CN106216193A - 一种磁场微波放电等离子体聚合表面涂层装置及方法 - Google Patents

一种磁场微波放电等离子体聚合表面涂层装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种磁场微波放电等离子体聚合表面涂层装置及方法，属于等离子体技术领域。其特征是，在真空室内放置待处理的基材；通入载体气体和单体蒸汽；微波源产生的微波在放电腔内与电磁线圈或永久磁铁的磁场共同作用发生放电，使单体发生聚合并沉积在基材表面形成聚合物涂层，微波源连续输出微波进行等离子体态聚合表面涂层，微波源断续输出微波进行等离子体引发聚合表面涂层。通过本发明的装置及方法通入的载体气体压力低，单体扩散良好，从而使得制备的等离子体聚合表面涂层更加均匀。

Description

一种磁场微波放电等离子体聚合表面涂层装置及方法
技术领域
本发明属于等离子体技术领域，具体涉及到一种磁场微波放电等离子体态聚合及等离子体引发聚合表面涂层装置及方法，用于在基材表面制备聚合物涂层。
背景技术
等离子体聚合是利用放电把有机类气态单体等离子体化，使其产生各类活性种，由这些活性种之间或活性种与单体之间进行加成反应形成聚合物的方法。等离子体聚合可分为等离子体态聚合和等离子体引发聚合两种形式，它们的区别是：等离子体态聚合整个反应过程中单体完全暴露于等离子体环境，而等离子体引发聚合中气体只在短时间内通过辉光放电形成的等离子体,使单体蒸气发生气相反应生成活性中心，引发单体蒸气在长时间无等离子体的后续过程中进行聚合反应。等离子体态聚合与等离子体引发聚合有各自的优缺点。几乎所有的单体都可以发生等离子体态聚合，但等离子体态聚合产物存在结构复杂，反应重现性差，处理效果随时间衰减等问题。另一方面，等离子体引发聚合方式可以较少破坏单体的结构，保留单体优良性能，使聚合产物结构较为单一，易于形成线性大分子产物，还能够通过与材料表面发生接枝反应增强表面的附着力，使涂层效果不随时间衰减，但只有特定的单体能够发生等离子体引发聚合。等离子体态聚合与等离子体引发聚合在不同方面有各自的应用价值。
等离子体态聚合一般通过连续辉光放电实现，这为相关领域技术人员所熟知。现有的等离子体引发聚合技术通过脉冲调制高频辉光放电实现。例如文献《表面涂层》(CN1190545C)公开了一种疏水和/或疏油基材，其中包括利用脉冲调制高频辉光放电制备聚合物涂层的方法；文献《通过低压等离子体工艺施加保形纳米涂层的方法》(CN201180015332.1)也涉及利用脉冲调制高频辉光放电制备聚合物涂层的方法。这些现有技术，无论是等离子体态聚合技术还是等离子体引发聚合技术，都需要充入1-1000Pa的载体气体来维持放电，其缺点是：所充入的载体气体压力较高，单体扩散不良，从而造成涂层不均匀。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种磁场微波放电等离子体态聚合/等离子体引发聚合表面涂层装置及方法，以解决现有技术载体气体压力较高，单体扩散不良，从而造成涂层不均匀的问题。
本发明所采用的技术方案如下：
一种磁场微波放电等离子体聚合表面涂层装置，其特征在于：在真空室的顶部或侧面安装圆柱形放电腔；放电腔外部安装电磁线圈或永久磁铁；放电腔远离真空室的一端安装有微波窗口，并与微波波导一端连接，微波波导另一端连接微波源；载体气体管路一端连接载体气体源，另一端连接放电腔，并在放电腔远离真空室的一端开口；单体蒸汽管路一端连接单体蒸汽源，另一端连接真空室并在真空室内靠近放电腔处开口；真空排气管设置在真空室远离放电腔的一侧，连接真空泵。
所述的一种磁场微波放电等离子体聚合表面涂层装置，其特征在于：所述放电腔的直径为13cm-20cm。
一种磁场微波放电等离子体聚合表面涂层方法，其特征在于：主要包括以下步骤：
(1)在真空室内放置待处理的基材；
(2)打开载体气体源和单体蒸汽源，通入载体气体和单体蒸汽；
(3)微波源产生的微波在放电腔内与电磁线圈或永久磁铁的磁场共同作用发生放电，使单体发生聚合并沉积在基材表面形成聚合物涂层；微波源连续输出微波进行等离子体态聚合表面涂层，微波源断续输出微波进行等离子体引发聚合表面涂层。
所述步骤(2)中的载体气体，气压在10-2-1Pa之间。
所述步骤(3)中的微波和磁场的关系为磁感应强度B(T)与微波频率f(GHz)满足B(T)＝0.0357f(GHz)。
所述步骤(3)中的断续输出微波，微波输出时间为2-100μs，微波中断时间为1-100ms。
本发明的上述技术方案与现有技术相比具有以下优点：
通过本发明的装置及方法通入的载体气体压力低，规避了由于高压力造成单体扩散速度过快、扩散不均匀问题，也规避了纳米薄膜聚合、沉积厚薄不均问题。低压力可以让单体扩散的速度和化学气相沉积的速度保持良好的适应性和匹配性，从而使得制备的涂层更加均匀。
附图说明
图1是实现本发明方法的装置示意图。
图中：1、真空室，2、放电腔，3、电磁线圈，4、微波窗口，5、微波波导，6、微波源，7、载体气体管路，8、载体气体源，9、单体蒸汽管路，10、单体蒸汽源，11、真空排气管，12、真空泵，13、基材。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例详细说明本发明，但本发明并不局限于具体实施例。
在图1中，在真空室的侧面安装圆柱形放电腔；放电腔外部安装电磁线圈；放电腔远离真空室的一端安装有微波窗口，并与微波波导一端连接，微波波导另一端连接微波源；载体气体管路一端连接载体气体源，另一端连接放电腔，并在放电腔远离真空室的一端开口；单体蒸汽管路一端连接单体蒸汽源，另一端连接真空室并在真空室内靠近放电腔处开口；真空排气管设置在真空室远离放电腔的一侧，连接真空泵。
在真空室内放置待处理的基材；用真空泵将真空室抽至10-4-10-3Pa；打开载体气体源使载体气体经载体气体管路进入放电腔及真空室，维持气压在10-2-1Pa之间；打开单体蒸汽源使单体蒸汽经单体蒸汽管路进入真空室；给电磁线圈供电使其在放电腔内建立磁场，磁感应强度B(T)与微波频率f(GHz)的关系满足B(T)＝0.0357f(GHz)；打开微波源产生微波，微波经微波波导进入放电腔与电磁线圈的磁场共同作用发生放电，使单体发生聚合并沉积在基材表面形成聚合物涂层。微波源连续输出微波进行等离子体态聚合表面涂层，微波源断续输出微波进行等离子体引发聚合表面涂层，微波源断续输出微波时，微波输出时间为2-100μs，微波中断时间为1-100ms。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征，本领域的技术人员应该了解本发明不受上述实施例的限制，上述的实施例和说明书描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书和等效物界定。

