CN106622715A - 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

本发明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。该装置中，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源，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，具体涉及到一种等离子体聚合表面涂层装置及方法。
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，从而造成批处理涂层均匀性不良。对于实际工业应用，批处理涂层的均匀性是衡量产品质量的一项重要指标。随着目前聚合物涂层应用的扩展，涂层均匀性要求越来越高，现有技术已不能满足这些应用对涂层均匀性的要求。
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，从而造成批处理涂层均匀性不良的问题。
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，微波窗口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，且连接真空泵。
所述放电腔的直径为13cm-20cm，材质为金属。
所述微波源产生的微波频率为0.3-6GHz。
所述微波源能够连续输出微波或断续输出微波，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。
所述电磁线圈或永久磁铁的磁感应强度B(T)满足公式B(T)＝0.0357f(GHz)，其中f(GHz)是微波频率；满足上述公式的磁场和微波的作用下，电子回旋运动频率等于微波频率，电子对微波电场能量吸收效率最高。
一种利用所述的磁场微波放电等离子体聚合表面涂层装置进行表面涂层的方法，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，在常温下开启真空泵，将真空室及放电腔内真空度抽到10-4-10-3Pa；
(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，维持真空室及放电腔内的真空度为10-2-1Pa；
(3)、打开微波源，微波源产生的微波与电磁线圈或永久磁铁的磁场在放电腔内共同作用发生放电，使单体蒸汽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)中的载体气体为氩气或氦气中的一种或两种的混合物，气压在10-2-1Pa之间。
本发明的上述技术方案与现有技术相比具有以下优点：
现有技术利用电极间电场直线加速电子使气体电离。由于电子加速区间为电极间距，距离短，为了达到电离所需的碰撞概率，气压不能低于1Pa。通过本发明的装置及方法，电子吸收微波电场能量获得加速，在磁场作用下做回旋运动，引起气体放电产生等离子体。本发明利用磁场和微波共同作用使电子回旋加速，从而大幅延长电子运动路程，在10-2-1Pa的低气压下也能达到电离所需的碰撞概率，引起气体放电产生等离子体。
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慢、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。
实施例1
如图1所示，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，所述电磁线圈3的磁感应强度B(T)满足公式B(T)＝0.0357f(GHz)，其中f(GHz)是微波频率；放电腔2远离真空室的一端安装有微波窗口4，微波窗口4与微波波导5一端连接，微波波导5另一端连接微波源6，微波源6产生的微波频率为0.3GHz，微波源6能够连续输出微波或断续输出微波，微波源6断续输出微波时，微波输出时间为2μs，微波中断时间为1ms；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，放电腔2的直径为13cm，材质为金属，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，且连接真空泵12。
实施例2
一种利用实施例1所述的磁场微波放电等离子体聚合表面涂层装置进行表面涂层的方法，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，在常温下开启真空泵，将真空室及放电腔内真空度抽到10-3Pa；
(2)、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，载体气体为氩气，维持真空室及放电腔内的气压在1Pa；打开单体蒸汽源使单体蒸汽经单体蒸汽管路进入真空室，所述单体蒸汽含有至少一个不饱和碳碳键，其中一个不饱和碳原子上不含取代基，所述单体的结构中可以含有卤素官能团或其他官能团，所述卤素官能团为F,Cl,Br,I中一种或多种，其他官能团为羟基，羧基，环氧基团，硅氧基团中一种或多种，例如单体为二甲基乙烯基乙氧基硅烷；
(3)、给电磁线圈供电使其在放电腔内建立磁场；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，使单体蒸汽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。
实施例3
