CN106686876A - 一种微波等离子体源和远程微波等离子体装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波等离子体源和远程微波等离子体装置，包括微波等离子体源，微波等离子体源装入不同形式的真空室内，构成不同形式的远程微波等离子体装置，微波等离子体源由微波腔、产生等离子体的介质容器和产生微波的磁控管及其供电电源组成，微波腔由矩形波导制成，在矩形波导一端离短路板距离为λg/4处，磁控管的天线在圆孔中心伸入矩形波导，磁控管的天线距这一端的短路板18.6mm，介质管的一端接装有进气口的法兰，与介质管通过O形胶圈形成真空密封连接。用本远程微波等离子体装置可进行多种物件的表面处理，可使得物件表面变得更加光滑，产量增加，对水的接触角从未处理的115°减少到85°。

Description

一种微波等离子体源和远程微波等离子体装置

技术领域

本发明涉及一种微波等离子体源和远程微波等离子体装置。

背景技术

我国有丰富的牦牛毛资源，其纤维弹性好，有羊绒感，手感柔软、细腻、滑爽，而且价格低，在结构与性能上与羊毛相似，有很高的经济价值。但由于牦牛毛表面鳞片结构比羊毛更密集突出，在表面形成了疏水层，导致对染料的吸附上染具有阻碍作用，给牦牛毛的开发及应用带来了困难“3。目前国内外对牦牛毛的表面改性多采用化学腐蚀法(主要有甲酸法、尿素法、溶剂法及特种氧化还原法等)，通过化学试剂与牦牛毛鳞片层的化学反应将鳞片结构破坏并逐步消除，以达提高上染率、改善染色性能的目的。这些方法虽然在解决牦牛毛染色问题上有显著成效，但大多存在工艺复杂、成本高、公害严重等弊病，另外若工艺控制不好还将严重损伤纤维结构及性能，因而不宜推广应用于工业化生产。所以人们期待一种简单有效、低成本、环保无公害的改性方法，即不破坏牦牛毛纤维自身的结构及性能，又能合理削弱表面鳞片层，彻底提升牦牛毛达纤维的可染性。目前，等离子体技术作为一项新颖的加工技术在材料表面改性及加工、高分子材料合成、医疗卫生、生态环境等领域有着广泛应用、并很快渗透到微电子、光电子、计算机科学等高新领域。在纺织行业，采用等离子体对纺织纤维材料进行表面改性，打破了传统的化学改性模式，能有效改善纤维亲水性、染色性能以及功能高分子材料与纤维的粘合力等，具有改性效果显著、工艺简单、流程短、无污染，成本低等优点；同时由于等离子体活性种仅作用于纤维材料的表面层，而不至于破坏纤维的主体结构及性能，因而将等离子体技术用于纤维改性是近年来国内、外热门课题之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用本远程微波等离子体装置可进行多种物件的表面处理，可使得物件表面变得更加光滑，产量增加，对水的接触角减少。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种微波等离子体源和远程微波等离子体装置，包括微波等离子体源，微波等离子体源装入不同形式的真空室内，构成不同形式的远程微波等离子体装置，微波等离子体源由微波腔、产生等离子体的介质容器和产生微波的磁控管及其供电电源组成，微波腔由矩形波导制成，在矩形波导一端离短路板距离为λg/4处，有介质制成的管穿过H面，矩形波导的另一端的H面的中轴线上开一个圆孔安装磁控管，磁控管的天线在圆孔中心伸入矩形波导，磁控管的天线距这一端的短路板18.6mm，介质管的一端接装有进气口的法兰，与介质管通过O形胶圈形成真空密封连接，进气口通过O形胶圈与气路系统的输气管道相连接，介质管的另一端通过密封法兰和O形胶圈与真空室形成真空密封连接。

作为优选的技术方案，矩形波导内腔H面的中轴线上，距离靠近介质管的短路板1/2～5/8λg处设置有一个金属圆柱销钉。

作为优选的技术方案，所述远程微波等离子体装置包括一玻璃钟罩，玻璃钟罩用O形胶圈与底盘法兰形成真空室。

作为优选的技术方案，所述底盘法兰上有两个接口，一个接口采用密封法兰和O形胶圈将微波等离子体源接入真空室，另一个接口采用KF快卸法兰将真空系统与真空室相连接。

作为优选的技术方案，所述真空系统包括真空规管、粗调节流阀和细调节流阀、放气阀、截断放气阀、通过真空管路连接的真空泵，空规管、粗调节流阀和细调节流阀、放气阀、截断放气阀、真空泵依次连接安装。

