CN104202897B - Dbd低温等离子体产生装置及聚合物薄膜表面处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料表面处理技术领域，具体公开了一种DBD低温等离子体产生装置及聚合物薄膜表面处理方法，装置包括功率源和DBD等离子体反应器，DBD等离子体反应器的反应室内设置有至少3层介质板，相邻介质板之间具有间隙；方法是采用前述DBD低温等离子体产生装置进行处理。本发明的每两层介质板之间都能够放电形成均匀良好的低温等离子体，处于中间位置的每一层介质板两侧均可处理聚合物薄膜，覆盖在两个电极上的介质板能够处理一层聚合物薄膜，能够提高单次处理的聚合物薄膜的数量和面积；应用该方法处理聚合物薄膜的单次处理量增加、处理效率高。

Description

DBD低温等离子体产生装置及聚合物薄膜表面处理方法

技术领域

本发明涉及材料表面处理技术领域，具体地，涉及一种DBD低温等离子体产生装置及聚合物薄膜表面处理方法。

背景技术

聚合物薄膜普遍具有良好的电气绝缘性能，如聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚酰亚胺等，已被广泛应用于电气、电工、电子、化工等工业领域，但大部分薄膜表面亲水性较差且耐高温能力较差，所以需要对其运用温和且有效的处理方法。使用介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge，DBD）产生的低温等离子体具有很好的非平衡性，如温和的气体温度及较高的电子温度，非常适合对聚合物薄膜材料进行表面处理。

有关低温非平衡等离子体在聚合物薄膜表面处理的应用研究已经得到了广泛关注及开展，相比于化学处理等方法，低温等离子体具有无污染、处理时间段、耗能少、处理效率高等优点。低温等离子体具有许多活性粒子，如光子、电子、离子、激发态粒子及其他中性粒子，这些粒子与聚合物薄膜表面相互作用时只发生在薄膜的表层，不会改变薄膜本身的特性。

适用于聚合物薄膜表面处理工业应用的等离子体应具有大面积、大体积及均匀等特点，研究结果表明介质阻挡放电等离子体反应器结构、电极材料、工作气体、功率源等构成均是影响低温等离子体特性的重要因素，其中用于聚合物薄膜表面处理的DBD反应器多为平行平板型或圆柱型，通过改变电极及介质材料、结构等特点尚未完全实现大面积的薄膜处理，目前尚停留在实验室研究阶段。

现有的用于聚合物薄膜材料表面处理的DBD反应器，处理时须将薄膜样品紧贴于介质层的表面，与等离子体接触的一面得到改性。通常平行平板型等离子体反应器由两个金属电极以及金属电极间的一层或两层介质层组成，通过对金属电极施加电压只能在两介质层间形成低温等离子体，限制了均匀等离子体大体积大面积的形成，且限制了大面积聚合物薄膜处理的实现。如果增加电极面积则极易导致等离子体的不均匀性，极易损坏介质层及薄膜材料，导致处理效果较差，处理效率较低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种DBD低温等离子体产生装置，该装置具有多层介质板，单次处理的薄膜材料面积得到较大增加，本发明还提供了使用该DBD低温等离子体产生装置对聚合物薄膜进行表面处理的方法。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

DBD低温等离子体产生装置，包括功率源和DBD等离子体反应器，所述DBD等离子体反应器的反应室内设置有2个金属电极，其中一个金属电极连接功率源的高压输出端，另一个金属电极接地，2个金属电极相对的两个端面相互平行，两个金属电极之间设置有至少3层介质板，相邻介质板之间具有间隙。

优选的，上述间隙的宽度为0.5mm-3mm。

作为本发明的进一步改进，相邻介质板之间设置有垫片，该垫片将相邻两个介质板隔开，使相邻的两个介质板之间形成上述间隙。

优选的，上述介质板呈矩形状，相邻介质板之间设置有4个垫片，4个垫片分别位于介质板的四个角上。

进一步，所述金属电极为平板电极或圆柱形电极。

进一步，所述金属电极为圆形平板状铜电极，直径为120mm-140mm，电极边缘具有3mm-6mm倒角，所述介质板采用石英介质板。

作为本发明的又一改进，上述DBD低温等离子体产生装置，还包括气瓶、电阻分压器和取样电阻；所述DBD等离子体反应器的反应室设置有进气口和排气口，该进气口通过进气管路与气瓶相连，进气管路上还设置有流量计；所述电阻分压器的输入端连接在功率源的高压输出端和与功率源的高压输出端相连的金属电极之间；未与功率源的高压输出端相连的金属电极通过取样电阻接地。

