CN111642051A - 一种用于材料表面处理的阵列式等离子体装置 - Google Patents

一种用于材料表面处理的阵列式等离子体装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于材料表面处理的阵列式等离子体装置，包括等离子体处理装置，高压驱动单元、输气单元、控制单元；所述等离子体处理装置内设有放电气体室，所述放电气体室一侧设置有气体通入口，所述放电气体室上部接高压板电极，下部连接地带孔板电极，接地带孔板电极的孔处安装有等离子体输出管，所述高压板电极上连接有高压驱动单元，所述气体通入口连接输气单元，所述输气单元、高压驱动单元和等离子体处理装置分别与控制单元连接。本发明可提高材料表面处理的均匀性、避免丝状放电对材料表面的随机灼伤、增加处理面积、降低了处理条件，提高了等离子体表面改性效果的稳定性和时效性。

Description

一种用于材料表面处理的阵列式等离子体装置
技术领域
本发明属于材料表面处理技术领域，具体涉及一种用于材料表面处理的阵列式等离子体装置。
背景技术
表面处理技术包括表面改性、接枝、聚合、沉积、刻蚀等等，因不同应用需求而异，优势在于不改变基体性能，而是通过对材料表面进行定向处理，实现材料表面的功能化，如改善表面疏水、耐电、阻隔、粘附和可印染性等，在电气、食品、医疗和石油化工等诸多领域具有广阔的应用前景。
低温等离子体由于富含荷能、荷电等活性粒子，在材料表面改性时，能够短时内引起材料表面化学键断裂，形成大量高活性的悬挂键，改善表面微观形貌和耐电性能等，被视为具有潜力的干式、低温表面处理技术。
然而，随着研究和应用的不断深入，发现带有间隙的介质阻挡型放电等离子体在开放的空气中可以对薄膜材料(如聚四氟乙烯、聚乙烯等)进行线上连续处理，即时效果良好。但也暴露出该技术在材料表面处理应用中的一些问题，如处理效果的时效性差(如“疏水性恢复”现象严重)，开放气体氛围中的等离子体均匀性低，对不规则形状材料表面处理难度大，射流型等离子体有效作用面积小、阵列式放电不均匀等瓶颈问题。
现有的等离子体材料表面处理装置，除了面-面型介质阻挡放电在非常小的气体间隙(一般小于2mm)时可能产生宏观均匀的放电(如上述用于薄膜处理)外，多数无法避免放电在空间分布的随机性与分散性，如在空气、氩气、氮气、氧气等气体氛围中的丝状放电，不能保证材料的均匀处理效果，难以对材料进行连续、大面积处理。
发明内容
鉴于此，本发明提供了一种用于材料表面处理的阵列式等离子体装置，能够根据材料表面形貌和表面功能化要求产生均匀放电等离子体，实现对不规则材料表面的大面积连续处理，获得不同应用效果，如亲水性、疏水性、粘附性、防污性能和耐电性能等。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种用于材料表面处理的阵列式等离子体装置，其特征在于，包括等离子体处理装置、高压驱动单元、输气单元、控制单元；
所述等离子体处理装置内设有放电气体室，所述放电气体室一侧设置有气体通入口，放电气体室上部接高压板电极，下部连接地带孔板电极，所述高压板电极和接地带孔板电极组成介质阻挡结构，接地带孔板电极的孔处安装有等离子体输出管，在高压板电极和接地带孔板电极靠放电气体室侧均覆盖绝缘介质；
所述高压板电极上连接有高压驱动单元，所述气体通入口连接输气单元，所述输气单元、高压驱动单元和等离子体处理装置分别与控制单元连接，所述控制单元控制高压驱动单元输出所需电压，控制单元控制输气单元输出的气体流量，控制单元控制等离子体处理装置的参数设置。
进一步地，所述介质阻挡结构为板-板型，所述高压板电极为平板。
进一步地，所述介质阻挡结构为针-板型，所述高压板电极带有阵列针电极，所述针电极直径为0.5mm-3mm，全长为5mm，针尖曲率半径为10um-50um，针电极覆盖阻挡介质或不覆盖阻挡介质。
