KR19990082348A - 플라즈마 활성화 종을 갖는 탈집괴 입자의 처리 - Google Patents

플라즈마 활성화 종을 갖는 탈집괴 입자의 처리 Download PDF

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마이클 패트릭 초우이나르드
폴 프랜시스 헤르맨
제임스 루이스 호맨
로우렌스 제이. 레바세
티아우-진 린
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Abstract

본 발명은 입자의 매트릭스 조성물의 후속 결합을 조장하기 위해서 탈집괴된 입자를 플라즈마 가스 종과 접촉시키고 탈집괴된 입자의 표면을 변형시킴으로써 쉽게 집괴되는 입자 배열로 된 각각의 탈집괴 입자의 표면을 처리하기 위한 방법과, 입자를 플라즈마 활성화 가스 내로 분산시키고 탈집괴시키는 모듈과, 탈집괴된 모듈(322)과 입자가 플라즈마 활성화 가스에 의해 처리되는 반응 챔버(322)를 포함하는 장치와, 플라즈마 처리 후에 재집괴될 수 있는 입자를 탈집괴시키는 방법과, 플라즈마 처리된 안료 입자를 함유한 색상 조성물에 관한 것이다.

Description

플라즈마 활성화 종을 갖는 탈집괴 입자의 처리
미국 특허 제4,478,643호는 저온 플라즈마에 의해 처리되는 안료를 개시하고 있는데, 여기서 안료는 과도한 시간동안 안료 열화를 야기시키는 상용 플라즈마 회분기 내에 유지된다. 미국 특허 제5,234,723호는 미립자를 처리 구역을 통해 균질하게 낙하시킴으로써 부압 하에서 플라즈마 활성화 종으로 미립자를 처리하기 위한 공정을 개시하고 있다. 미국 특허 제5,176,938호는 미립자를 플라즈마 화염을 통해 통과시킴으로써 미립자를 처리하기 위한 공정을 개시하고 있다. 미국 특허 제5,340,518호는 탈집괴 문제점을 제기하지 않고 유동화층 배열처럼 보이는 것을 이용해서 반응 챔버 내에서 분말을 분산시킴으로써 대기압 플라즈마로 분말을 처리하는 방법을 개시하고 있다.
본 발명의 공정은 상기 미국 특허 제4,478,643호 및 제5,176,938호 공정의 엄격한 처리 조건과 미국 특허 제5,234,723호 및 제5,176,938호 공정의 집괴를 회피한다.
본 발명의 방법에 의한 표면 변형용으로 고려되는 유기 입자는 입자들간의 물리적 및/또는 화학적 인력에 의해 집괴체 또는 응집체로서 서로 덩어리지려고 하는 각종 친화성을 갖는다. 플라즈마 활성화 종은 본질적으로 덩어리의 표면하고만 상호 작용함으로써 그 덩어리의 표면을 처리하는 것으로 여겨진다. 덩어리 또는 집괴체가 처리될 때, 덩어리 표면에 있는 또는 덩어리 표면 근방에 있는 주 입자만이 플라즈마 활성화 종에 의해 처리되게 된다. 따라서, 그것은 덩어리의 크기가 클수록 가스 종에 의해 처리될 수 있는 덩어리 내의 주 입자의 비율이 작아지게 되고, 이에 따라 처리 공정이 보다 덜 효율적이 되는 일이 수반된다.
종래 기술에 있어서는 쉽게 집괴되는 입자에 대한 변형 공정의 성공적인 실시를 이끌만한 것이 거의 전무하였다. 이와 관련해서, 입자의 성공적인 표면 변형은 입자의 덩어리들을 탈집괴시키고, 이들 입자가 탈집괴된 상태에 있으면서 재집괴될 기회를 갖기 전에 이들 입자를 처리하기 위한 통합형 공정을 필요로 한다. 쉽게 덩어리지는 미립자 재료인 경우에 상업적 생산 속도에서 효과적인 처리를 달성하기 위해서는, 입자가 세분화된 상태에 있는 동안에 입자를 처리할 필요가 있는 것으로 밝혀졌다. 덩어리가 세분화되는 정도는 주 입자의 평균 치수의 일정 배수보다 크지 않아야 한다. 본 발명의 공정에 의해 통상적으로 덩어리지는 미립자 유기 재료의 성공적인 변형을 위해 필요한 조건은 이후에 보다 상세하게 설명된다.
본 발명은 입자 표면을 변형시키기 위해 플라즈마 활성화 가스 종(species)에 의한 미립자 재료의 대기압 또는 부압 처리에 관한 것이다.
도1은 본 발명의 장치의 개략적 블록 선도이다.
도2는 본 발명의 장치의 제1 실시예의 부분 단면도이다.
도3은 본 발명의 장치의 제2 실시예의 부분 단면도이다.
도4는 제2 실시예에 대응하는 입자 공급기 조립체 장치의 확대 단면도이다.
도5는 분산기 조립체의 분산기 판의 구멍 패턴을 도시한, 반응기 조립체의 반응 챔버의 단면도이다.
도6은 분산기 판의 정면도이다.
도7은 본 발명의 장치의 제3 실시예의 부분 개략 단면도이다.
도8은 본 발명의 장치의 제4 실시예의 부분 개략 단면도이다.
도9는 본 발명의 장치의 제5 실시예의 부분 개략 단면도이다.
도10은 이중 에어록 챔버 구성을 갖는 제4 또는 제5 실시예의 대체 공급기 조립체의 단면도이다.
도11은 탈집괴 모듈의 확대 단면도이다.
본 발명은 플라즈마 공급원을 내장하거나 플라즈마 공급원의 하류에 있는 처리 챔버 내의 적어도 하나의 플라즈마 활성화 공정 가스 종에 의해 약 500 ℃를 초과하지 않는 임계 온도 이상으로 가열할 때 비가역적인 열적 열화를 나타내는 미립자 재료의 표면을 처리하기 위한 방법에 있어서,
(ⅰ) 활성화된 공정 가스를 처리 챔버 내로 도입하는 단계,
(ⅱ) 탈집괴된 입자의 각 분급체의 표면의 적어도 일부를 노출시키기 위해 입자를 탈집괴하는 단계,
(ⅲ) 탈집괴가 상당한 정도로 발생할 수 있기 전에 탈집괴된 입자 분급체를 반응 챔버 내의 활성화된 공정 가스와 접촉시키는 단계,
(ⅳ) 활성화된 공정 가스로 각각의 탈집괴된 입자 분급체 표면의 적어도 일부를 변형시키는 단계, 및
(v) 탈집괴된 입자 분급체들이 열적으로 열화되지 않도록 이들 입자 분급체들의 온도를 제어하는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 집괴된 안료 입자를 연마하기 위한 방법에 있어서,
(ⅰ) 본 발명의 방법에 의해 표면 변형된 집괴 입자를 연마 기구에 배치하는 단계,
(ⅱ) 상기 입자를 탈집괴를 수행하기 위해 연마함으로써, 동일한 조건하에서 본 발명의 방법에 의해 표면 변형되지 않은 안료 입자를 탈집괴시키는 데 걸리는 시간의 약 85 ％보다 작은 시간에 탈집괴가 수행되는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다.
상기 공정은 집괴된 입자의 크기 감소가 달성되게 한다. 또한, 습식 분쇄와 고 전단 혼합이 탈집괴시에 채용될 수 있다.
또한, 본 발명은 표면 처리된 안료 입자를 포함하는 색상 조성물[색상 농축액, 밀베이스(millbase), 또는 마무리 페인트]에 있어서, 상기 조성물은 이하의 특성, 즉
(ⅰ) 동일한 안료의 비처리 입자로 구성된 유사한 조성물의 점도의 1/2보다 작은 점도,
(ⅱ) 동일 안료의 비처리 입자로 구성된 유사한 조성물의 착색력보다 적어도 2 ％ 높은 개선된 착색력,
(ⅲ) 비처리 입자로 구성된 유사한 조성물의 안료 대 결합제 비율보다 적어도 5 ％ 높은 증가된 안료 대 결합제 비율을 갖는 색상 조성물에 관한 것이다.