聚合物薄膜表面处理方法，采用上述任一方案中的DBD低温等离子体产生装置进行处理，具体包括以下步骤：

S1、DBD等离子体反应器通电，在所有介质板之间形成稳定的放电低温等离子体；

S2、DBD等离子体反应器断电，取出介质板，将待处理的聚合物薄膜贴到介质板表面上，其中，靠近金属电极的2个介质板仅在远离金属电极的一个表面上贴聚合物薄膜，其余介质板两个表面均贴聚合物薄膜，聚合物薄膜与介质板之间无气泡；

S3、将贴好聚合物薄膜的介质板放回到DBD等离子体反应器的反应室中；

S4、DBD等离子体反应器再次通电，对聚合物薄膜进行表面处理；

S5、处理完毕后，取出介质板，取下聚合物薄膜。

进一步，在将待处理的聚合物薄膜在贴到介质板表面之前还进行了以下处理：

（1）将待处理的聚合物薄膜采用酒精超声清洗5分钟；

（2）将采用酒精超声清洗后的聚合物薄膜真空干燥1小时。

进一步，步骤S5中，取下聚合物薄膜时还对与等离子体接触的一面进行标记，步骤S5之后还进行了如下处理：

（a）将步骤S5中取下的聚合物薄膜采用酒精超声清洗5分钟；

（b）将步骤（a）中采用酒精超声清洗后的聚合物薄膜真空干燥1小时。

综上，本发明的有益效果是：

1、本发明的DBD低温等离子体产生装置采用至少3层介质板，使得每两层介质板之间都能够放电形成低温等离子体，处于中间位置的每一层介质板两侧均可处理薄膜材料，覆盖在两个电极上的介质板能够处理一层薄膜，能够提高单次处理的薄膜的数量和面积；

2、本发明的DBD低温等离子体产生装置能够获得大面积大体积的低温放电等离子体，通过驱动功率源的功率、气体间隙距离、工作气体种类的调节，在每两个介质板之间的气体间隙获得均匀良好的低温等离子体，并用于薄膜材料表面处理，实现薄膜表面水接触角的减小、薄膜表面亲水性的改善；

3、本发明对工作条件及驱动功率源没有特殊严苛的要求，总体可产生大面积的均匀放电，对薄膜、介质及电极均无损伤，保证材料的基体特性即可，通用性强。

4、采用本发明的聚合物薄膜表面处理方法可以大大提高聚合物薄膜的处理量和处理效率。

附图说明

图1是本发明的DBD低温等离子体产生装置的结构示意图；

图2是实施例4中的DBD低温等离子体产生装置的结构示意图；

图3 为几种气隙间距下处理后的聚合物薄膜的表面水接触角比较图。

附图中标记及相应的零部件名称：1-功率源；2-DBD等离子体反应器；21-金属电极；22-介质板；23-垫片；24-观察窗；25-进气口；26-排气口；3-气瓶；4-流量计；5-电阻分压器；6-取样电阻；7-聚合物薄膜。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

【实施例1】

如图1所示，DBD低温等离子体产生装置，包括功率源1和DBD等离子体反应器2。

所述DBD等离子体反应器2的反应室内设置有2个金属电极21：金属电极A、金属电极B，两个金属电极21之间设置有至少3层介质板22，相邻介质板22之间具有0.5mm-3mm的间隙，该间隙即为放电处理时的气体间隙，以下简称“气隙”，在同一个DBD低温等离子体产生装置中，这些间隙宽度可以全部相等也可以不等；金属电极A接地，金属电极B接功率源1的高压输出端。

