JP2017091709A - 大気圧プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】省スペース化が可能であり、プラズマ処理時間を長くすることができ、被処理物をワンウェイで連続的にムラなくプラズマ処理することができる大気圧プラズマ処理装置を提供する。【解決手段】大気圧プラズマ処理装置１０１は、第１電極２１と、第１電極２１から間隙を介して離隔するように配置された第２電極２２と、第１電極２１と第２電極２２とに挟まれるように配置された第１部分４１を含む管状誘電体３１と、管状誘電体３１の内部に、被処理物およびプロセスガスの混合体を通す供給部６と、第１電極２１と第２電極２２との間に電圧を印加する電源部１とを備える。第１部分４１は、第１の向き９１に延在する部分と第１の向き９１とは反対の第２の向き９２に延在する部分とを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、大気圧プラズマ処理装置に関するものである。

近年、大気圧近傍の圧力下で高電圧を印加して強力なプラズマを発生させ、被処理物の表面処理を行なう大気圧プラズマ処理が求められている。他の方法では表面処理がされにくい被処理物であっても、大気圧プラズマ処理を採用することによって容易に表面処理することができる場合がある。かねてよりカテーテル製造時の表面処理、医療用チューブの内壁処理を目的として大気圧プラズマ処理による表面処理が行なわれている。

また、粉体は、化粧品や医薬品などの粉製品をはじめとして、リチウムイオン電池などのエレクトロニクス分野にまで幅広く用いられているが、これらの粉体の表面処理に大気圧プラズマ処理が採用される場合がある。

たとえば特開２００５−３３２７８３号公報（特許文献１）には、互いに対向する電極間にガス通路、ガス供給口を設け、ガス通路内に保持された被処理物にプラズマ処理を施すことが記載されている。

特開平７−３２８４２７号公報（特許文献２）には、絶縁体管の外周に沿って電極対が互いに間隔をおいてスパイラル状に巻かれた構成が開示されている。この装置では、絶縁体管の内部にガスを流通させ、グロー放電プラズマを発生させることとなっており、このプラズマ中に粉粒体を連続的に供給することによって粉粒体の表面処理を行なうことができる。

特開２０１３−２１５７２０号公報（特許文献３）には、複数の貫通孔が設けられた絶縁性基材の内部に電極を配置した構成が開示されている。この装置では、絶縁性基材の上側に被処理物としての粉体を配置し、貫通孔に下からガスを通すことによってプラズマが貫通孔から上方に吹き上がるようにし、粉体を流動させながら粉体の表面処理を行なうこととされている。

特開２００５−３３２７８３号公報 特開平７−３２８４２７号公報 特開２０１３−２１５７２０号公報

特許文献１に記載されている装置では、対向する平行平板状の電極を用いているので、プラズマ放電空間を広く、あるいは長くする際には、それに伴い装置筐体も大きくしなければならないという問題がある。

特許文献２に記載されている装置では、放電方式が沿面放電であるので、放電管の径によっては、管の中心部のプラズマ強度が弱くなり、結果的にプラズマ処理が不十分な粉体が排出されるおそれがあるという問題がある。

特許文献３に記載されている装置では、プラズマガスを粉体に吹き付けて表面処理を行なうことを狙っているが、粉体がプラズマ空間の中を直接通過して処理されるダイレクト処理に比べて処理効果が弱いことが明らかである。また、粉体を均一に流動させることは困難であり、したがって、プラズマ活性種にさらされる時間が粉体によって大幅に異なり、処理効果のムラが生じる。

そこで、本発明は、省スペース化が可能であり、プラズマ処理時間を長くすることができ、被処理物をワンウェイで連続的にムラなくプラズマ処理することができる大気圧プラズマ処理装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に基づく大気圧プラズマ処理装置は、第１電極と、上記第１電極から間隙を介して離隔するように配置された第２電極と、上記第１電極と上記第２電極とに挟まれるように配置された第１部分を含む管状誘電体と、上記管状誘電体の内部に、被処理物およびプロセスガスの混合体を通す供給部と、上記第１電極と上記第２電極との間に電圧を印加する電源部とを備え、上記第１部分は、第１の向きに延在する部分と上記第１の向きとは反対の第２の向きに延在する部分とを含む。