적색 안료와 같이 그 색상이 쉽게 열화되는 통상적으로 처리하기 곤란한 안료를 처리하는 데에 있어서, 표면 처리는 ±0.3만의 L*a*b*색척도(color scale) 상에서의 변색, 즉 보통의 관찰자에 의해 관찰 가능한 것보다 더 작은 변색을 야기시키는 본 발명의 공정에 의해 달성될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 본 명세서에서 사용되고 있는 바와 같이, 색상 측정은 필라델피아주 소재의 미국 재료 시험 협회(ASTM) 1984년에 발행한 색상에 관한 ASTM 표준과 겉보기 측정(ASTM Standards on Color and Appearance Measurement)(제1 판)에 따라 L*a*b*색상 공간 내에 표현된다.
또한, 본 발명은 입자 입구 및 출구 수단을 갖는 반응 챔버 내의 반응 구역과, 반응 구역 내측 또는 외측의 플라즈마 발생 공급원과, 입구와 협동하는 입자 저장 호퍼를 포함하고 입자를 대기압 또는 부압에서 처리하기 위한 장치의 개선에 관한 것이다. 그 개선은,
(ⅰ) 반응 챔버의 압력보다 높은 압력에서 작동하도록 설계된 입자 충전된 저장 호퍼와,
(ⅱ) 입자 저장 호퍼와 입구 사이에 위치되어 이들 양자와 협동하고, 입자의 공급율을 제어하고 입자를 탈집괴하며, 탈집괴된 입자를 반응 구역 내로 도입하기 위한 수단을 포함하는 모듈과,
(ⅲ) 탈집괴된 입자가 열적으로 열화되는 온도 이하의 온도로 탈집괴된 입자를 유지하기 위한 수단을 포함한다.
상술한 장치는 입자를 반응 챔버 내로 탈집괴시켜서 분산시키는 탈집괴 모듈에 있어서,
(ⅰ) 입자를 호퍼로부터 반응 챔버 입구를 향해 제어 가능한 단위 시간당 입자 질량의 속도로 이동시키기 위한 질량 유동 기구와,
(ⅲ) 입자의 탈집괴 및 분산을 수행하는 방식으로 입자를 반응 구역 내로 도입하는 기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 탈집괴 모듈에 관한 것이다.
탈집괴 모듈은 미립자와 운반체 가스를 혼합하기 위한 혼합 챔버와, 기계적 교반 수단과, 초음파 변환기에 의해 여기되는 초음파 호온과, 출구 오리피스 포함하고, 혼합 챔버 내의 압력은 반응 챔버 내의 압력 이상으로 유지되고, 출구 오리피스에 바로 인접한 영역은 입자에 의한 오리피스의 막힘을 방지하고 입자의 탈집괴를 촉진시키기에 충분한 에너지에 의해 초음파적으로 교반된 다음에, 운반체 가스가 탈집괴된 입자를 반응 챔버 내로 운반하는 것이 바람직하다. 또한, 운반체 가스의 도움으로 또는 운반체 가스의 도움 없이 입자의 기계적 탈집괴 및 분산을 포함하는 기타 수단이 고려된다.
또한, 본 발명은 입자 입구 및 출구 수단을 갖는 반응 챔버 내의 반응 구역과, 반응 구역 외측의 플라즈마 발생 공급원과, 입구와 협동하는 입자 저장 호퍼를 포함하고 입자를 부압에서 처리하기 위한 장치의 개선에 관한 것이다. 그 개선은,
(ⅰ) 입자 충전된 저장 호퍼와,
(ⅱ) 저장 호퍼로부터의 입자의 공급율을 제어하기 위한 수단과,
(ⅳ) 입자 저장 호퍼와 입구 사이에 위치되어 이들 양자와 협동하고, 입자의 공급율을 제어하고 입자를 탈집괴하며, 탈집괴된 입자를 반응 구역 내로 도입하기 위한 수단을 포함하는 모듈과,
(ⅲ) 반응 구역을 낮은 플라즈마 전위로 유지하기 위한 수단을 포함한다.
또한, 본 발명은 입자 입구 및 출구 수단을 갖는 반응 챔버 내의 반응 구역과, 반응 구역 내측 또는 외측의 플라즈마 발생 공급원과, 입구와 협동하는 입자 저장 호퍼를 포함하고 입자를 대기압에서 처리하기 위한 장치의 개선에 관한 것이다. 그 개선은,
(ⅰ) 대기압 이상에서 작동하도록 설계된 입자 충전된 저장 호퍼와,
(ⅱ) 입자 저장 호퍼와 입구 사이에 위치되어 이들 양자와 협동하고, 입자의 공급율을 제어하고 입자를 탈집괴하며, 탈집괴된 입자를 반응 구역 내로 도입하기 위한 수단을 포함하는 모듈과,
(ⅲ) 탈집괴된 입자가 열화될 수 있는 온도 이하의 온도로 탈집괴된 유지하기 위한 수단을 포함한다.
〈플라즈마 발생〉
본 기술 분야에 숙련된 자는 본 명세서에서 고려되고 있는 플라즈마 활성화 종이 발생될 수 있는 다수의 방법을 이해할 것이다. 본 발명은 어떤 특정 플라즈마 활성화 공급원으로 제한되지 않는다. 이와는 반대로, 그 사용이 본 명세서에서 제공된 설명과 부합하는 어떠한 공급원도 채용될 수 있다. 예를 들어, 저압 플라즈마가 마이크로파 방사 또는 고주파 방사에 의해 여기될 수 있다. 대기압 플라즈마는 무성 방전에 의해 또는 불꽃 방전에 의해 발생될 수 있다. 전형적인 방전 기술은 "유전성 장벽 방전", "유동 안정화 코로나", "비평형 마이크로파 방전" 등이 알려져 있다. 대기압 불꽃 방전이 불활성 가스를 공급원 내로 도입함으로써 달성된다. 무엇을 달성해야 하느냐에 따라 그리고 처리되어야 할 미립자 재료의 성질에 따라, 이들 활성화 공급원들 중 하나 또는 다른 공급원이 취해질 수 있다. 소위 "직렬 DC 아크"를 포함하는 DC 아크와 같은 대체 에너지 공급원이 저압 활성화 공급원에서 채용될 수 있다.
많은 미립자 재료는 그 임계 온도 이상으로 가열되었을 때 손상을 받기 쉽기 때문에, 처리 구역이 플라즈마 발생 영역과는 별도로 유지되고 훨씬 더 하류에 위치될 수 있거나 또는 그 온도가 비평형 대기압 플라즈마 공급원에 의해 발생되는 미립자 재료와 양립할 수 있는 활성화 가스 종이 사용될 수 있다.
처리 구역에서의 입자 온도와 반응 종의 농도는 전력 대 공정 가스 유동율의 비율을 제어함으로써, 또는 전력, 플라즈마 발생 영역 또는 처리 구역에서의 가스 압력, 공정 및 운반체 가스 유동율, 미립자 공급율 등을 개별적으로 제어함으로써 조절될 수 있다.
용어의 설명
본 명세서에서 채용된 용어 "주 입자(primary particle)"는 (결정화 공정과 같은) 제조 공정에 의해 결정되는 크기를 갖게 된다. 소망하는 주 입자 온도는 전형적으로 입자를 제조하는 특정 사용 목적에 의해 결정된다. 예를 들어, 주 입자는 어떤 광학적, 기계적, 또는 화학적 특성을 갖도록 생산되게 된다. 주 입자의 소형 크기 치수는 약 0.01 미크론 또는 10 미크론이 된다.
"입자(들)" 및 "미립자(들)"은 주 입자의 초기 제조 단계에 수반된 응집 및/또는 집괴로 인해 주 입자보다 사실상 더 큰 입자이다.