Claims (6)

1.一种磁场微波放电等离子体聚合表面涂层装置，其特征在于：在真空室(1)的顶部或侧面安装圆柱形放电腔(2)；放电腔(2)外部安装电磁线圈(3)或永久磁铁；放电腔(2)远离真空室的一端安装有微波窗口(4)，并与微波波导(5)一端连接，微波波导(5)另一端连接微波源(6)；载体气体管路(7)一端连接载体气体源(8)，另一端连接放电腔(2)，并在放电腔(2)远离真空室(1)的一端开口；单体蒸汽管路(9)一端连接单体蒸汽源(10)，另一端连接真空室(1)并在真空室(1)内靠近放电腔(2)处开口；真空排气管(11)设置在真空室(1)远离放电腔(2)的一侧，连接真空泵(12)。
2.根据权利要求1所述的一种磁场微波放电等离子体聚合表面涂层装置，其特征在于：所述放电腔(2)的直径为13cm-20cm。
3.一种磁场微波放电等离子体聚合表面涂层方法，其特征在于：主要包括以下步骤：
(1)在真空室(1)内放置待处理的基材(13)；
(2)打开载体气体源(8)和单体蒸汽源(10)，通入载体气体和单体蒸汽；
(3)微波源(6)产生的微波在放电腔(2)内与电磁线圈(3)或永久磁铁的磁场共同作用发生放电，使单体发生聚合并沉积在基材(13)表面形成聚合物涂层；微波源(6)连续输出微波进行等离子体态聚合表面涂层，微波源(6)断续输出微波进行等离子体引发聚合表面涂层。
4.根据权利要求3所述的一种磁场微波放电等离子体聚合表面涂层方法，其特征在于：所述步骤(2)中的载体气体，气压在10-2-1Pa之间。
5.根据权利要求3所述的一种磁场微波放电等离子体聚合表面涂层方法，其特征在于：所述步骤(3)中的微波和磁场的关系为磁感应强度B(T)与微波频率f(GHz)满足B(T)＝0.0357f(GHz)。
6.根据权利要求3所述的一种磁场微波放电等离子体聚合表面涂层方法，其特征在于：所述步骤(3)中的断续输出微波，微波输出时间为2-100μs，微波中断时间为1-100ms。
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