本発明によれば、管状誘電体の一部である第１部分が第１電極と第２電極との間隙を通るように配置されており、被処理物は第１部分を第１の向きと第２の向きとに行き交うように通過しながらプラズマ処理されるので、省スペース化が可能であり、プラズマ処理時間を長くすることができ、被処理物をワンウェイで連続的にムラなくプラズマ処理することができる。

本発明に基づく実施の形態１における大気圧プラズマ処理装置の概念図でる。 本発明に基づく実施の形態１における大気圧プラズマ処理装置に含まれる管状誘電体の平面図である。 本発明に基づく実施の形態２における大気圧プラズマ処理装置の概念図でる。 本発明に基づく実施の形態２における大気圧プラズマ処理装置に含まれる管状誘電体の平面図である。 本発明に基づく実施の形態３における大気圧プラズマ処理装置の概念図でる。 本発明に基づく実施の形態４における大気圧プラズマ処理装置の概念図でる。

（実施の形態１）
（構成）
図１〜図２を参照して、本発明に基づく実施の形態１における大気圧プラズマ処理装置について説明する。本実施の形態における大気圧プラズマ処理装置の概念図を図１に示す。

大気圧プラズマ処理装置１０１は、第１電極２１と、第１電極２１から間隙を介して離隔するように配置された第２電極２２と、第１電極２１と第２電極２２とに挟まれるように配置された第１部分４１を含む管状誘電体３１と、管状誘電体３１の内部に、被処理物およびプロセスガスの混合体を通す供給部６と、第１電極２１と第２電極２２との間に電圧を印加する電源部１とを備える。管状誘電体３１を単独で取り出したところを図２に示す。第１部分４１は、第１の向き９１に延在する部分８ａ，８ｃ，８ｅ，８ｇと第１の向き９１とは反対の第２の向き９２に延在する部分８ｂ，８ｄ，８ｆ，８ｈとを含む。図１に示すように、第１電極２１および第２電極２２は、いずれも平板状の電極である。電源部１から第１電極２１へは配線２を介して接続されている。電源部１から第２電極２２へは配線３を介して接続されている。管状誘電体３１は、入口３１ａと出口３１ｂとを有する。供給部６は入口３１ａに接続されており、回収部７は出口３１ｂに接続されている。なお、第１部分４１の各部分に関してどちら向きに「延在」しているかの判断に当たっては、管状誘電体３１を入口３１ａから出口３１ｂに向かってたどっていったときにどちら向きに進むことになるかで区別している。ここで示した例では、第１部分４１は管状誘電体３１の中間の一部となっているが、これはあくまで一例であってこれに限らない。すなわち、管状誘電体３１の全てが第１部分４１であるような構成であってもよい。

第２の向き９２は、第１の向き９１に対して「反対」の向きであるものとして説明したが、ここでいう「反対」とは、完全に平行かつ逆向きである場合に限らず、多少平行でなくてもほぼ逆向きである場合を含むものとする。「反対」とは、実質的に反対向きである場合を当然に含むものとする。

（作用・効果）
本実施の形態では、管状誘電体３１の一部である第１部分４１が第１電極２１と第２電極２２との間隙を通るように配置されており、被処理物およびプロセスガスの混合体がこの部分を通ることとなっている。本実施の形態では、プラズマ処理が行なわれる第１部分４１の区間が第１の向き９１と第２の向き９２とに行き交う構造となっていることにより、直管型の場合に比べて、電極関係部分、誘電体関係部分などの省スペース化が可能となるので、装置全体の省スペース化が可能となる。被処理物は第１部分を第１の向きと第２の向きとに行き交うように通過しながらプラズマ処理されるので、プラズマ処理時間を長くすることができる。第１部分４１の内部では、被処理物はプロセスガスと共に流れ、処理強度が強いダイレクト方式で処理が行なわれることとなる。したがって、被処理物を繰返し循環させる必要はなく、被処理物をワンウェイで連続的にムラなくプラズマ処理することができる。

本実施の形態では、被処理物は、管状誘電体の内部を通過することができるものであればよく、たとえば粉体、ガス、液体などであってもよい。被処理物は、導電性であっても非導電性であってもよい。