주 입자 크기가 약 1 미크론보다 작은 재료는 집괴에 특히 민감하다. 전형적으로, 미립자 유기 재료는 사실상 주 입자 크기보다 큰 미립자 형태로 입수 가능하다. 이들 미립자는 응집 및/또는 집괴에 의해 서로 결합된 주 입자로 구성된다.
많은 입자들은 형상이 대략 구형인데, 즉 모든 3차원 치수가 대략 동일한 반면에, 일부 입자들은 원섬유(fibril) 또는 박편 형태이다. 원섬유에서, 한 치수는 다른 치수보다 상당히 더 크다. 불규칙한 형태의 주 입자의 경우에 있어서, 본 명세서에서 고려되는 입자는 최소 치수에 대한 3차원 치수의 산술 평균의 비가 약 25보다 작은 입자이다.
본 명세서서 사용된 용어 "응집체(aggregate)"는 3개의 접촉점에서의 화학적 결합에 의해 서로 강하게 결합된 주 입자로 구성된다. 응집체는 전형적으로 그 결합 강도로 인해 주 입자로 파쇄하기가 비교적 곤란하다. 응집체는 수십 내지 수백 개의 주 입자를 함유할 수 있으며, 그 결과 주 입자의 크기보다 약 2배 내지 10배나 큰 유효 입자 크기를 갖는 미립자 재료가 얻어진다.
용어 "집괴체(agglomerate)"는 문맥에 따라서 반데르발스력, 정전기력, 모세관 작용과 같은 입자간 힘으로 인해 응집체를 포함한 상호 결합된 주 입자를 포함한다. 집괴체는 주 입자 및 가능하게는 그 접촉점에서 약하게 결합된 응집체로 구성된다. 이들 집괴체는 수백 또는 수백만의 주 입자(및 가능하게는 수천의 응집체)를 함유할 수 있으며, 그 결과 주 입자의 크기보다 다수 배 큰 유효 입자 크기를 갖는 미립자 재료가 얻어진다. 집괴체는 항상 그렇지는 않지만 일반적으로는 응집체보다 크다. 집괴체가 클수록 플라즈마 활성화 가스 종에 의해 처리될 수 있는 주 입자 표면의 비율은 작아지므로 처리 공정은 보다 덜 효율적이 된다.
용어 "탈집괴 미립자(입자) 분급체" 또는 간단하게 "분급체(fraction)"는 집괴 입자가 이하의 설명에 따라서 탈집괴될 때 얻어지는 입자를 의미한다. 탈집괴된 분급체는 일반적으로 분급체가 파생되게 되는 모 집괴 입자의 크기보다 상당히 작으며, 집괴 입자에 부여된 기계적 에너지의 양에 따라, 주 입자 크기의 범위 내로까지 내려갈 수 있다.
용어 "탈집괴 미립자(입자) 분급체[deagglomerated particulate(particle) fraction(s)]"란 보다 작은 종으로 파괴 또는 분열된 주 입자를 포함하지 않게 하기 위한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명의 공정은 주 입자의 산술 크기 치수(산술 평균 또는 평균)의 약 30배보다 크지 않은 입자 분급체를 처리하기 위한 것이다. 보다 바람직하게는, 분급체는 주 입자의 평균 크기 치수의 20배보다 크지 않다. 가장 바람직하게는, 분급체는 주 입자의 평균 크기 치수의 10배보다 크지 않다.
용어 "상당한 정도의 재집괴(substantial degree of reagglomeration)"란 평균 입자 크기가 주 입자의 평균 입자 치수의 30배 이상으로 증가하는 것을 의미한다. 주 입자의 평균 크기의 약 30배를 초과하는 입자는 플라즈마 활성화 종에 의해서 성공적으로 처리되기에는 정상 상태 하에서는 너무 큰 것으로 밝혀졌다. 본 발명의 공정은 그러한 너무 큰 입자 덩어리의 처리를 배제한다.
"열화"란 변색 및/또는 한 화합물이 파괴되는 화학적 변화를 포함하는 미립자 재료의 하나 이상의 바람직하지 못한 변화를 의미한다.
"임계 온도"란 열화가 시작되는 온도를 의미한다. 열적 중량 분석 기술 분야에서 발견되는 전형적인 일례로는 온도의 함수로서 (용제의 손실이 아닌) 중량의 손실에 의해 측정되는 분해 개시 온도, 즉 열화가 시작되는 온도라는 용어가 있다. 이 온도는 열화 전의 중량 퍼센트 대 온도 곡선의 접선과 열화 중의 중량 퍼센트 대 온도 곡선의 접선과의 교차점으로 정의된다. 본 명세서에서 고려되고 있는 바와 같이, 입자의 처리에 대해서는 두 가지 기본적인 방법이 있는데, 즉 플라즈마가 생성되는 구역 또는 영역 내의 공급원 내부(intrasource) 처리와 플라즈마가 생성되는 구역 또는 영역 밖의 하류 처리가 있다.
"플라즈마 전위"란 전압계의 한 단자가 챔버의 벽에 연결되고 다른 단자가 챔버의 내부 용적부 내에 배치되는 경우에 높은 임피던스 전압계에 의해 측정되는 겉보기 전압을 가리킨다.
본 발명의 공정에 있어서, 공정 가스는 전기 에너지가 공급되는 플라즈마 발생 구역 내로 도입되어, 플라즈마 활성화 종을 생성시킨다. 다음에, 이 활성화 가스는 공급원 내부의 탈집괴 입자를 처리하기 위해 이용되거나 또는 하류의 탈집괴 입자를 처리하기 위해 상기 공급원 내부 영역으로부터 유출되도록 설계된다.
"하류"란 처리될 입자가 플라즈마 생성실(또는 구역 또는 영역)을 통해 통과하지 않고 플라즈마 발생 영역을 탈출하는 이미 활성화된 공정 가스의 경로의 먼 하류에 위치된 처리 챔버 내로 도입되는 것을 의미한다.
하류 입자의 도입은 전형적으로 플라즈마 활성화 종이 도입되게 되는 통로와는 별도로 된 개구 또는 포트를 통과한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, "유기 화합물"이란 (산화 탄소, 카바이드, 이황화 탄소 등과 같은) 이성분 화합물, (금속 시안화물, 금속 카보닐, 포스겐, 황화 카보닐 등과 같은) 삼성분 화합물과, (탄산칼슘 및 탄산나트륨과 같은) 금속 탄산염을 제외한 탄소 함유 화합물을 의미하며, 본 기술 분야에 숙련된 자는 제스너 홀리(Gessner Hawley)에 의해 개정된 더 컨덴스트 케미컬 딕셔너리(The Condensed Chemical Dictionary)(10판)로부터 알게 될 화합물을 포함한다.
"활성화된 공정 가스를 처리 챔버 내로 도입하는 것"이란 이미 활성화된 공정 가스를 처리 챔버 내로 도입하는 것 또는 공정 가스를 처리 챔버 내로 도입한 다음에 그 공정 가스를 처리 챔버 내에서 활성화하는 것"을 의미한다.
본 발명의 방법은 "대기압(atmospheric)"이라 불리는 사실상의 대기압에서 또는 "부압(subatmospheric)"이라 불리는 대기압 이하 압력에서 실행될 수 있다. 이 방법은 플라즈마 공급원 내부(내부 공급원) 또는 플라즈마 공급원 하류(하류)의 처리 챔버 내의 대기압에서 실행될 수 있다. 이 방법은 플라즈마 공급원의 하류의 처리 챔버 내의 부압에서 실행될 수 있다. 본 발명의 공정의 대기압 및 부압의 양자와 관련해서, 각각의 탈집괴 입자 표면의 플라즈마 활성화 가스 종으로의 노출을 최대화시키도록 처리 구역 내로 공압적으로 운반되고 분산되는 동안에 입자가 탈집괴된다.