两个金属电极21既可采用平行平板电极，也可采用圆柱型电极，只需要2个金属电极21相对的两个端面相互平行即可。

功率源为交流或双极性脉冲或单极性脉冲电源，其中单极性脉冲电源包含上升沿较陡下降沿缓慢或上升沿缓慢下降沿较陡的情况的单极性脉冲电源。

本实施例中，DBD低温等离子体产生装置采用至少3层介质板，使得每两层介质板之间都能够放电形成低温等离子体，增加低温等离子体的体积和与材料表面相互作用的面积，处于中间位置的每一层介质板上下两个表面均可处理薄膜材料，覆盖在两个金属电极21上的介质板22能够在远离金属电极21的一个表面处理一层薄膜，能够提高单次处理的薄膜的数量和面积；从而本实施例的DBD低温等离子体产生装置能够获得大面积大体积的低温放电等离子体，通过驱动功率源的功率、气体间隙距离、工作气体种类的调节，在每两个介质板之间的气体间隙获得均匀良好的低温等离子体，并用于薄膜材料表面处理，实现薄膜表面水接触角的减小，薄膜表面亲水性的改善；DBD低温等离子体产生装置对工作条件及驱动功率源没有特殊严苛的要求，总体可产生大面积的均匀放电，对薄膜、介质及电极均无损伤，保证材料的基体特性即可，通用性强。

【实施例2】

在实施例1的基础上，本实施例中，相邻介质板22之间使用垫片23隔开，使相邻介质板22之间形成有间隙，垫片23的高度即间隙的宽度，由于一般介质板22呈矩形状，本实施例中采用4个垫片23分别设置在相邻介质板22的四个角上。本实施例中，通过垫片23隔开介质板22，提供介质板22之间的放电气隙，非常方便，介质板22的取下和安装也更加方便。

【实施例3】

在实施例1或实施例2的基础上，本实施例中，DBD低温等离子体产生装置，还包括气瓶3、电阻分压器5和取样电阻6。

所述DBD等离子体反应器2的反应室设置有进气口25和排气口26以及观察窗24：排气口26用于对反应室抽真空及排出不需要的气体；进气口25用于通入反应气体，其通过进气管路与气瓶3相连，进气口25与气瓶3之间的进气管路上还设置有流量计4，用以改变及选择气体流速；观察窗24用于观察等离子体放电情况及等离子体特性诊断。实际应用中，流量计数量、气瓶、气体种类可以根据需要设置。

所述电阻分压器5的输入端连接在功率源1的高压输出端和金属电极B之间，用于测量施加在反应室上的电压幅值；金属电极A通过取样电阻6接地，用于测量放电回路电流。

【实施例4】

如图2所示，在实施例3的基础上，本实施例中，反应室内供设置3层介质板21，共采用8个垫片23将3层介质板21隔开，形成2个放电气隙；所有垫片23高1mm，即相邻两个介质板22之间的间隙全部为1mm；金属电极22选择直径为130mm的圆形平板铜电极，电极边缘使用5mm倒角，圆形平板状铜电极导电性能好，电极边缘使用倒角避免放电时周围边界的击穿。实际应用中，金属电极21的直径和倒角的参数可以不仅限于上述，选取在120mm-140mm之间，电极边缘倒角选取在3mm-6mm之间即可。

所述介质板22采用石英介质板，耐高温、易形成均匀放电等离子体，适合用于易发生丝状放电的场合。

本实施例中取样电阻6的阻值为0.2W，电阻分压器5的衰减倍数为4万倍，实际应用中该取样电阻6和电阻分压器5的参数也可以进行调整。

【方法实施例】

聚合物薄膜为高分子化学材料，包括聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚酰亚胺等中的一种或多种，采用DBD低温等离子体产生装置对聚合物薄膜进行处理时需要适当的工作条件及功率源1。工作条件包括反应室气压、工作气体种类及流速、温度、湿度、金属电极21尺寸及材料、介质板22材料及厚度、介质板22间的气体间隙距离等，工作气体可为空气、氩气、氦气、氮气以及其他纯气体或这些气体的混合气体。在选定的工作条件下施加功率源1驱动DBD等离子体反应器2的反应室，每相邻的两层介质板22间形成稳定的放电低温等离子体对聚合物薄膜进行处理，以下采用上述任一实施例中的DBD低温等离子体产生装置对聚四氟乙烯薄膜进行表面处理的方法进行说明：