プラズマ処理を施したことによる効果の種類は、ガス種に依存する。ガス種を変更することによりさまざまな効果を付与することができる。たとえばＨｅ，Ａｒ，Ｎ₂などにＯ₂を添加したガスを用いることで、被処理物に親水性を付与することが可能であり、Ｏ₃発生による殺菌処理も可能である。また、Ｈｅ，Ａｒ，Ｎ₂などにＦ系ガス、たとえばＣＦ₄、Ｃ₃Ｆ₈などを添加したガスを用いることで、被処理物に撥水性を付与することもできる。さらに、Ｈｅ，Ａｒ，Ｎ₂などに還元性ガス、たとえばＨ₂などを添加したガスを用いることで、被処理物表面の還元処理が可能である。

被処理物が有害成分を含む物質である場合には、管状誘電体の内部を通過させることで、有害物質を処理分解して除去することも可能である。有害成分の例としては、たとえば、窒素酸化物（ＮＯ_x）、炭化水素（ＨＣ）、硫黄酸化物（ＳＯ_x）などが挙げられる。

本実施の形態では、第１電極２１および第２電極２２が平板状の電極となっているが、形状はこれに限らない。これらの電極は、シート状、フィルム状であってもよい。これらの電極は、管状誘電体３１に対して接着剤によって接着してもよく、何も介さずに設置してもよい。第１電極２１の材質は、導電性の物質であり、たとえば、銅、アルミニウム、ＳＵＳなどの金属であってもよく、黒鉛であってもよい。第２電極２２の材質についても同様である。

第１電極２１を構成する導電体は、誘電体で覆われていてもよい。第２電極２２を構成する導電体についても、同様である。誘電体の例としては、樹脂からなるシート、フィルム、樹脂コーティング、成膜による無機物の薄膜などが挙げられる。高電圧が印加される電極が誘電体で覆われていることにより、異常放電、周囲への感電などを防ぐことが可能となるほか、プラズマの均一性が向上し、ムラなく処理することが可能となる。

管状誘電体の材質は、絶縁物であり、たとえば、石英（ガラス）、セラミックなどの無機物であってもよく、シリコンゴム、フッ素系樹脂（ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂）など）であってもよい。

プラズマ放電により、第１電極および第２電極のうち少なくとも一方の温度が上昇する場合には、必要に応じて、第１電極、第２電極、管状誘電体のいずれかまたは全てを冷却してもよい。冷却方法としては、たとえば第１電極の内部に冷媒の通路を設けて冷媒を通す方法であってもよい。電極の周囲に冷媒の通路を設けて冷媒を通してもよい。電極に沿うように冷却ラインを配置してもよい。冷却方式は、空冷式であってもよく、冷却水方式であってもよい。

図１に示したように、第１電極２１および第２電極２２は、それぞれ平板状であり、互いに平行に配置されていることが好ましい。この構成を採用することにより、第１部分を挟み込んで電圧を印加することができ、装置の薄型化を図ることができる。

図１に示したように、第１部分４１はジグザグ状となっていることが好ましい。この構成を採用することにより、第１部分４１を限られたスペースに高密度に配置することができるので、装置をコンパクトにすることができる。「ジグザグ状」とは、湾曲したカーブによって方向転換しているものに限らず、折れ線状のカーブによって方向転換しているものも含む。「ジグザグ状」とは、完全に平行になるように逆向きに折り返しているものに限らず、非平行な状態でほぼ逆向きに折り返しているものも含む。

（実験１）
実施の形態１で説明した構成で、被処理物のプラズマ処理が可能であるか確認するために放電確認実験を行なった。これを実験１とする。実験１の条件は以下のとおりである。
電極：誘電体付きＳＵＳ板（３３０ｍｍ×２５０ｍｍ、放電面側に誘電体として石英板を接着したもの）
管状誘電体：シリコンチューブ（外径６ｍｍ、内径４ｍｍ）
ガスの種類：Ａｒ
ガスの流量：４リットル／分
印加する電圧：６ｋＶ
周波数：６０ｋＨｚ
被処理物：カーボンブラックの粉体（平均粒子径０．１μｍ）
図１に示すように互いに平行かつ対向するように配置した平板電極間に、管状誘電体としてのシリコンチューブを平行に往復させてジグザグ状に配置した。図１では、管状誘電体３１が折り返す度に隙間があいているが、実験１では、隙間が生じないように密着させて折り返して配置した。

管状誘電体にガスおよび被処理物を導入して平板電極間に高周波の高電圧を印加した。その結果、管状誘電体のうち２枚の平板電極に挟まれた部分の全域においてプラズマ放電が発生していることを確認することができた。さらに、プラズマ処理を経た被処理物を回収し、純水に分散させたところ、未処理のものに比べて純水への分散性が向上していることがわかった。したがって、このような構成の装置を用いてプラズマ処理を行なうことによってカーボンブラックの粉体の純水への分散性の改善が可能であることがわかった。

