CN1997773B - 等离子清洗附有机物质的材料表面的方法和实现该方法的装置 - Google Patents

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弗朗索瓦·雷尼耶
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于西纳公司
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    • H01J37/32009Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32348Dielectric barrier discharge
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08CLEANING
    • B08BCLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B7/00Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass
    • B08B7/0035Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass by radiant energy, e.g. UV, laser, light beam or the like
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23GCLEANING OR DEGREASING OF METALLIC MATERIAL BY CHEMICAL METHODS OTHER THAN ELECTROLYSIS
    • C23G5/00Cleaning or de-greasing metallic material by other methods; Apparatus for cleaning or de-greasing metallic material with organic solvents

Abstract

本发明涉及一种用于清洗涂覆有有机物质的材料(4)表面的方法。本发明方法的特征在于它包括以下步骤:将材料(4)导入一个处理室(2),该处理室内的压力在10毫巴至1巴之间,它被供应一种包含至少90%体积氧的气流;以及通过在材料的表面与一个涂覆有绝缘材料的电极(5a,5b,5c,5d,5e,5f,5g)之间传送放电而产生等离子体,从而通过所生成的自由基O的作用将有机物质分解。本发明还涉及一种用于实现所述方法的装置(1)。

Description

等离子清洗附有机物质的材料表面的方法和实现该方法的
装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用压力在10毫巴至1巴之间的等离子体清洗附有机物质的材料
表面的方法,还涉及一种实现该方法的装置,尤其是一种用于清洗金属条带的方法和装置。
[0002] 在本申请文件中,术语"有机物质"应当被理解为包含有碳、氧和氢的任何不溶于 水的化合物。
背景技术
[0003] 从各种生产线上出来的条带通常涂覆有油膜,它可能来自两个来源。首先,该膜可 能是通过喷射保护油而形成的,以便保护条带免受侵蚀。然而,它还有可能来源于在从冷轧 厂或者光整冷轧情形下残留的油膜。在两者情形下,油涂覆重量可能会达到每m2几百mg。 [0004] 在这样的条带上沉积一种金属或者有机涂料需要在脱脂操作期间除去所述油膜, 以便使涂料获得好的附着力。在工业生产线上为实现此目的被通常采用的技术不必使条带 过热以便保持所述钢条带的机械性能。
[0005] 因而,这些技术中最通用的技术包括一个碱洗脱脂操作,它可能或者可能不需要 辅以一个电解过程。为了保护环境的原因,这个过程需要复杂的附属车间等设施,以便对对 环境有毒害的副产品进行后处理。
[0006] 采用其它的技术方案可以防止这样的副产品的生成,比如激光烧蚀法(laser ablation),它具有能以光化学方式使所述有机化合物脱附的作用,但是由于缺乏能源,不 允许条带的处理速度超过10m/min。
[0007] 最近已经发现一种有利的清洗技术,包括利用一种压力接近于大气压的等离子 体,它通过在含氧气体混合物中绝缘材料阻挡层放电(dielectric barrier discharge)而 产生。然后,在所形成的活性氧组分(0° ,等)与油的有机化合物之间发生反应,生成二氧 化碳和水。
[0008] 绝缘材料阻挡层放电具有的特别优点是产生一种冷等离子体,它不会使条带的特 性降低。
[0009] 然而,为了在接近于大气压的压力下获得一种稳定的和均匀的放电,通常需要具 有一种包含有非常显著的氦的混合物。因而在该混合物中氧的比例降低,并且发现这种处 理不是足够的快,可能是因为活性氧化组分的密度低的缘故,但是还因为将被除去的有机 物质发生不合适的聚合的缘故。
[0010] 美国专利US5529631公开了一种塑料的处理方法,其利用一种冷的大气压等离子 体进行处理。在气体混合物中氦任意达到另一种气体体积的25%的情况下,放电是稳定的。 此技术需要通过在容器的入口处和出口处安装一个气锁来严格控制等离子体室内的气压。 将氦用作等离子气体以及设备的复杂性使得该方法昂贵并且很难与传统的真空法一样实 施。而且,不允许条带以大于3m/min的速度运行而脱脂。
[0011] 另外,美国专利US5938854公开了一种清洗塑料和金属表面的方法,通过在空气压力在10托至20巴之间时开始均匀的辉光放电而实现。除了设备复杂之外,工作在这种 空气压力下需要显著地增大放电起弧电压,此电压直接与压力成比例。