활성 종의 농도와 입자 탈집괴 및 분산 정도의 양자 모두는 반응기 조립체의 반응 구역 내의 활성화 가스 종에 의해 입자 표면의 최적 변형을 얻기 위해 제어된다. 본 발명은 처리되고 있는 제품과 화학적으로 양립성이 있는 종래의 반응기 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 필요한 경우에는 특히 공정 화학물로부터 부식과 마모에 대한 저항성이 있는 채용될 수 있다. 필요에 경우에는, 플르오르화 중합체, 석영, 세라믹, 산화 실리콘, 질화 실리콘, 탄화 실리콘, 또는 인조 다이아몬드와 같은 라이너 또는 표면층이 채용될 수 있다. 본 발명의 장점은 입자, 특히 안료 입자의 분산 유동성의 개선을 포함하고, 제조시 안료 분쇄 시간의 감소와, 색조(tint)에 있어서 저휘발성의 유기 화합물(VOC), 보다 높은 착색도 및 안료 대 결합제 비율을 갖는 페인트를 포함하는 수개의 잠재적으로 가치 있는 잇점을 제공한다.
부압 수행은 일반적으로 플라즈마 공급원의 하류에서 수행되게 된다. 부압에서의 사용을 위해 선호되는 입자 처리 장치와 관련해서, 표면 처리된 입자는 전형적으로 밸브들 사이에 저장실을 갖는 이중 밸브 장치를 포함하고, 이 밸브는 반응 구역의 저장 용적부와 출구 사이에 일렬로 위치되어 있는 에어록(airlock) 기기에 의해 반응 챔버의 저부에 있는 저장 용적부로부터 제거되며, 상기 장치는 어느 한 밸브 또는 양 밸브가 폐쇄될 때 반응 구역에서 저압을 유지하고, 출구에 인접한 밸브가 처리된 입자를 제거하도록 개방되어 있는 동안에 반응 구역에 인접한 밸브의 폐쇄를 유지하도록 설계된다. 본 발명의 부압 수행 중에 플라즈마 활성화 반응 가스는 하류에 있는 별도의 안료 처리 구역 내로 유동한다. 처리 구역 내에서의 플라즈마 전위, 비엔탈피, 및 중종(heavy species)의 온도는 색상과 같은 중요한 안료 특성을 허용할 만할 수준으로 유지하면서 유동성 및/또는 착색력을 향상시키는 수준으로 제어된다. 처리 분위기의 제어는 압력을 1 Torr 이하로 제어하고, 안료를 마이크로파 공급원에 인접한 고온 플라즈마 생성 구역으로부터 분리되게 유지시키는 역할도 하는 분산기 판의 사용에 의해 플라즈마 활성화 종의 온도를 감소시킴으로써 더욱 촉진될 수 있다.
분산기 판 조립체는 플라즈마 활성화 종을 분산시키고 처리 구역내 입자의 열적 열화를 방지하기 위해 선호되기는 하지만, 사행 가스 통로나 플라즈마를 급랭시키기 위해 급랭 가스를 부가하는 것과 같은 다른 등가한 메커니즘이 고려될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 종래의 용적 측정 고형체 공급기를 탈출하는 입자는 혼합 챔버, 모터 종동 교반기, 다공성 판을 통해 제어된 양의 운반체 가스를 분사하기 위한 수단, 동력 공급부(예를 들어, 듀칸(Dukane) 동력 공급부 ＃20 A 1000)에 의해 동력이 공급된 초음파 변환기(예를 들어, 듀칸 변환기 ＃41C27)에 의해 구동되는 초음파적으로 활성화된 오리피스(예를 들어, 브랜슨(Branson) 진공 호온 ＃109-017-215)를 포함하는 탈집괴 모듈 내로 들어간다. 입자는 혼합 챔버 내로 들어간 다음에, 교반기에 의해 부분적으로 탈집괴되고 운반체 가스와 혼합된다. 입자는 다공성 판을 통해 유동하는 운반체 가스에 의해 통기됨에 따라 오리피스의 저압 영역 쪽으로 흡인된다.
오리피스가 장착된 초음파 호온은 가스를 통해 챔버 내로 전달되는 음파를 발생시킨다. 호온의 기계적 운동과 결합되는 상기 음향 에너지는 입자를 탈집괴시키기에 충분한 세기를 갖는다. 입자가 오리피스로 보다 더 근접되게 이동함에 따라 상기 음향 에너지의 세기는 증가되며 탈집괴 정도가 증가된다. 초음파에 의해 유발되는 최강의 탈집괴력은 오리피스 근방에 존재하며, 쉽게 집괴되는 입자들은 통상적으로 오리피스에 축적되어 오리피스를 덮는 경향이 있는 반면에, 오리피스의 초음파 유발된 기계적 운동과 오리피스 근방에서의 큰 탈집괴 음향력의 조합은 그러한 경향을 억제한다. 다음에, 입자는 초음파적으로 진동된 오리피스를 통해 흡인되고 반응기 상의 입력 포트로 도입하는 전달 라인에 연결된 초음파 호온의 중심을 통해 통과된다. 입자가 혼합 챔버 내의 고압 영역으로부터 반응기 내의 저압 영역으로 가속화됨에 따라, 고압의 입자 내에 비말 동반된 가스는 고속 충돌 시와 같은 부가적인 탈집괴력을 제공하게 된다. 이러한 방식으로 기능을 수행하도록 본 실시예는 (a) 입자 공급 호퍼와 혼합 챔버간의 압력 강하가 최소이고, (b) 분사된 가스의 운동에 의한 고형체의 운반을 촉진하도록 혼합 챔버와 반응기간의 압력 강하가 충분하며, (c) 초음파 호온이 음향 에너지를 혼합 챔버 내로 전달함에 있어서 효율적이 되도록 혼합 챔버 내의 압력이 충분(예를 들어, ＞500 Torr)할 것을 필요로 한다.
상기 두 영역간의 상대 압력을 제어하기 위해서, (a) 가스의 제어량이 오리피스를 통해 공급되는 양에 부합하도록 혼합 챔버 내로 분사되며, (b) 오리피스는 적절하게 크기 설정된다. 오리피스는 전형적으로 약 0.2 ㎜ (0.008 in) 내지 3.0 ㎜ (0.120 in) 범위, 바람직하게는 약 0.5 ㎜ 내지 2.0 ㎜ 범위 내의 직경을 갖는 원형이다. 오리피스의 크기는 입자가 처리 장치 내로 공급되는 속도에 따라 그리고 이용되는 가스 압력에 따라 선택된다.
오리피스의 크기 및 혼합 챔버와 반응 챔버간의 상대 압력의 조합은 제어 가능한 시간당 입자 질량의 속도로 입자를 호퍼로부터 반응 챔버 입구로 이동시키는 "질량 유동 메커니즘"을 구성한다. 모터 종동 교반기, 오리피스에 인접한 영역의 초음파 여기, 및 혼합 챔버와 반응 챔버 사이의 가스 입자 혼합물이 겪게 되는 압력은 입자의 탈집괴와 분산을 달성하도록 입자를 반응 구역내로 도입하기 위한 메커니즘을 구성한다.
본 발명의 모든 실시예들의 특징은 탈집괴가 기계적 수단, 초음파 진동, 정전 수단, 및 운반체 가스의 처리량 중 하나 또는 그 조합에 의해 달성될 수 있다는 것이다. 처리 중인 입자가 안료 입자인 바람직한 공정은 활성 종을 갖는 입자의 약 2초보다 더 작은 유효 체재 시간을 생성시키게 된다. 본 발명의 공정의 주요 잇점은 미립자 거동이 비가역적인 열화를 야기시키지 않고 표면 특성의 바람직한 변화를 달성하도록 변형될 수 있다는 데에 있다. 집괴체 내에 함유된 주 입자를 가능한 한 많이 처리하는 것이 본 발명의 성공적인 실시에 있어서 중요한 요건이다. 마찬가지로, 처리 중인 특정 재료의 임계 온도가 초과되지 않도록 입자의 온도를 제어하는 것이 중요하다. 처리되어야 할 각 재료는 문헌 예를 들어 보고된 Tg 값으로부터 사전에 결정될 수 있거나 또는 실험에 의해 결정될 수 있는 임계 온도를 갖는다. 입자가 안료 입자인 경우에 특별한 관심이 되는 것은 그 처리 방법이다.