进一步地，所述接地带孔板电极上孔的直径为0.5mm-1.0mm，孔间距1cm。
进一步地，所述等离子体输出管的直径为0.5mm-1.0mm，长度为1mm-10mm可调，等离子输出管为绝缘介质或金属管。
进一步地，所述针电极和接地带孔板电极的孔呈一一对应的共轴布置，针电极和接地带孔板电极的净间距为0.5mm-5mm。
进一步地，所述放电气体室直径大小可调，最小为单孔结构，放电气体室直径不小于2mm，内部的净高度为0.5mm-5mm。
进一步地，所述等离子体处理装置形状为圆形、椭圆形或方形。
进一步地，所述高压板电极和接地带孔板电极上覆盖的绝缘介质选择聚四氟乙烯、陶瓷、玻璃。
进一步地，所述高压驱动单元的电压幅值0-100kV可调，频率0.1Hz-100kHz可调，高压驱动单元尺寸不大于10cm*5cm*5cm，可利用干电池或移动电源或市电供电，所述输气单元通过控制单元可调节气体流量和气体混合比例，气体流量在0.5slm-10slm。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：
本发明通过在放电气体室内的介质阻挡结构，产生微小间隙的均匀放电等离子体，然后利用等离子体电流体动力学原理自动将等离子体经由等离子体输出管向外输出，作用于待处理材料表面，提高材料表面处理的均匀性、避免丝状放电对材料表面的随机灼伤、增加处理面积、降低了处理条件，提高了等离子体表面改性效果的稳定性和时效性，该装置既可以固定使用，亦可以手持使用，对实现材料表面处理高效、经济的工业应用具有重要意义和实际价值。
附图说明
图1是本发明一种用于材料表面处理的阵列式等离子体装置结构示意图；
图2是本发明一种用于材料表面处理的板-板型阵列式等离子体处理装置的结构示意图；
图3是本发明一种用于材料表面处理的针-板型阵列式等离子体处理装置的结构示意图；
图4是本发明中接地带孔板电极的结构示意图；
图5是本发明中针电极的结构示意图。
图中，1-气体通入口，2-高压板电极，3-放电气体室，4-接地带孔板电极，5-等离子体输出管，6-针电极，7-孔。
具体实施方式
以下将配合实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
本发明实施例公开了一种用于材料表面处理的阵列式等离子体装置，其结构示意图如图1所示，包括等离子体处理装置，高压驱动单元、输气单元和控制单元。
如图2和图3所示，等离子体处理装置内均设有放电气体室3，放电气体室3上设置有气体通入口1，放电气体室3上部接高压板电极2，下部连接地带孔板电极4，高压板电极3和接地带孔板电极4组成介质阻挡结构，接地带孔板电极4的孔7处安装有等离子体输出管5，在高压板电极2和接地带孔板电极4靠放电气体室3侧均覆盖绝缘介质，绝缘介质选择聚四氟乙烯、陶瓷、玻璃，接地带孔板电极4上孔7的直径为0.5mm-1.0mm，孔7间距1cm，等离子体输出管5的直径为0.5mm-1.0mm，长度为1mm-10mm可调，等离子输出管5为绝缘介质或金属管。等离子体处理装置为圆形、椭圆形、方形等形状的中空绝缘腔体，放电气体室3直径大小可调，最小为单孔结构，放电气体室3直径不小于2mm，内部的净高度为0.5mm-5mm。
介质阻挡结构有板-板型(如图2)，高压板电极3为平板；介质阻挡结构有针-板型(如图3)，高压板电极3带有阵列针电极6。
图4为接地带孔板电极结构示意图，带针电极6的高压板电极2和带孔接地板电极4，针电极6和接地带孔电极4的孔7呈一一对应的共轴布置，针电极6和接地带孔电极4的净间距为0.5mm-5mm。
图5为针电极的结构示意图，其直径为0.5mm-3mm，全长为5mm，针尖曲率半径为10um-50um，针电极覆盖阻挡介质或不覆盖阻挡介质。
高压板电极2上连接有高压驱动单元，气体通入口1连接输气单元，输气单元、高压驱动单元和等离子体处理装置分别与控制单元连接，控制单元控制高压驱动单元输出所需电压，控制单元控制输气单元输出的气体流量，控制单元控制等离子体处理装置的参数设置。