作为优选的技术方案，所述玻璃钟罩通过夹持系统套在固定的有导轨的立柱上，通过电机上下移动。

本发明的有益效果是：用本远程微波等离子体装置可进行多种物件的表面处理，可使得物件表面变得更加光滑，产量增加，对水的接触角从未处理的115°减少到85°。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明微波等离子体源的结构示意图；

图2为远程微波等离子体装置的结构示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1所示，主要由微波腔、产生等离子体的介质容器和产生微波的磁控管1及其供电电源6组成。微波腔由矩形波导2制成。矩形波导2内腔尺寸为a×b(通常a＝2b,特殊矩形波导的尺寸为例外)。微波的波长为λ，矩形波导2传输TE10模的波导波长为λg＝λ/。

取一段长度为nλ/2(n＝2,3,…)的矩形波导，两端为短路板封口。在矩形波导一端离短路板距离为λg/4处，有介质(石英、耐热玻璃或陶瓷等)制成的管穿过H面(宽边面，亦即内腔宽为a的面)。

矩形波导的另一端的H面的中轴线上开一个圆孔，安装磁控管1。磁控管的天线在圆孔中心伸入矩形波导，磁控管的天线距这一端的短路板约18.6mm左右。介质管3的一端接装有进气口的法兰，与介质管3通过O形胶圈形成真空密封连接。

进气口通过O形胶圈与气路系统的输气管道相连接。气路系统包括气体钢瓶及气体、流量控制器、截止阀、输气管道等。

介质管的另一端通过密封法兰和O形胶圈4与真空室5(亦是放置物件进行远程微波等离子体表面处理的反应室)形成真空密封连接。介质管穿出矩形波导并靠近波导的一部分用金属管(或金属网卷成的管)包围，以防止工作时的微波泄漏导致对人体及环境的损害。

在矩形波导内腔H面的中轴线上，距离靠近介质管的短路板约(1/2～5/8)λg处附近，有一个金属圆柱销钉7，用来匹配微波等离子体源的微波阻抗，使微波等离子体源工作时反射回磁控管的微波尽量减小以保护磁控管。磁控管需风冷或水冷使其能长期稳定工作。

由本微波等离子体源装入不同形式的真空室，可以构成各种形式的远程微波等离子体装置。本专利是用玻璃钟罩构成一种远程微波等离子体装置。见图2。

玻璃钟罩8用O形胶圈9与底盘法兰10形成真空室(亦即远程微波等离子体反应室)。底盘法兰10上有两个接口，一个接口是用密封法兰和O形胶圈将微波等离子体源接入真空室。另一个接口是用KF快卸法兰将真空系统与真空室相连接。

真空系统包括真空规管11(通过真空计检测工作气压)、粗调节流阀12和细调节流阀13、放气阀14，然后接真空泵用的截断放气阀15、相应的真空管路,最后接真空泵16。通过真空泵气体排出口将装置中抽出的无害气体用排气管道排出户外，或将有害气体排到废气处理器进行无害化处理。

玻璃钟罩8通过夹持系统套17在固定的有导轨的立柱18上，用电机(或手持)上下移动，将玻璃钟罩8从底盘法兰10抬起，可将待处理的物件(或包括盛放物件的网格状容器)装入远程微波等离子体反应室。

然后将玻璃钟罩8放下到底盘法兰10上，开动真空泵16，抽至本底真空后输入工作气体和参与反应的反应气体(这里统称工作气体)。这时启动微波等离子体源，在微波等离子体源的介质管中产生的等离子体输入到反应室，与待处理的物件表面相互作用。当调节工作气体流量、压强、微波功率等参数达到工艺要求后，处理至规定时间。然后相继关闭工作气体、真空泵、微波等离子体源，打开放气阀，使反应室内达到大气压，并取出处理好的物件。

用本远程微波等离子体装置可进行多种物件的表面处理。举例加以说明。

例1牦牛毛和藏羊毛处理。经净洗剂和清水洗净并晾干预处理后，放入本装置。本底真空2Pa，通入N2气，流量50sccm，压强120Pa，2.45GHz微波功率200W，处理时间20min。SEM(扫描电镜)照片显示未处理的牦牛毛和藏羊毛纤维表面鳞片结构明显，处理后纤维表面鳞片结构被极大地削弱，表面变得光滑平整。用SF600-PLUS型电脑测色仪，按Color Match国际通用标准测试上染率K/S值，牦牛毛从处理前的2.84提高到4.71，藏羊毛从处理前的2.32提高到3.29。

一、测试报告：样品

羊毛、牦牛毛(由西藏拉萨市邮政信箱13—033号提供)