처리되어야 할 입자가 안료 입자인 경우에, 안료 입자의 온도를 안료 변색이 발생하게 되는 온도 이하로 유지하는 것이 바람직하다. 안료 입자는 본 발명의 공정에 의해 처리되어 입자의 표면이 안료 분산제를 보완하는 기능을 하도록 함으로써 파생된 색상 조성물의 장기간의 안정성을 향상시킨다. 표면 처리에 의해 영향을 받은 파생된 색상 조성물의 부가적인 특성은 유동성의 향상과, 색상 표류(color drift)의 최소화, 착색력 및 은폐(hiding)의 향상뿐만 아니라 피복 결합제의 보다 효율적인 분산성을 포함한다.
본 발명의 공정은 배치(batch) 처리 또는 연속 공정으로서 수행될 수 있다. 연속 공정에서, 입자는 연속식으로 처리될 수 있으며, 반응 챔버로부터 불연속식 또는 연속식으로 제거될 수 있다. 또 다른 특징은 운반체 가스가 존재하는 반응 챔버 내에서 탈집괴 입자를 분산시키는 것이다. 운반체 가스는 공정 가스와 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 공정 가스는 활성화 종이 활성화 플라즈마에 의해 발생하게 되는 가스이다. 하나 이상의 운반체 가스 및/또는 하나 이상의 공정 가스를 채용하는 것을 고려할 수 있다. 상기 공정의 수행 시에 필요한 경우에는 불활성 가스를 채용할 수도 있지만 불활성 가스를 채용하는 것이 반드시 필요한 것은 아니다. 헬륨과 같은 불활성 가스의 사용은 하류의 대기압 실시예에서 선호된다. 고려되는 공정과 운반체 가스는 처리 중인 미립자의 성질, 처리 방법(대기압 또는 부압), 및 소망하는 표면 변형에 따라 좌우된다. 이후에 보다 상세하게 논의되는 바와 같이, 공정 가스는 산소, 질소, 수증기, 과산화 수소, 이산화탄소, 암모니아, 오존, 일산화탄소, 트리메틸실란, 테트라에톡시실란(TEOS), 헥사메틸디실록산, 에틸렌, 디아민, 말레산 무수물, 아릴라민, 아세틸렌, 메탄, 산화에틸렌, 수소, 스티렌, 공기, 이산화황, 술포닐 전구체, 포스포닐 전구체, 알코올 중에서 선택될 수 있으며, 헬륨 및 아르곤과 같은 불활성 가스를 포함한다. 운반체 가스는 거론된 공정 가스로부터 선택될 수 있다. 어떤 공정 조건하에서, 공정 가스의 활성화는 특히 대기압 처리가 하류 실시예에서 수행되는 수명이 짧은 활성화 종을 발생시킨다. 반응 구역내에서의 활성화 종의 유용성을 확보하기 위해서 불활성 가스, 특히 헬륨을 채용하는 것이 선호된다. 부가적으로, 이후에 보다 상세하게 논의되는 바와 같이 공정 가스 및/또는 운반체 가스를 재순환시키는 것이 비용 효율적이고 바람직하다.
본 발명의 저압 실시예의 장치 및 방법의 대표적인 특징은 활성화된 가스 종을 분산시키는 분산기 판을 사용하고, 대전된 종의 존재를 감소시키며, 반응 챔버 내의 최대 에너지 밀도를 저하시키는 것을 포함한다. 분산기 판을 사용함으로써 플라즈마 전위가 약 1 볼트를 초과하지 않는 것이 확보된다. 고려되는 시스템 압력은 전형적으로 약 10 Torr를 초과하지 않으며, 바람직한 압력은 약 1 Torr보다 크지 않다.
도1은 본 발명의 장치의 개략적 블록 선도이다. 모든 실시예들은 유사한 요소를 포함하지만, 상이한 방식으로 배열된다. 이 장치는 관련 동력 공급부(1S)와 반응기 조립체(2)를 구비한 플라즈마 공급원(1)을 포함한다. 제1 실시예에서, 공급기(3F) 및 탈집괴 모듈(3D)을 포함하는 공급기 조립체(3)는 탈집괴된 입자를 반응기(2)의 반응 구역(2Z) 내로 도입한다. 제2 실시예에서, 공급기(3F') 및 탈집괴 모듈(3D')을 포함하는 공급기 조립체(3')는 탈집괴된 입자를 플라즈마 생성 구역(1Z) 내로 도입하며, 상기 플라즈마 생성 구역은 본 실시예에서 반응 구역(2Z)과 공통된다. 수집 조립체(4)가 처리된 입자를 수집한다. 가스/입자 분리기(6) 및 가스 이동 장치(7)를 포함하는 가스 제거 조립체(5)가 가스와 가스에 비말 동반된 잔류 입자를 반응기 조립체(2)로부터 제거한다. 가스 이동 장치(7)는 진공 펌프 또는 팬 유닛의 형태를 취할 수 있다.
도2는 시스템 제어 유닛(12), 반응기 조립체(20), 마이크로파 플라즈마 발생기(40), 입자 공급기 조립체(50), 입자 수집 조립체(70), 입자 분리기 조립체(80), 진공 펌프 조립체(90), 공정 가스 공급원(100), 관련 필터(102), 관련 질량 유동 제어기(104), 운반체 가스 공급원(110), 관련 필터(112), 관련 질량 유동 제어기(114), 냉각수 공급원(120), 및 가압 공기 공급원(130)을 포함하는 본 발명의 장치의 제1 실시예를 도시하고 있다. 프로그램화 가능한 제어기와 같은 임의의 종래의 제어 유닛일 수 있는 시스템 제어 유닛(12)은 압력 변환기(14, 16), 질량 유동 제어기 유동 신호 출력(104S, 114S)을 통해 공정 상태를 감시하고, 제어 신호(17, 18, 104C, 114C)를 통해 공정 변수를 제어한다. 반응기 조립체(20)는 다수의 플랜지형 튜브 부분(22, 24)과 Y자형 플랜지형 부분(26)을 포함하는 대체로 원통형 구조이다. Y자형 부분(26)은 부속물(26A) 및 저장 용적부(26V)를 포함한다.
