料与钢材表面的牢固结合是涂料发挥防腐功能的前提，钢材表面的锈、氧化皮、油污等阻碍了涂料与钢材表面结合，因此在涂装之前必须对基材表面进行预处理。目前船体钢表面预处理方式有溶剂清洗、喷砂、喷丸和磷化等，这些方式对于提高涂料结合力具有各自的优势，但同时存在着不足之处，特别是难以满足船舶对涂料长期防护的要求，以及在处理过程中产生废液和粉尘等污染环境并对操作人员身体造成严重威胁。常压等离子体技术是在常压下击穿空气放电，产生的低温等离子体具有极强的化学活性，在室温下可以引起多种化学反应或物理刻蚀，而基质材料的本体性能不受影响。通过低温等离子体表面处理的材料表面会发生多种的物理和化学变化，或产生刻蚀而粗糙，或形成致密的交联层，或引入含氧极性基团，使材料表面清洁和活化，改善材料表面的亲水性和粘结性等性能。由于射流等离子体本身并不带电，和材料表面不产生电势差，因此，可以极其高效的清洗和活化各种金属材料表面。中国专利CN1913928A记载了在钛、不锈钢等金属表面采用偶联剂处理方式形成配位键，提高与聚合物的结合力，但是金属材料需要在氢氟酸中腐蚀，再在硝酸中钝化，再经过蒸馏水清洗和干燥，过程复杂，难以大规模应用；中国专利CN101032802记载了常压等离子体抛光方法，在硬脆性难加工材料表面实现超光滑加工，提高了加工效率约10倍、不需要真空室，降低了设备成本并可扩大应用范围；中国专利CN101321614A记载了常压等离子体处理复合材料结构体的方法，采用此项技术能够提高复合材料结构体对另一种结构体的粘接强度；文献(M.C.Kim，Surfacetreatment of metals using an atmospheric pressure plasma jetand their surface characteristics，Surface and CoatingsTechnology 174-175(2003)839-844)研究表明常压等离子体处理铝、铜、不锈钢等金属表面能够高效的清除表面油污，并引入C-O基团。对钢材表面预处理是提高涂料结合力的重要手段，因此，能够高效清除油污，提高表面活性和润湿性，以及降低处理成本是研究的重点。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种使用常压等离子体改性处理船体钢表面的方法，通过气体放电在钢基底表面上产生氧化活性粒子，活化钢基底材料，提高钢基底的表面能和润湿性，能够从被处理的表面除去使有机涂料粘接劣化的元素，表面活化与清洁可提高有机涂料与钢基底材料之间的结合强度。

为了实现上述目的，本发明采用干法改性，在大气压、室温和开放的环境条件下一步直接完成船体钢表面的改性；先将常压等离子体改性处理用的喷枪对准待处理的船体钢工件部位，使喷枪距离工件表面10-20mm的位置相对工件匀速平行移动，在常压、常温和开放环境下将等离子体束喷射至船体钢工件表面，喷枪功率为300W-700W，行进速度0.1-10m/min，对船体钢工件表面进行常压等离子体改性处理；等离子体选自空气、氩气、氮气或功能性气体中的一种或多种，其中氩气和氮气的纯度为99.9％和摩尔比为80％-99.9％，功能性气体摩尔比为0.1-20％，同时流经放电区域形成等离子体气氛；功能性气体为氨气、氧气、硅烷、硅氧烷气体、丙烯酸和甲基丙烯酸的蒸汽的一种或两种以上组合气体。

本发明与现有技术相比，其改性方法工艺简单、流程短，可控性强，无需后处理，自动化程度高，能耗低、连续运作易实现工业化大规模生产，环境污染小；处理船体钢表面活性基团增多，表面能与润湿性增加，船体钢表面结构和强度不受影响。

附图说明：

图1为本发明使用的喷涂处理装置结构原理示意图，其中包括等离子体发生器1、220V电源2、空气增压机3通过软管与等离子体发生器1相连接，等离子体喷嘴4、接地线5、高压线6、传输气体的软管7与等离子体发生器1相连接，功能性气体8和船体钢工件9。