工作原理：通过控制单元控制气体流速和混合比例，利用高压驱动单元输出所需高电压，驱动气体放电等离子体，在放电气体室3内产生的等离子体经由等离子体输出管5喷出，作用于待处理材料表面。阵列式等离子体装置的等离子体有效面积大于1mm2，被处理的材料最佳尺寸为宽度小于等于等离子体有效面积，厚度可调。高压驱动单元的电压幅值0-100kV可调，频率0.1Hz-100kHz可调，高压驱动单元尺寸不大于10cm*5cm*5cm，属于便携式结构，可利用干电池或移动电源或市电供电，输气单元通过控制单元可调节气体流量和气体混合比例，工作气体可根据应用需求选择使用，一般如空气、氮气、氧气、惰性气体、含氟气体等，气体流量可以调节，一般建议控制在0.5slm-10slm。
上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于材料表面处理的阵列式等离子体装置，其特征在于，包括等离子体处理装置、高压驱动单元、输气单元、控制单元；
所述等离子体处理装置内设有放电气体室，所述放电气体室一侧设置有气体通入口，放电气体室上部接高压板电极，下部连接地带孔板电极，所述高压板电极和接地带孔板电极组成介质阻挡结构，接地带孔板电极的孔处安装有等离子体输出管，在高压板电极和接地带孔板电极靠放电气体室侧均覆盖绝缘介质；
所述高压板电极上连接有高压驱动单元，所述气体通入口连接输气单元，所述输气单元、高压驱动单元和等离子体处理装置分别与控制单元连接，所述控制单元控制高压驱动单元输出所需电压，控制单元控制输气单元输出的气体流量，控制单元控制等离子体处理装置的参数设置。
2.根据权利要求1所述的一种用于材料表面处理的阵列式等离子体装置，其特征在于，所述介质阻挡结构为板-板型，所述高压板电极为平板。
3.根据权利要求1所述的一种用于材料表面处理的阵列式等离子体装置，其特征在于，所述介质阻挡结构为针-板型，所述高压板电极带有阵列针电极，所述针电极直径为0.5mm-3mm，全长为5mm，针尖曲率半径为10um-50um，针电极覆盖阻挡介质或不覆盖阻挡介质。
4.根据权利要求1所述的一种用于材料表面处理的阵列式等离子体装置，其特征在于，所述接地带孔板电极上孔的直径为0.5mm-1.0mm，孔间距1cm。
5.根据权利要求1所述的一种用于材料表面处理的阵列式等离子体装置，其特征在于，所述等离子体输出管的直径为0.5mm-1.0mm，长度为1mm-10mm可调，等离子输出管为绝缘介质或金属管。
6.根据权利要求3所述的一种用于材料表面处理的阵列式等离子体装置，其特征在于，所述针电极和接地带孔板电极的孔呈一一对应的共轴布置，针电极和接地带孔板电极的净间距为0.5mm-5mm。
7.据权利要求1利要求所述的一种用于材料表面处理的阵列式等离子体装置，其特征在于，所述放电气体室直径大小可调，最小为单孔结构，放电气体室直径不小于2mm，内部的净高度为0.5mm-5mm。
8.根据权利要求1所述的一种用于材料表面处理的阵列式等离子体装置，其特征在于，所述等离子体处理装置形状为圆形、椭圆形或方形。
9.根据权利要求1-3任一权利要求所述的一种用于材料表面处理的阵列式等离子体装置，其特征在于，所述高压板电极和接地带孔板电极上覆盖的绝缘介质选择聚四氟乙烯、陶瓷、玻璃。
10.根据权利要求1所述的一种用于材料表面处理的阵列式等离子体装置，其特征在于，所述高压驱动单元的电压幅值0-100kV可调，频率0.1Hz-100kHz可调，高压驱动单元尺寸不大于10cm*5cm*5cm，可利用干电池或移动电源或市电供电，所述输气单元通过控制单元可调节气体流量和气体混合比例，气体流量在0.5slm-10slm。
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