가스켓 또는 O 링을 포함할 수 있는 적절한 밀봉체(30)[도5에 가장 잘 도시되어 있음]가 장치 전반에 걸쳐 모든 플랜지 연결부에서 채용되어 조립 시에 장치 진공을 긴밀하게 한다. 마이크로파 플라즈마 발생기(40)는 모델 AX2115-2 마이크로파 동력 발생기(40G), 모델 AX3030 의사 부하(40L)를 갖는 모델 AX3120 순환기(40C), 모델 AX3045 자동화 마이크로파 튜너(40T), 및 모델 AX7020 하류 플라즈마 발생기(40P)를 포함하고, 이들 모두는 메사추세츠주 워번 소재의 어플라이드 사이언스 앤드 테크놀로지스(Applied Science and Technologies)로부터 입수가능한 상용 조립체이다. 선택적으로, 하나 이상의 와류 냉각기(132)가 플라즈마 발생기(40P)를 냉각시키기 위해서 사용될 수 있다. 도5 및 도6에 도시된 바와 같은 선택적 분산기 조립체가 반응기 조립체(20)의 반응 구역(20R) 내의 공정 가스의 온도를 감소시키고 이 공정 가스를 보다 양호하게 분배하기 위해서 채용될 수 있다. 입자 공급기 조립체(50)는 3.5 입방 피트의 원추형 호퍼(308)가 장착되고, 뉴 저지주 피트맨(Pitman) 소재의 크트론(KTRON) 노쓰 아메리카로부터 입수가능한 브릿지(bridge) 파쇄기(회전 교반기)(310)가 끼워 맞추어지고, 외부 구동 모터 조립체(60)에 의해 구동되는 모델 KW2MV-T35 나사 이송기(306)를 포함한다. 모터(312)에 의해 구동되는 나사 이송기 기구(306)는 확산 매니폴드(320)와, 반응기(20)를 이송하는 탈집괴/분산 기구(322)를 향해 부분적으로 집괴된 입자를 반송하기 위해 사용될 수 있다. 입자 수집 조립체(70)는 챔버(76, 78)와 밸브(77, 77')를 포함하는 에어록(airlock) 수집 조립체(74)를 포함하며, 처리 공정의 중단 없이 반송 수단(402)에 의해 반응기 조립체(20)로부터의 처리 제품을 수납 용기(400) 내로 제거하는 것을 촉진시킨다. 입자 분리기 조립체(80)는 카트리지 또는 백(bag) 필터와 같은 적절한 필터(82F)를 보유한 원통형 필터 하우징(82)과, 측면 포트(84P1)를 구비한 플랜지형 파이프 조립체(84)를 포함한다. 모터(82M)에 의해 구동되는 필터 요동 기구(82S)가 필터(82F)로부터 축적 입자를 주기적으로 요동시키기 위해서 사용될 수 있다. 압력 센서(14)가 포트(84P1)에 연결되어 필터 하우징 내의 필터의 진공 펌프측의 압력을 감시한다. 파이프 조립체(88)가 분리기 조립체를 반응기 조립체(20)의 Y자형 부분(26)의 부속물(26A)에 연결시킨다.
진공 펌프 조립체(90)는 메사추세츠주 윌밍톤 소재의 에드워즈 하이 버큠 인터내셔널(Edwards High Vacuum International)사의 모델 EH1200 기계적 부스터 펌프와 결합된 모델 E2M40과 같은 임의의 적절한 상용 진공 펌프를 포함하며, 전형적으로 상용 진공 장치 플랜지 연결부를 갖는 적절한 파이프(92)에 의해 입자 분리기 조립체(80)에 연결된다. 필요에 따라, 밸브(84V)가 분리기 조립체(80)를 진공 펌프(90)로부터 격리시키기 위해서 사용될 수 있다. 도2의 장치는 연속 공정을 수행하기에 유용하다. 미립자는 개방 용기(300)로부터 공압(또는 기타) 수단(302)을 거쳐 공급기 조립체(50)로 반송된다. 미립자가 대기로 탈출하지 않도록 하기 위해 공압 반송 수단을 사용할 때 선택적인 환기구(220)와, 필터(230)가 사용될 수 있다. 입자는 입자를 연속 공정식으로 공급하는 것을 가능하게 해주는 진공 밀봉체를 형성한다. 모터(60)에 의해 구동되는 회전 교반기(310)가 호퍼 내에 제공되어 유동 유발 채널 개구를 통한 대기로의 진공 밀봉체의 손실을 회피시킨다. 공급기 조립체(50)로부터 반응기 입구로의 공급은 전달 라인(213), 및 분산 매니폴드(320)를 통한 질량 유동 제어를 포함하며, 여기서 질량 유동 제어기(114)로부터의 운반체 가스는 반응기 입구의 탈집괴/분산 기구(322)를 통해 보다 미세하게 분할될 수 있는 유동화된 혼합물과 혼합된다. 운반체 가스의 이용은 진공/필터 요건을 낮추기 위해 최소화된다. 운반체 가스와 입자의 혼합물은 고속으로 반응 챔버 내로 들어간다. 혼합물이 반응 챔버 내로 들어가는 것에 따른 운반체 가스의 팽창은 입자를 더욱 분산시킨다. 약간의 탈집괴된 입자는 반응기 조립체의 벽에 충격을 가하며, 그 운동량은 입자가 반응 구역의 용적부 내에서 파괴되어 고도로 분산된 입자의 구름을 형성한다.
제품은 처리 후에 반응기 조립체 용기로부터 대기압 상태의 수납 용기(400)로의 후속 제거를 위해 반응기 저부를 향해 수집 조립체(74) 내로 떨어진다. 챔버(78)는 챔버(76)가 처리 제품을 계속해서 수납하는 동안에 주기적으로 비워짐으로써, 반응 챔버로부터 연속적으로 처리 입자를 효과적으로 제거한다. 다음에, 진공 펌프 쪽으로 유동하는 미립자 함유 가스 흐름이 필터 조립체(80)에 의해 여과되어 요동기(82S)에 의한 필터 세척 시에 수집 조립체의 내부로 복귀되는 안료 입자를 제거해서 제품의 수율을 최대화한다. Y자형 부분(26)의 부속물(26A)의 상향 각도는 바람직하게는 수평선 상방으로 45도 내지 60도 사이의 각도로 경사져서 필터 조립체에 도달하는 잔류 입자의 양을 최소화한다.
하류 플라즈마 발생기 내의 활성화 가스 종의 라디칼 발생은 플라즈마 발생기 내에서 석영 튜브를 냉각시키고 석영 튜브가 초평활면 마무리 처리를 갖게 함으로써 최적화될 수 있다. 석영 튜브는 전형적으로 오하이오주 신시네티 소재의 아이티더불유 볼텍(ITW Vortec)사의 모델 10604-H와 같은 와류 튜브를 사용함으로써 냉각되며, 플르오르화 질소(HF) 에칭을 사용해서 주기적으로 평활하게 될 수 있다. 예를 들어, 디스셀(Dissell)이 오스틴 소재의 유니버시티 오브 텍사스의 박사 학위 논문으로 1994년 12월자로 발표한, "메탄 및 수소로부터의 선택적 영역 레이저 증착 공정 및 제어"를 참조하자.
도3은 시스템 제어 유닛(12), 반응기 조립체(20), 마이크로파 플라즈마 발생기(40), 입자 공급기 조립체(50'), 입자 수집 조립체(70), 입자 분리기 조립체(80), 및 진공 펌프 조립체(90), 진공 가스 공급원(100), 관련 필터(102), 관련 질량 유동 제어기(104), 운반체 가스 공급원(110), 관련 필터(112), 관련 질량 유동 제어기(115, 117), 냉각수 공급원(120), 및 가압 공기 공급원(130)을 포함하는 본 발명의 장치의 제2 실시예를 도시하고 있다.
프로그램화 가능한 제어기와 같은 임의의 종래의 제어 유닛에 의해 실시될 수 있는 시스템 제어 유닛(12)은 변환기(14, 16)를 통해 공정 상태를 감시하고 제어 신호(17, 18, 104C, 115C, 117C)를 통해 공정 변수를 제어한다. 도2의 반응기 조립체와 유사한 반응기 조립체(20)는 다수의 플랜지형 파이프 및 튜브 부분(22, 24), Y자형 플랜지형 부분(26), 및 단부 캡(25)을 포함하는 대체로 원통형인 구조이다. 파이프 부분(22)은 다수의 나사산 형성 측면 포트(22P1, 22P2, 22P3)를 구비한다(도5 참조). 마이크로파 플라즈마 발생기(40)는 도2와 관련해서 설명한 바와 같은 상용 조립체이다. 전술한 바와 같이 선택적인 분산기 조립체가 사용될 수 있다. 도4에 가장 잘 도시된, 입자 공급기 조립체(50')는 변형된, 뉴욕주 웨스트베리 소재의 메트코 인크.(Metco Inc.)사의 입자 공급 호퍼를 포함한다.
입자 수집 조립체(70)는 수집 용기(72)를 포함한다. 전형적으로 반응기 조립체로의 진공 기밀 부착을 위해 플랜지형으로 된 수집 용기(72)는 수집 용기로부터 처리된 제품이 제거되고 비워지는 동안에 반응기가 대기압으로 복귀될 것을 필요로 하는 배치(batch) 방식의 작업을 위해 사용된다.