本实施例中，采用的功率源1为单极性亚微秒级脉冲电源，脉冲重复频率130Hz~1kHz可调，电压幅值0~-100kV可调，脉冲宽度约230ns，脉冲上升沿约120ns；下述的DBD等离子体反应器2通电是指给DBD等离子体反应器2的反应室施加该功率源1，断电即停止施加该功率源1。

聚合物薄膜表面处理方法，具体包括以下步骤：

S1、DBD等离子体反应器2通电，在所有介质板22之间形成稳定的放电低温等离子体，具体地：在常压空气中施加功率源1驱动DBD等离子体反应器1的反应室，介质板22间气隙间距均为1mm，重复频率500Hz，外加电压幅值约为40kV，使每相邻的两层介质板22间形成稳定的放电低温等离子体；

S2、DBD等离子体反应器2断电，断开电源后，取出介质板22，使用透明胶带，将待处理的聚合物薄膜四周紧贴到介质板22表面上，使聚合物薄膜位于介质板22的中间区域，通过调整胶带粘贴方法使聚合物薄膜与介质板22之间没有气泡，平整地贴在介质板22表面，其中，靠近金属电极21的2个介质板22仅在远离金属电极21的一个表面上贴聚合物薄膜，其余介质板22两个表面均贴聚合物薄膜，并对不同位置的聚合物薄膜编号；

S3、将贴好聚合物薄膜的介质板22按原位置放回到DBD等离子体反应器2的反应室中，使粘有聚合物薄膜的区域处于金属电极21之间的中间区域；

S4、DBD等离子体反应器2再次通电，对聚合物薄膜进行表面处理；

S5、在选定的处理时间后取出介质板22，此时表面处理结束，对聚合物薄膜与等离子体接触的一面（即未与介质板22贴合的一面）做标记，取下聚合物薄膜。本实施例中低温等离子体选定的处理时间为30s，处理时间30s时聚四氟乙烯薄膜表面水接触角最小，大于或小于30s时薄膜表面水接触角均会增加。

作为上述方法的进一步改进，在进行低温等离子体表面处理之前也即在将聚合物薄膜贴到介质板22上之前，对待处理的聚合物薄膜进行酒精超声清洗5分钟，真空干燥1小时，制成一定尺寸的薄膜样品备用，并测量薄膜表面水接触角及T型剥离强度；

表面处理结束后取下聚合物薄膜时还对取下的聚合物薄膜再经酒精超声清洗5分钟及真空干燥1小时，测量薄膜表面水接触角及T型剥离强度。

对比采用实施例4中的DBD低温等离子体产生装置按上述方法对聚合物薄膜处理前后的聚四氟乙烯薄膜表面水接触角，处理前的水接触角为118°，处理后的水接触角为72°，处理后，聚合物薄膜表面水接触角明显减小，聚合物薄膜表面亲水性得到了很大的改善。

发明人还对本发明的上述表面处理方法进行了改变气隙间距处理后的对比试验：对比试验仍采用实施例4中的DBD低温等离子体产生装置，等离子体处理器中仍然为3个介质板22，3个介质板22之间的气隙间距相等，选取2个聚四氟乙烯薄膜a、c，a号聚四氟乙烯薄膜分别贴在最上方一个介质板22的下表面，c号聚四氟乙烯薄膜贴在中间一个介质板22的下表面，试验在其他外加条件不变的情况下增加气隙间距，分3次改变气隙间距进行试验，3次试验采用的气隙间距分别为0.5mm、2mm、3mm，实验结果如图3所示：