如图1所示，在真空室1的顶部或侧面安装圆柱形放电腔2；放电腔2外部安装永久磁铁，所述永久磁铁的磁感应强度B(T)满足公式B(T)＝0.0357f(GHz)，其中f(GHz)是微波频率；放电腔2远离真空室的一端安装有微波窗口4，微波窗口4与微波波导5一端连接，微波波导5另一端连接微波源6，微波源6产生的微波频率为6GHz，微波源6能够连续输出微波或断续输出微波，微波源6断续输出微波时，微波输出时间为100μs，微波中断时间为100ms；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，放电腔2的直径为20cm，材质为金属，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，且连接真空泵12。
实施例4
一种利用实施例3所述的磁场微波放电等离子体聚合表面涂层装置进行表面涂层的方法，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，在常温下开启真空泵，将真空室及放电腔内真空度抽到10-4Pa；
(2)、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，载体气体氦气，维持真空室及放电腔内的气压在10-2Pa；打开单体蒸汽源使单体蒸汽经单体蒸汽管路进入真空室，所述单体蒸汽含有至少一个不饱和碳碳键，其中一个不饱和碳原子上不含取代基，所述单体的结构中可以含有卤素官能团或其他官能团，所述卤素官能团为F,Cl,Br,I中一种或多种，其他官能团为羟基，羧基，环氧基团，硅氧基团中一种或多种，例如单体为甲基丙烯酸三氟乙酯；
(3)、打开微波源产生微波，微波经微波波导进入放电腔与永久磁铁的磁场共同作用发生放电，使单体蒸汽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。
实施例5
如图1所示，在真空室1的顶部或侧面安装圆柱形放电腔2；放电腔2外部安装永久磁铁，所述永久磁铁的磁感应强度B(T)满足公式B(T)＝0.0357f(GHz)，其中f(GHz)是微波频率；放电腔2远离真空室的一端安装有微波窗口4，微波窗口4与微波波导5一端连接，微波波导5另一端连接微波源6，微波源6产生的微波频率为3GHz，微波源6能够连续输出微波或断续输出微波，微波源6断续输出微波时，微波输出时间为50μs，微波中断时间为50ms；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，放电腔2的直径为15cm，材质为金属，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，且连接真空泵12。
实施例6
一种利用实施例5所述的磁场微波放电等离子体聚合表面涂层装置进行表面涂层的方法，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，在常温下开启真空泵，将真空室及放电腔内真空度抽到10-4Pa；
(2)、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，载体气体为氩气和氦气的混合物，维持真空室及放电腔内的气压在10-1Pa；打开单体蒸汽源使单体蒸汽经单体蒸汽管路进入真空室，所述单体蒸汽含有至少一个不饱和碳碳键，其中一个不饱和碳原子上不含取代基，所述单体的结构中可以含有卤素官能团或其他官能团，所述卤素官能团为F,Cl,Br,I中一种或多种，其他官能团为羟基，羧基，环氧基团，硅氧基团中一种或多种，例如单体为甲基丙烯酸和甲基丙烯酸-2-羟乙酯；
(3)、给电磁线圈供电使其在放电腔内建立磁场；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，使单体蒸汽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。

Claims (7)

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)，微波窗口(4)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，且连接真空泵(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，材质为金属。
3.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：所述微波源(6)产生的微波频率为0.3-6GHz。
4.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：所述微波源(6)能够连续输出微波或断续输出微波，微波源(6)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。
5.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：所述电磁线圈(3)或永久磁铁的磁感应强度B(T)满足公式B(T)＝0.0357f(GHz，)其中f(GHz)是微波频率。
6.一种如权利要求1所述的磁场微波放电等离子体聚合表面涂层装置进行表面涂层的方法，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)，在常温下开启真空泵(12)，将真空室(1)及放电腔(2)内真空度抽到10-4-10-3Pa；
(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，维持真空室(1)及放电腔(2)内的真空度为10-2-1Pa；
(3)、打开微波源(6)，微波源(6)产生的微波与电磁线圈(3)或永久磁铁的磁场在放电腔(2)内共同作用发生放电，使单体蒸汽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。
7.根据权利要求6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)中的载体气体为氩气或氦气中的一种或两种的混合物，气压在10-2-1Pa之间。
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