입자 분리기 조립체(80)는 메릴랜드주 엘크톤(Elkton) 소재의 더불유.엘. 고어 앤드 오소우시에이츠(W.L. Gore & Associates)사로부터 입수가능한 상표명 고어텍스 라이트 펄스(GoreTex Light Pulse) 필터 카트리지 하에 판매되는 팽창 PTFE 박막 카트리지와 같은 적절한 카트리지 필터(82F)를 수용하는 원통형 필터 하우징(82)과, 측면 포트(84P1, 84P2)를 구비한 플랜지형 파이프 조립체(84)를 포함한다. 압력 센서(14)가 포트(84P1)의 한 측면 상에 장착되어 필터 하우징 내의 압력을 감시한다. 한 쪽이 대기로 개방된 밸브(15)가 포트(84P2)에 연결될 수 있으며, 전형적으로 필터 카트리지(82F)에 순간적으로 역펄스(back pulse)를 가해서 축적된 입자를 제거하기 위해 사용된다. 파이프 조립체(88)는 분리기 조립체를 반응기 조립체(20)의 Y자형 파이프 부분(26)에 연결시킨다. 진공 펌프 조립체(90)는 도2와 관련해서 설명한 바와 같은 임의의 적절한 상용 진공 펌프를 포함할 수 있으며, 전형적으로 상용 진공 장치 플랜지 연결부를 갖는 적절한 파이프(92)에 의해 입자 분리기 조립체(80)에 연결된다.
도4는 가스 입구 조립체(52)를 재배치하고, 동력 픽업 튜브를 제거하고 동력 통기 판(58)의 면적을 감소시키며, 교반기 조립체(54), 하나 이상의 세라믹 볼(56), 및 입자 스크린 조립체(203)를 부가 합체하기 위해 변형된 입자 공급기 조립체(50')를 도시하고 있다. 교반기 조립체(54)는 외부 구동 모터 조립체(60)에 의해 구동된다. 질량 유동 제어기(115)는 운반체 가스를 밸브(116)를 통해 입구 포트(209)로 공급한다. 질량 유동 제어기(117)는 운반체 가스를 밸브(118)를 통해 공급기 조립체(50')의 입구 포트(210, 211)로 분배한다. 입자는 클램프 조립체(202)에 의해 고정된 호퍼 상부(201)를 통해 저장소(205) 내의 스크린 조립체(203) 내의 스크린 조립체(203) 상으로 쌓인다. 입자는 스크린 조립체(203) 상에 안착한다. 교반기 조립체는 하나 이상의 브릿지 파쇄기(204), 하나 이상의 브릿지 파쇄기 스위퍼(sweeper)(200), 스크린(203), 교반기 볼(56), 및 구동축 조립체(206)를 포함한다. 교반기 조립체는 가요성 구동축(207)에 의해 모터(60)에 연결된다. 공급 사이클의 개시후에, 이하의 사건들이 동시에 발생한다. 밸브(116, 118, 119)(도3 참조)가 개방된다. 운반체 가스 라인 내dptj 질량 유동 제어기(115)의 다음에 배치된 밸브(116)가 개방되면 운반체 가스는 포트(209)를 통해 공급기 조립체(50) 내로 들어갈 수 있게 된다 운반체 가스 라인 내의 질량 유동 제어기(117)에 의해 공급된 밸브(118)가 개방되어 운반체 가스가 통기 포트(210, 211)를 통해 공급기 조립체(50) 내로 들어갈 수 있게 해준다. 브릿지 파쇄기(200, 204)는 입자를 호퍼 저장소(206)로부터 멀어지게 호퍼 저장소의 내벽을 따라 하방으로 이동시킨다. 스위퍼(200)는 스크린 조립체(203)를 횡단해서, 볼(56)과 상호 작용하고 집괴된 입자를 파쇄시키고 체질한다. 또한, 볼(56)이 수직으로 이동하고, 스위퍼(200) 위를 굴러서, 스크린(203)과 충돌함으로써, 입자를 스크린으로부터 청소시키고 체질 작용을 증대시킨다. 부분적으로 탈집괴된 입자는 지점(211)에서 유입하는 가스의 유동화 작용에 의해 탈집괴가 더욱 야기되는 스크린을 통해 체질된다. 호퍼와 반응기 사이의 밸브(119)가 개방되어 영역(50L) 내의 가스 및 입자가 반응기 내로 공압적으로 분산될 수 있게 해준다. 유동 제어는 가압 공기(130)에 의해 동력을 공급받는 호퍼 조립체를 공압적으로 진동시킴으로써 더욱 조장된다.
입자는 호퍼의 하부 부분(50L) 내의 입자를 유동화시키기에 충분한 기계적 에너지를 제공하고 입자를 처리 시스템 내의 전체적인 압력 감소를 억제하지 않고 반응 챔버 내로 전달하기 위해서, 이하의 동시 작용에 의해 즉 세라믹 볼과의 기계적 교반과 스크린 조립체를 통한 체질, 상부 입자 저장소(205)와 하부 영역(50L)간의 압력차의 제어, 및 포트(210, 222)를 통한 충분한 운반체 가스의 공급에 의해 탈집괴되고 분산된다. 반응기와 하부 영역(50L)간의 압력차는 유동화되고 부분적으로 탈집괴된 입자가 전달 라인(213) 내로 들어가게 하며, 상기 전달 라인에서 입자는 반응기 쪽으로 공압적으로 반송되고 가속화된다. 이러한 신속한 가속화는 입자의 입자 상호 간의 고속 충돌과 입자와 전달 라인 벽과의 고속 충돌을 야기시켜서, 운반체 가스를 탈집괴를 더욱 수행하게 한다. 필요에 따라, 도2에서와 같은 다른 탈집괴/분산 기구(322)가 채용될 수 있다. 입자는 고속으로 이동해서 반대쪽 반응기 벽과 충돌하면서 노즐 조립체(22N)(도5 참조)를 통해 반응기(20) 내로 들어간다. 본 기술 분야에 숙련된 자에게는 명백한 바와 같이 다른 유형의 분산 목표판이 채용될 수 있다. 그 결과, 반응기 용적부 전반에 걸쳐 빠르게 유동하는 분산이 있게 된다.
도5는 필요할 수도 있는 임의의 잔류 탈집괴를 수행하기 위해 시스템 압력 하에서 분산되는 탈집괴된 미립자용 입구를 포함하는 반응 챔버 영역을 도시하고 있다. 또한, 활성화 가스 종을 분배하고, 플라즈마 전위를 감쇄시키며, 가장 강하게 여기된 플라즈마 영역으로부터 입자를 보호하기 위한 하나의 분산기 판 조립체(44)가 도시되어 있다. 이러한 효과를 달성하는 임의의 등가한 분산기 기구(44)가 채용될 수 있다. 반응 챔버 내로 도입 중인 벌크 입자와 플라즈마와 사이에는 임의 배향의 적어도 하나의 판이 제공될 수 있다. 상기 판들은 상기 결과를 수행하기 임의의 경사도 또는 디자인 패턴으로 될 수 있다.