发明内容
[0012] 因此,本发明的目的是提供一种方法,用于清洗涂覆有有机物质的材料表面,能够 在至少10m/min的处理速率和在接近于大气压的压力下实现对所述表面的均匀清洗。 [0013] 为实现此目的,本发明的第一主题是一种用于清洗涂覆有有机物质的材料表面的 方法,包括以下步骤:
[0014]-将所述材料导入一处理室,在所述处理室内充置一在IO毫巴至1巴之间压力,所 述处理室被供应一包含至少90%体积氧的气流;以及
[0015]-通过在所述材料的表面与一涂覆有绝缘材料的电极之间进行放电而产生一等离 子体,从而在所生成的自由基0°的作用下将所述有机物质分解。
[0016] 本发明的发明人已经发现,该方法允许衬底被均匀和快速地处理,尽管在主要由 氧气构成的所述气体混合物中所获得的放电不是均匀的。此放电模式看起来象在细丝状放 电与冷弧放电之间。这是因为,由等离子体所生成的不带电的活性组分O。通过流量的作用 被分布在条带的表面上,而与电场无关,并且均匀地除去所述被涂覆有机物质的材料,由于 氧气的比例高因而它们的密度增大。
[0017] 在一个优选实施方法中,再离解(re-dissociate)氧和/或臭氧分子,所述氧和/ 或臭氧分子通过在所述等离子体中产生的自由基O。的再结合而形成。因而有可能增加不 带电活性组分的密度,所述活性组分被分布在条带的表面上而与电场无关,而且改善了该 处理的均匀性。
[0018] 所述再离解可以通过一合适波长的UV(紫外)辐射而实现,其允许通过从所述冷 弧的再化合所生成的臭氧离解成分子氧并离解成基O。。
[0019] 在另一个优选实施方法中,施加一种频率在IO至100kHz之间的正弦电压,以便开 始放电。实际上,这种电压导致在电极间空间内活性组分几乎连续存在,从而使得有可能获 得高的动力产量。
[0020] 在再一个优选实施方法中,在放电方面的能量损耗小于40W/ci^,并且为了开始放 电所施加的电压低于4400V。
[0021] 本发明的发明人事实上已经发现,因油的聚合所产生的抑制作用越大,所施加的
电压就越高,并且该表面处理是不均匀的。这是因为,油的氧化和除去基本上发生在条带的
被放电所影响的地点上,然而从这些更强烈的辉光通道(glow channel)油发生聚合。增大
跨越放电终点的电压将导致电子能量的增加,这更加容易地使油的聚合开始。
[0022] 根据本发明的方法还具有下面的特征,单独地或者组合地:
[0023] _为了开始放电所施加的所述电压是正弦电压;
[0024]-所述材料的形式是一一行进着的条带,借助于在所述行进着的条带的路径上相
继设置的装置,连续地执行所述方法的各个步骤;
[0025]-相继处理所述条带的一表面,接着处理另一表面;
[0026]-要被处理的材料是一种金属材料,最好是碳钢;以及
[0027]-在涂料被沉积在所述表面之前,执行所述方法,以便使金属材料的表面脱脂。[0028] 本发明的第二主题是提供一种装置,所述装置包括至少一模块,所述模块包括:一 处理室;用于将所述室内的压力设定成一个在10毫巴至1巴之间的值的装置;用于使所述 接地的条带行进至所述室中的行进装置;一系列朝向要处理的所述条带的表面设置的涂覆 有绝缘材料的电极,这些电极被连接到一正弦高电压发生器上;用于向所述室供应气体的 供应装置;以及用于从所述室中排出因涂覆在所述条带上的有机物质分解所产生的气体的 排出装置。
[0029] 在一个优选实施中,所述装置包括一系列的偶数个的所述模块,所述条带在所述
模块内部相继运行通过,依次将它的表面之一暴露给所述模块的电极。
[0030] 在另一实施例中,所述装置还包括被设置在所述电极之间的UV发射灯。
附图说明
[0031] 下面将结合附图,通过对两个示例性的而非局限性的实施例的描述,对本发明进 行详细描述,其中:
[0032] 图1示出根据本发明的一种处理装置的示意图;
[0033] 图2示出根据本发明的一种处理装置的示意图,用于对以运行着的条带的形式的 材料的两个表面进行连续处理;
[0034] 图3A和3B示出被用UV辐射处理(图3B)和没有用所述辐射处理(图3A)的条 带表面的两个图象;
[0035] 图4示出在另外施加253nm的UV辐射期间,氧基密度的增加情况;
[0036] 图5示出氧基密度作为放电时所施加电流强度I的函数的相关性;
[0037] 图6示出条带上的保护性油膜涂覆重量作为被施加给它的电子量It/S的函数的
变化情况;
[0038] 图7示出被采用电子量为21mC/cm2的放电进行脱脂的条带表面的Auger (奥格) 电子光谱。
具体实施方式
[0039] 图1示出根据本发明的一种用于实现本发明方法的装置的示意图,以处理一种比 如由碳钢制成的金属条带。该装置包括一个模块l,该模块由一个处理室2组成,在处理室 2中设有一个冷却辊3,金属条带4围绕该冷却辊3运行。辊3和条带4被接地。泵(未示 出)允许该室2内的压力被设定成一个在10毫巴至1巴之间的值。涂覆有一种绝缘材料 (氧化铝)的电极5a,5b,5c,5d,5e,5f和5g被设置成面对所述条带4。这些电极5a,5b, 5c,5d,5e,5f和5g被连接到由一个中频正弦波发生器6 (其频率在10至100kHz之间)提 供的高电压上。所述高电压电极5a,5b,5c,5d,5e,5f和5g也被冷却。为了使放电所耗能 量最佳化,所述高电压电极5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f和5g允许电极间的距离发生变化。 [0040] 所述模块还包括用于向所述室供应气体的装置,以及用于从所述室中排出因涂覆 在条带4上的有机物质分解所产生的气体的装置(这些装置未被示出)。 [0041] 在此特别实施例中,UV灯7a, 7b, 7c, 7d, 7e和7f被设置在所述高电压电极5a, 5b, 5c,5d,5e,5f和5g之间,从而一方面允许在放电方面的处理更均匀,另一方面允许从电极 间的体积内形成的臭氧离解。因而,条带4可以通过源自臭氧的离解吸水性的0。基、远离电极间空连续地脱脂,该臭氧通过施加所述额外UV(253nm)辐射而被感应。