在其他外加条件不变的情况下增加气隙间距的情况下，放电等离子体的特性如功率、模式都会发生变化，图3中，分别显示了a号聚四氟乙烯薄膜和c号聚四氟乙烯薄膜处理后经酒精清洗和未经酒精清洗的情况下在不同气隙间距的DBD等离子体反应器1中处理后的平均水接触角，填充左斜线的矩形框代表未经清洗的a号聚四氟乙烯薄膜的水接触角、填充右斜线的矩形框代表未经清洗的c号聚四氟乙烯薄膜的水接触角、填充横线的矩形框代表清洗后的a号聚四氟乙烯薄膜的水接触角、填充竖线的矩形框代表清洗后的c号聚四氟乙烯薄膜的水接触角，可以看出，无论是否经清洗，a号聚四氟乙烯薄膜和c号聚四氟乙烯在不同的气隙间距下，其处理后的水接触角变化不大，表明在反应室内依然为均匀放电模式，也就是说增加介质板22数量、减小气隙间距并不会对反应室内的放大造成较大影响，因此可以在反应室内设置多层介质板22增加每次处理的聚合物薄膜的数量，从而增加单次处理的所有薄膜面积。从图3中还可以看出，a、c号聚四氟乙烯薄膜经酒精清洗后其表面水接触角并未增加太多，说明处理后的薄膜表面水接触角特性比较稳定，增加介质板22数量时，也不会对聚四氟乙烯薄膜的处理造成影响，从而可以设置多层介质板22增加一次处理薄膜的数量，从而增加单次处理的所有薄膜面积，提高处理效率。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.聚合物薄膜表面处理方法，其特征在于，采用DBD低温等离子体产生装置进行处理，所述DBD低温等离子体产生装置包括功率源（1）、DBD等离子体反应器（2）、气瓶（3）、电阻分压器（5）和取样电阻（6）；所述DBD等离子体反应器（2）的反应室内设置有2个金属电极（21），其中一个金属电极（21）连接功率源（1）的高压输出端，另一个金属电极（21）接地，2个金属电极（21）相对的两个端面相互平行，两个金属电极（21）之间设置有至少3层介质板（22），相邻介质板（22）之间设置有垫片（23），使相邻介质板（22）之间具有宽度为1mm的间隙；所述DBD等离子体反应器（2）的反应室设置有进气口（25）和排气口（26），该进气口（25）通过进气管路与气瓶（3）相连，进气管路上还设置有流量计（4）；所述电阻分压器（5）的输入端连接在功率源（1）的高压输出端和与功率源（1）的高压输出端相连的金属电极（21）之间；未与功率源（1）的高压输出端相连的金属电极（21）通过取样电阻（6）接地；取样电阻（6）的阻值为0.2W，电阻分压器（5）的衰减倍数为4万倍；所述功率源（1）的重复频率500Hz、电压幅值为40kV；

所述方法具体包括以下步骤：

S1、DBD等离子体反应器（2）通电，在所有介质板（22）之间形成稳定的放电低温等离子体；

S2、DBD等离子体反应器（2）断电，取出介质板（22），将待处理的聚合物薄膜贴到介质板（22）表面上，其中，靠近金属电极（21）的2个介质板（22）仅在远离金属电极（21）的一个表面上贴聚合物薄膜，其余介质板（22）两个表面均贴聚合物薄膜，聚合物薄膜与介质板（22）之间无气泡；

S3、将贴好聚合物薄膜的介质板（22）放回到DBD等离子体反应器（2）的反应室中；

S4、DBD等离子体反应器（2）再次通电，对聚合物薄膜进行表面处理，处理时间为30s；

S5、处理完毕后，取出介质板（22），取下聚合物薄膜。

2.根据权利要求1所述的聚合物薄膜表面处理方法，其特征在于，在将待处理的聚合物薄膜在贴到介质板（10）表面之前还进行了以下处理：

（1）将待处理的聚合物薄膜采用酒精超声清洗5分钟；

（2）将采用酒精超声清洗后的聚合物薄膜真空干燥1小时。

3.根据权利要求1所述的聚合物薄膜表面处理方法，其特征在于，步骤S5中，取下聚合物薄膜时还对与等离子体接触的一面进行标记，步骤S5之后还进行了如下处理：

（a）将步骤S5中取下的聚合物薄膜采用酒精超声清洗5分钟；

（b）将步骤（a）中采用酒精超声清洗后的聚合物薄膜真空干燥1小时。