（実施の形態２）
（構成）
図３〜図４を参照して、本発明に基づく実施の形態２における大気圧プラズマ処理装置について説明する。本実施の形態における大気圧プラズマ処理装置の概念図を図３に示す。

大気圧プラズマ処理装置１０２は、第１電極２１と、第１電極２１から間隙を介して離隔するように配置された第２電極２２と、第１電極２１と第２電極２２とに挟まれるように配置された第１部分４１ｉを含む管状誘電体３１ｉと、管状誘電体３１ｉの内部に、被処理物およびプロセスガスの混合体を通す供給部６と、第１電極２１と第２電極２２との間に電圧を印加する電源部１とを備え、第１部分４１ｉは、第１の向き９１に延在する部分と第１の向き９１とは反対の第２の向き９２に延在する部分とを含む。

大気圧プラズマ処理装置１０２においては、第１部分４１ｉは渦巻き状となっている。第１部分４１ｉは、一定の平面内で渦巻き形状となっている。管状誘電体３１は、入口３１ａと出口３１ｂとを有する。入口３１ａは渦巻き形状の最外周に入っていくように配置されている。管状誘電体３１ｉを単独で取り出したところを図４に示す。被処理物およびプロセスガスの混合体は、入口３１ａから入った後、渦巻き形状に沿って内周側に向かって進行していく。管状誘電体３１ｉは、渦巻き形状の最内周側からこの渦巻き形状の位置する平面に交差する方向に延在しており、その先端に出口３１ｂが配置されている。入口３１ａと出口３１ｂとの配置は逆であってもよい。第１部分４１ｉは、第１の向き９１に延在する部分８ａ，８ｃ，８ｅと第１の向き９１とは反対の第２の向き９２に延在する部分８ｂ，８ｄ，８ｆとを含む。各部分は、円弧状に湾曲しているが、微小区間に注目すれば第１の向き９１または第２の向き９２に延在しているといえる。

（作用・効果）
本実施の形態においても、実施の形態１で説明したのと同様の効果を得ることができる。

（実施の形態３）
（構成）
図５を参照して、本発明に基づく実施の形態３における大気圧プラズマ処理装置について説明する。本実施の形態における大気圧プラズマ処理装置の概念図を図５に示す。

大気圧プラズマ処理装置１０３は、第１電極２１ｊと、第１電極２１ｊから間隙を介して離隔するように配置された第２電極２２ｊと、第１電極２１ｊと第２電極２２ｊとに挟まれるように配置された第１部分４１ｊを含む管状誘電体３１ｊと、管状誘電体３１ｊの内部に、被処理物およびプロセスガスの混合体を通す供給部６と、第１電極２１ｊと第２電極２２ｊとの間に電圧を印加する電源部１とを備える。第１部分４１ｊは、第１の向き９１に延在する部分８１と第１の向き９１とは反対の第２の向き９２に延在する部分８２とを含む。

大気圧プラズマ処理１０３では、第２電極２２ｊは、第１電極２１ｊの外面を取り囲むように配置されている。第１部分４１ｊは、第１電極２１ｊと第２電極２２ｊとに挟まれた空間内に配置され、ジグザグ状となっている。

（作用・効果）
本実施の形態においても、実施の形態１で説明したのと同様の効果を得ることができる。図５に示した例では、第１電極２１ｊと第２電極２２ｊとに挟まれた空間は円筒形の空間となっているが、この空間の形状は円筒形以外の形状であってもよい。図５に示した例では、第１電極２１ｊは円柱形となっているが、円柱形以外の形状であってもよい。