二、测试目的

受湖北国威高科技有限公司委托，研究样品经微波等离子体处理后，纤维表面结构的变化，以及染色性能的变化情况。

三、测试指标

1、处理后样品的失重率及处理前后的电子扫描显微镜SEM照片，用于表征纤维表面刻蚀及鳞片结构的变化。

2、处理前后样品的染色K/S值，用于表征纤维染色深度的变化。

四、主要实验仪器

微波等离子体处理装置(湖北国威高科技有限公司研制)，SF600-PLUS型电脑测色仪(美国DATACOLOR公司)，NY-2800型电子扫描显微镜(美国)，AE-200万分之一电子天平(瑞士)。

五、实验

1、实验流程：

样品预处理→微波等离子体处理→测失重→染色→后处理→测K/S值

2、测试方法：

①失重率＝(处理前重量—处理后重量)/处理前重量。

②染色K/S值：用SF600-PLUS型电脑测色仪,按Corlor Match国际通用标准测试。

③SEM扫描照片：NY-2800型电子扫描显微镜镀银法测试。

六、测试结果

羊毛及牦牛毛样品经微波等离子体处理前后的SEM形貌(见附件)

七、结论

①样品经微波等离子体处理后，有明显的失重现象，失重率较高，表明微波等离子体对羊毛及牦牛毛表面有较强的刻蚀作用。SEM扫描照片也证明了微波等离子体处理对羊毛及牦牛毛表面的鳞片结构有明显消弱作用。

②样品经微波等离子体处理后，染色K/S值明显增大，染色深度大幅提高，其中尤以牦牛毛更为突出。

③结果表明，微波等离子体处理对羊毛及牦牛毛表面有较强的改性作用，消弱了鳞片结构可显著改善毡缩性；染色性能有大幅提高。

例2聚四氟乙烯(PTFE)薄膜(厚0.5mm)放入本装置。本底真空2Pa，通入H2气，流量50sccm，压强200Pa，2.45GHz微波功率350W，处理时间60s，对水的接触角从未处理的115°减少到85°。

将这种一个或多个微波等离子体源装入各种各样的真空反应室，可组成能满足各种不同需求的远程微波等离子体装置。二是远程微波等离子体装置。这种远程微波等离子体装置结构简单，操作方便，成本低廉。可用于高聚物物件，包括块体、薄膜、纤维以及纺织品的表面改性。例如高聚物物件经本装置处理后，可与其它高聚物、金属或陶瓷粘结，其粘结强度比未经处理的高聚物物件的粘结强度要大为提高。又例如高聚物物件经本装置处理后，表面会表现出亲水性或者疏水性、可染性、抗菌性、可粘结性、抗粘结性等等新的表面性能。用本装置处理能出现各种新的表面性能，尚依赖于参与处理的等离子体工艺参数，包括气体种类、流量及分布、反应室气体压强、输入的微波功率、处理物件与等离子体源的距离和处理时间等等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种微波等离子体源和远程微波等离子体装置，其特征在于：包括微波等离子体源，微波等离子体源装入不同形式的真空室内，构成不同形式的远程微波等离子体装置，微波等离子体源由微波腔、产生等离子体的介质容器和产生微波的磁控管及其供电电源组成，微波腔由矩形波导制成，在矩形波导一端离短路板距离为λg/4处，有介质制成的管穿过H面，矩形波导的另一端的H面的中轴线上开一个圆孔安装磁控管，磁控管的天线在圆孔中心伸入矩形波导，磁控管的天线距这一端的短路板18.6mm，介质管的一端接装有进气口的法兰，与介质管通过O形胶圈形成真空密封连接，进气口通过O形胶圈与气路系统的输气管道相连接，介质管的另一端通过密封法兰和O形胶圈与真空室形成真空密封连接。

2.如权利要求1所述的微波等离子体源和远程微波等离子体装置，其特征在于：矩形波导内腔H面的中轴线上，距离靠近介质管的短路板1/2～5/8λg处设置有一个金属圆柱销钉。

3.如权利要求1所述的微波等离子体源和远程微波等离子体装置，其特征在于：所述远程微波等离子体装置包括一玻璃钟罩，玻璃钟罩用O形胶圈与底盘法兰形成真空室。

4.如权利要求1所述的微波等离子体源和远程微波等离子体装置，其特征在于：所述底盘法兰上有两个接口，一个接口采用密封法兰和O形胶圈将微波等离子体源接入真空室，另一个接口采用KF快卸法兰将真空系统与真空室相连接。

5.如权利要求4所述的微波等离子体源和远程微波等离子体装置，其特征在于：所述真空系统包括真空规管、粗调节流阀和细调节流阀、放气阀、截断放气阀、通过真空管路连接的真空泵，空规管、粗调节流阀和细调节流阀、放气阀、截断放气阀、真空泵依次连接安装。

6.如权利要求3所述的微波等离子体源和远程微波等离子体装置，其特征在于：所述玻璃钟罩通过夹持系统套在固定的有导轨的立柱上，通过电机上下移动。