[0042] 图2是根据本发明的一种装置的示意图,该装置包括一连串的四个模块10, 11, 12
和13,用于对一条运行着的条带14的两面进行连续的处理。这四个模块10, 11, 12和13被
通过中间组件连接到一起,中间组件容置有泵组和注气系统,其确保该装置被暴露到气流
中并因而确保所述处理是均匀的,而与非均匀放电的特性无关。
[0043] 实例
[0044] 以静态模式在小尺寸(20至25cm2)的条带上进行了试验,这些条带被涂覆有一种 保护性油膜(Quaker Chemical的Tinnol 200® ),因为要完成脱脂它是必需的,以便在涂
覆涂料之前模拟一次清洗处理。 [0045] 所用装置
[0046] 所述试验是在一个绝缘材料阻挡层反应器中进行的,该反应器包括一个涂覆有 0. 7mm厚氧化铝层的电极和一个接地金属电极,要被处理的条带被放置其上。所述涂覆有氧 化铝的电极被连接到所述高电压(350至4400V)上。该高电压由一个中频(3至30kHz)正 弦波发生器供电。这两个电极设有一个冷却系统,以便在等离子体操作期间允许它们保持 在接近于环境温度的温度下。
[0047] 所述电极间距离可以被设定在1毫米至几十毫米之间。 [0048] 实例1
[0049] 对两条涂覆有186mg/m2保护性油层的相同的碳钢条带进行处理。对于两个处理, 其它的参数都相同,即: [0050] -200毫巴的氧;
[0051] -12kHz正弦电压;3. 6kV ;电流:30mA ; [0052]-电极间距离5mm。
[0053] 图3A和3B所示的条带处理不同之处仅在于,在一种情形下施加了 UV辐射,而在 另一种情形下没有。
[0054] 图3示出了通过在仅有氧的情况下开始放电,被采用UV(253nm)辐射处理(图3B) 和没有采用辐射处理(图3A)的条带表面的图象。黑色区域对应于所述已被脱脂的区域, 在这些区域油已经聚合。
[0055] 可以看到,除了放电之外还施加UV辐射,其结果是减少了油的聚合,从而在较短 的时间内实现更好的清洗。
[0056] 通过施加其波长与臭氧的离解吸水性一致的UV辐射,导致氧基在条带表面上均 匀分布,这使得油进行了冷燃烧。
[0057] 除了放电之外施加UV辐射,不仅使得氧基能够在条带表面上更均匀地分布,而且 还增加了 O基的密度,所有放电参数(电压,电压的应用频率,电流,压力和电极间距离)都 保持恒定。
[0058] 图4示出在施加253nmUV辐射期间,通过发射光谱学(OES)分析,氧基密度的增长 情况。受激氧基的发生波长约为777nm。此图示出777nm辐射的电流强度1777作为与时间 t的函数关系。图中的不同区域对应于下面的阶段:
[0059]-区域A :没有施加放电或者UV辐射。所记录的强度与背景噪声相符; [0060]-区域B :在纯氧情况下已经施加了放电,而没有施加UV辐射;[0061]-区域C :除了放电之夕卜,已经施加了 253nm的UV辐射; [0062]-区域D :保持了 UV辐射,但是没有了放电; [0063]-区域E :UV辐射被停止并恢复了背景噪声。 [0064] 实例2
[0065] 图5利用发射光谱学的方法显示出,活性氧化组分0。的密度随着放电时所施加 的电流强度呈直线地变化。
[0066] 图中所示的放电电流,既在恒定电压下通过改变V的施加速率从而改变绝缘材料 的阻抗发生变化,又在恒定频率下通过改变电压发生变化。图5因而示出,活性组分的密 度仅仅依赖于放电电流的强度,并且在任何情况下都不受在恒定电流下放电电压的影响。 这意味着,在仅仅因所施加的电压而不同的功率电平下,有可能获得相同的活性组分密度, 电流保持恒定。然而,已经发现,电压太高会导致油的聚合,这将趋向于抑制存在于条带表 面上的有机残留物的氧化速率。此外,工业应用需要在放电时消耗最小的能量密度(小于 40W/cm2 • s)。从而,使条带脱脂所需的放电条件是通过使电流达到最大值以使所施加的电 压最小而获得的。
[0067] 在恒定电流情况下放电的功率对脱脂速率的影响显示在下表中,包括两个测试,
是通过改变所施加的正弦电流的频率而进行的:
[0068]
<table>table see original document page 7</column></row> <table>
[0069] 因而还可以看到,当放电电流相同时,并经过一个相同的处理时间,脱脂的效率在
低压下较好,因而功率较低。 [0070] 实例3
[0071] 采用根据本发明的方法,对一条涂覆有186mg/mM呆护性油的20ci^条带进行处理。 在此情形下,在压力为350毫巴的氧气流中开始放电。由再结合的自由基O。所形成的氧 和/或臭氧分子未被再离解。图6示出条带上保护性油的涂覆重量作为电子量It/S(即, 电子电流密度乘以处理时间)的函数的变化情况。气流的应用使得条带的处理均匀,这是 通过切线入射的红外吸收光谱法(IRRAS)证实的。
[0072] 图7示出被采用电子量为21mC/cm2的放电进行脱脂的条带表面的Auger电子光 谱。仅仅存在铁和氧峰值。在273eV附近没有碳峰值证实条带被完全脱脂了。