（実験２）
実施の形態３で説明した構成で、被処理物のプラズマ処理が可能であるか確認するために放電確認実験を行なった。これを実験２とする。実験２の条件は以下のとおりである。
第１電極としての内部電極：ＳＵＳ管（放電面側にセラミック溶射膜コート付き）
第２電極としての外部電極：ＳＵＳ管（放電面側にセラミック溶射膜コート付き）
管状誘電体：シリコンチューブ（外径６ｍｍ、内径４ｍｍ）
ガスの種類：Ａｒ
ガスの流量：４リットル／分
印加する電圧：３ｋＶ
周波数：６０ｋＨｚ
被処理物：ＰＥ（ポリエチレン）の粉体（平均粒子径２５〜３０μｍ）
管状誘電体にガスおよび被処理物を導入して平板電極間に高周波の高電圧を印加した。その結果、管状誘電体のうち内部電極と外部電極とに挟まれた部分の全域においてプラズマ放電が発生していることを確認することができた。さらに、プラズマ処理を経た被処理物を回収し、純水に分散させたところ、未処理のものに比べて純水への分散性が向上していることがわかった。したがって、このような構成の装置を用いてプラズマ処理を行なうことによってＰＥの粉体の純水への分散性の改善が可能であることがわかった。

（実施の形態４）
（構成）
図６を参照して、本発明に基づく実施の形態４における大気圧プラズマ処理装置について説明する。本実施の形態における大気圧プラズマ処理装置の概念図を図６に示す。

大気圧プラズマ処理装置は、第１電極２１ｋと、第１電極２１ｋから間隙を介して離隔するように配置された第２電極２２ｋと、第１電極２１ｋと第２電極２２ｋとに挟まれるように配置された第１部分４１ｋを含む管状誘電体３１ｋと、管状誘電体３１ｋの内部に、被処理物およびプロセスガスの混合体を通す供給部６と、第１電極２１ｋと第２電極２２ｋとの間に電圧を印加する電源部１とを備える。第１部分４１ｋは、第１の向き９１に延在する部分８３と第１の向き９１とは反対の第２の向き９２に延在する部分８４とを含む。

本実施の形態では、管状誘電体３１ｋは全体としてＵ字形状を有している。第１電極２１ｋおよび第２電極２２ｋもＵ字形状となっている。図６に示した例では、第１電極２１ｋは管状誘電体３１ｋの内周側に配置されており、第２電極２２ｋは管状誘電体３１ｋの外周側に配置されている。

（作用・効果）
本実施の形態においても、実施の形態１で説明したのと同様の効果を得ることができる。図６では、管状誘電体３１ｋの２つの端部近傍は電極に挟まれていないが、完全に端部まで電極に挟まれた構造としてもよい。図６では、第１電極２１ｋおよび第２電極２２ｋは、Ｕ字形状の内周側および外周側から管状誘電体３１ｋを挟み込んでいるが、図６における上側および下側から挟み込む構造としてもよい。

なお、上記実施の形態のうち複数を適宜組み合わせて採用してもよい。
なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１ 電源部、２，３ 配線、６ 供給部、７ 回収部、８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆ，８ｇ，８ｈ 部分、２１，２１ｊ，２１ｋ 第１電極、２２，２２ｊ，２２ｋ 第２電極、３１，３１ｉ，３１ｊ，３１ｋ 管状誘電体、３１ａ 入口、３１ｂ 出口、４１，４１ｉ，４１ｊ，４１ｋ 第１部分、８１，８２，８３，８４ 部分、９１ 第１の向き、９２ 第２の向き、１０１，１０２，１０３，１０４ 大気圧プラズマ処理装置。

Claims (6)

1. 第１電極と、
   前記第１電極から間隙を介して離隔するように配置された第２電極と、
   前記第１電極と前記第２電極とに挟まれるように配置された第１部分を含む管状誘電体と、
   前記管状誘電体の内部に、被処理物およびプロセスガスの混合体を通す供給部と、
   前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加する電源部とを備え、
   前記第１部分は、第１の向きに延在する部分と前記第１の向きとは反対の第２の向きに延在する部分とを含む、大気圧プラズマ処理装置。
2. 前記第１電極および前記第２電極は、それぞれ平板状であり、互いに平行に配置されている、請求項１に記載の大気圧プラズマ処理装置。
3. 前記第１部分はジグザグ状となっている、請求項２に記載の大気圧プラズマ処理装置。
4. 前記第１部分は渦巻き状となっている、請求項２に記載の大気圧プラズマ処理装置。
5. 前記第２電極は、前記第１電極の外面を取り囲むように配置されており、前記第１部分は、前記第１電極と前記第２電極とに挟まれた空間内に配置され、ジグザグ状となっている、請求項１に記載の大気圧プラズマ処理装置。
6. 前記第１部分はＵ字形状を有しており、前記第１電極および前記第２電極は前記第１部分に沿ってＵ字形状を有している、請求項１に記載の大気圧プラズマ処理装置。

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