图2的a和b分别为本发明对船体钢表面处理前和后的水滴形状示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图作进一步说明。

本实施例采用干法改性，在大气压和室温、开放的环境条件下一步直接完成船体钢表面的改性；先将常压等离子体处理设备的喷枪对准待处理的船体钢工件部位；常压等离子体处理设备的喷枪在距离工件表面10-20mm的位置相对工件匀速移动，在常压和开放环境下，将等离子体束喷射至工件表面，处理功率为300W-700W，行进速度0.1-10m/min，对工件表面进行常压等离子体改性处理；等离子体选自空气、氩气、氮气或功能性气体中的一种或多种，其中氩气、氮气的纯度为99.9％，其摩尔比为80％-99.9％，功能性气体为0.1～20％，同时流经放电区域形成等离子体气氛；功能性气体为氨气、氧气、硅烷、硅氧烷气体、丙烯酸和甲基丙烯酸的蒸汽的一种或两种以上组合气体。

本实施例将船体钢加工成尺寸50mm*120mm*3mm，然后用石英砂喷砂清除表面锈以及油污，选取等离子体发生器功率500W，空气流量25m³/h，等离子体在内、外电极之间的区域中产生，并由压缩空气吹出，射流火焰长度为15mm，直径为10mm，样品距离枪口15mm，等离子体喷枪以5m/min的速度行进，往复运动，处理时间3min。

本实施例测试与评价时，应用到接触角的概念来衡量改性处理效果。接触角是评价材料表面润湿性的重要指标，物理上有意义的接触角的范围是0°～180°，接触角为0°时表示液体在固体表面上完全铺展开，直到形成一单分子薄层；接触角在0°到30°之间表示液体对固体表面有很好的润湿性，能较好铺展开，这一范围对许多工艺过程都是很重要的，如油漆、涂料、清洗、粘结等；接触角在30°～90°之间表示液体对固体表面有一定的润湿性。金属表面的润湿性是影响涂层与金属表面结合的重要因素，一般认为金属表面的接触角越小，即润湿性越好，则涂层树脂与金属界面的结合强度越高，接触角是评价材料表面润湿性的直接指标。选用接触角测试机型号为

-DSACOO，水滴为30μL，每个样品表面取5个点分别对本发明改性处理的船体钢表面测接触角，结果取平均值；图2的a和b分别给出了船体钢样品表面射流等离子体处理前后水滴的形状，从图2a中看出，处理前样品表面水滴呈半圆形，接触角为83.7°，从图2b中看到，等离子体处理后，水滴均匀平铺在样品表面，接触角为25.2°，表明本实施例所采用的常压等离子体处理后，样品表面接触角明显减小，实现液体对船体钢材料表面很好的润湿性。材料表面经等离子体改性后往往不是立即进行下一步工艺(如涂装等)，因此改性效果的时效性对于后续工艺的品质以及成本将产生重要影响，为了检测处理效果的时效性，将处理后的样品放置于空气中，每隔1-2天测试接触角，效果良好。

Claims

1.一种常压等离子体改性船体钢表面的方法，其特征在于采用干法改性一步直接完成船体钢表面的改性；先将常压等离子体改性处理用的喷枪对准待处理的船体钢工件部位，使喷枪距离工件表面10-20mm的位置相对工件匀速平行移动，在常压、常温和开放环境下将等离子体束喷射至船体钢工件表面，喷枪功率为300W-700W，行进速度0.1-10m/min，对船体钢工件表面进行常压等离子体改性处理；等离子体选自空气、氩气、氮气或功能性气体中的一种或多种，其中氩气和氮气的纯度为99.9％和摩尔比为80％-99.9％，功能性气体摩尔比为0.1-20％，同时流经放电区域形成等离子体气氛；功能性气体为氨气、氧气、硅烷、硅氧烷气体、丙烯酸和甲基丙烯酸的蒸汽的一种或两种以上组合气体。