Claims (11)

  1. 用于清洗涂覆着有机物质的材料表面的方法,其特征在于,它包括以下步骤:将所述材料导入一处理室,在所述处理室内充置一在10毫巴至1巴之间压力,所述处理室被供应一包含至少90%体积氧的气流;以及通过在所述材料的表面与一涂覆有绝缘材料的电极之间进行非均匀的放电而产生一等离子体,从而在所生成的自由基O°的作用下将所述有机物质分解。
  2. 2. 按照权利要求1所述的方法,其特征在于,再离解氧和/或臭氧分子,所述氧和/或臭氧分子通过在所述等离子体中产生的自由基0°的再结合而形成,所述再离解通过一合适波长的uv辐射而实现。
  3. 3. 按照权利要求1或2所述的方法,其特征在于,为了开始放电而施加的电压是一正弦电压并且其频率在10至100kHz之间。
  4. 4. 按照权利要求1或2所述的方法,其特征在于,在放电方面的能量损耗小于40W/cm2,并且为了开始放电所施加的所述电压低于4. 4kV。
  5. 5. 按照权利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述材料的形式是一行进着的条带;借助于在所述行进着的条带的路径上相继设置的装置,连续地执行所述方法的各个步骤。
  6. 6. 按照权利要求5所述的方法,其特征在于,相继处理所述条带的一表面,接着是另一表面。
  7. 7. 按照权利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述要被处理的材料是一金属材料。
  8. 8. 按照权利要求7所述的方法,其特征在于,所述金属材料是一碳钢。
  9. 9. 按照权利要求8所述的方法,其特征在于,在涂料被沉积在所述表面之前,执行所述方法,以便使金属材料的表面脱脂。
  10. 10. 用于实现权利要求5至9中任一项所述方法的装置,所述装置包括至少一模块,所述模块包括:一处理室(2);用于将所述室内的压力设定成一个在10毫巴至1巴之间的值的装置;用于使所述接地的条带(4)行进至所述室中的行进装置(3);—系列朝向要处理的所述条带(4)的表面设置的涂覆有绝缘材料的电极(5a,5b,5c,5d,5e,5f,5g),这些电极(5a,5b,5c,5d,5e,5f,5g)被连接到一正弦高电压发生器(6)上;用于向所述室(2)供应气体的供应装置;以及用于从所述室中排出因涂覆在所述条带(4)上的有机物质分解所产生的气体的排出装置,所述装置还包括设置在所述电极(5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f , 5g)之间的UV发射灯(7a,7b,7c,7d,7e,7f)。
  11. 11. 按照权利要求10所述的装置,其特征在于,它包括一系列的偶数个的所述模块(10,11,12,13),所述条带(14)在所述模块内部相继运行通过,依次将它的表面之一暴露给所述模块(10, 11, 12, 13)的电极。
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