도6에서는 도5에서 언급한 3개의 분산기 판이 도시되어 있다. 분산기 판은 통상적으로 공정에 적합하고 활성화 가스 종의 소망하는 라디칼이 다량인 흐름을 갖는 유동에 대해 유익한 재료인 석영으로 제작된다. 상부 분산기 판(46)(도6a 참조)은 플라즈마 흐름을 냉각시켜 석영 판의 용융을 방지할 수 있게 해주기에 충분한 거리로 플라즈마 발생기의 하류의 ASTeX의 개구 아래에 배향된다. 상부 분산기 판(36)의 중심부가 제거되어 고속 고에너지 가스 종이 가스 종을 위한 오프셋 개구 또는 경로를 갖는 일련의 분산기 판 내로 들어 갈 수 있게 해주어서, 이들 가스 종이 처리될 입자 쪽으로 이동하고 있는 동안에 플라즈마 성분 및 플라즈마와 양립성이 있는 분산기 판들간의 충돌 횟수를 증대시킨다. 가스 종의 충돌 횟수의 증가는 처리될 입자와의 상호 작용을 위한 라디칼이 풍부한 흐름을 남겨둔 채로 이온과 전자간의 재결합을 유발시킨다. 석영은 전형적으로 라디칼이 풍부한 흐름을 유지하기 위해 분산기 판에 대한 오프셋 경로를 구성하도록 사용되지만, 공정에 이롭고 활성화된 공정 가스와 양립성이 있는 기타 재료가 사용될 수 있다. 부가적으로, 저부 분산기 판(48)(도6c 참조) 내에 절결된 구멍은 상부 분산기 판(46, 47)(도6b 참조)의 구멍보다 구조물의 중심선에 대한 직경이 점차적으로 작아져서 이온과 전자간의 충돌 횟수를 최대화해서 라디칼이 풍부한 흐름을 최적으로 야기시키고 처리 중인 미립자의 역류 가능성을 최소화한다.
도7은 많은 면에서 제1 및 제2 실시예와 유사한 본 발명의 장치의 제3 실시예의 간략도를 도시하고 있다. 본 실시예는 탈집괴 모듈(500), 입자 수집 조립체(70'), 및 진공 펌프 조립체(90)를 합체한 입자 공급기 조립체(50')를 이용한다. 도시의 간략성을 위해, 이전의 실시예들과 공통되는 몇 가지 요소는 도시되고 있지 않다. 도2에 도시된 것과 사실상 동일한 반응기 조립체(20)가 간략화된 형태로 도시되어 있다. 입자 공급기 조립체(50')는 도2에 도시된 것과 유사하다. 모터(312)에 의해 구동되는 나사 이송기 기구(306)는 집괴된 입자를, 반응기(20)를 이송하는 탈집괴 모듈(500)로 반송한다. 입자 수집 조립체(70')는 챔버(476), 밸브(477), 모터(462)에 의해 구동되는 나사 이송기 기구(456), 및 처리된 제품을 처리 공정의 중단 없이 챔버(476)로부터 수납 용기(400) 내로 제거하는 것을 촉진시키는 공압 운반 조립체(402)를 포함한다. 공압 운반 조립체(402)는 질소와 같은 반송 가스 공급원(404), 제1 밸브(406), 제2 밸브(408), 진공 펌프(410), 필터 조립체(412), 라인(414), 전달 라인(416), 제3 밸브(418), 필터 조립체(420), 제4 밸브(422), 및 제5 밸브(424)를 포함한다. 입자 분리기 조립체(80')는 분리기 조립체(80)와 유사하며, 사이클론 분리기(481) 및 관련 수집 용기(481C)가 부가되고 있다. 사이클론 분리기(481)는 진공 펌프(90) 쪽으로 유동하는 미립자 함유 가스 흐름으로부터 대부분의 입자를 제거한다. 이것은 필터(82F)에 쌓이는 입자의 갯수를 감소시킴으로써, 필터(82F)의 횡단 압력 강하를 최소화한다. 용기(481C) 내에 수집된 비교적 소량의 안료 입자는 손으로 제거되거나 또는 기계적 수단에 의해 수납 용기(400) 내로 반송된다. 참조 부호 548로 표시되고 도5와 관련해서 설명한 분산기 판(46, 47, 48))과 유사한 하나 이상의 선택적 분산기 판들이 미립자가 플라즈마 공급원(40) 내로 들어가는 것을 방지하기 위해 사용될 수 있다.
도7의 장치는 연속 공적을 수행하기에 유용하다. 미립자가 개방 용기(300)로부터 도1과 관련해서 설명한 공급기 조립체(50')로 반송된다. 원추형 호퍼(308)로부터 탈집괴 모듈(500)로의 공급은 나사 이송기(306)에 의해 제어된다. 탈집괴 모듈(500)은 집괴된 입자를 수용하고, 이들 입자를 운반체 가스와 혼합하며, 이들 입자를 초음파적으로 교반되는 오리피스(514)[도11에 가장 잘 도시되어 있음]를 통해 통과시키며, 상기 오리피스에서 입자는 탈집괴된 다음에 반응기(20)로 공급된다. 운반체 가스의 이용은 오리피스(514)의 크기에 의해 제어되어 입자를 탈집괴된 상태로 유지하면서 진공 펌프/필터 요건을 최소화한다. 운반체 가스와 입자의 혼합물은 반응 챔버(20) 내로 고속으로 들어간다. 혼합물로서의 운반체 가스의 팽창물은 반응 챔버 내로 들어가서, 입자를 분산시키고, 반응 구역의 용적부 내에 크게 분산된 입자의 구름을 형성한다. 몇 개의 탈집괴된 입자는 반응기 조립체의 벽에 충격을 가하며, 이들의 운동량은 입자가 상당한 정도로 파괴되게 한다. 처리 후에, 제품은 반응기(20)의 저부 용적부(20V) 쪽을 향해 그리고 밸브(477)를 통해 통상적으로 개방 상태로 유지되는 챔버(476) 내로 떨어진다. 챔버(476)는 대기압 상태의 수납 용기(400) 내로 주기적으로 비워진다. 반응기(20)의 저부 용적부(20V)가 처리된 제품을 계속해서 수납하는 동안에 밸브(477)가 폐쇄되고 챔버(476)가 비워진다. 다음에, 밸브(477)가 개방됨으로써 반응 챔버로부터 연속적으로 처리 입자를 효과적으로 제거한다.
챔버(476) 내의 입자의 수준이 소정 수준에 도달했을 때, 소기(emptying cycle) 사이클이 개시된다. 밸브(477)가 폐쇄된 직후의 사이클의 시작 시에, 밸브(406, 418)는 폐쇄 상태에 있다. 다음에, 진공 펌프(410)가 챔버(476)를 반응 챔버(20)의 압력과 동일한 저압으로 비워지게 하는 것을 허용하도록 개방되었던 밸브(408)가 폐쇄된다. 밸브(406, 418)가 개방되고 모터(462)가 여기되어 나사 이송기(456)가 입자를 챔버(476)의 출력 포트로 공급하여 전달 라인(416)을 향해 전달되게 한다. 가스 공급원(404)은 반송 가스를 라인(414)을 통해 챔버(476) 유동하게 하며, 미립자 함유 가스 흐름이 전달 라인(416)을 통해 수납 용기(400)로 유동하게 한다. 밸브(424)가 개방되어 과잉 가스가 필터 조립체(420)를 통해 대기로 환기될 수 있게 해준다. 챔버(476)가 비워졌을 때, 밸브(406, 418)가 폐쇄되고 밸브(408)가 개방되어 진공 펌프(410)가 챔버(476)를 반응기(20)의 압력과 동일한 저압 수준으로 재차 비울 수 있게 해준다. 다음에, 밸브(477)가 개방된다. 주기적으로, 필터(420)는 밸브(44)를 짧은 시기에 걸쳐 개방함으로써 필터를 짧은 가스 폭발에 의해 역펄스를 가함으로써 축적된 입자가 청소될 수 있다.
도7의 장치는 저압 플라즈마 공급원을 사용해서 본 발명의 공정의 하류 실시예에서의 유기 분말 표면과 같이 감열성 탈집괴 입자 표면을 변형시키기 위해 이용될 수 있다. 플라즈마 공급원에 의해 활성화 가스 종의 발생과 입자의 탈집괴 양자 모두는 충분히 낮은 압력을 유지하는 동시에 상당한 양의 가스의 사용을 필요로 한다. 비교적 적당한 처리 속도에서 저압 요건은 쉽게 조절될 수 있다. 탈집괴된 유기 입자의 표면을 대기압에서 변형시킴으로써 진공 시스템에 대한 필요성을 제거하는 것이 바람직할 것이다. 대기압에서 생성된 전형적인 평형 또는 열적 플라즈마는 유기 입자를 열적으로 열화시킬 수 있는 고온을 나타낸다. 비평형 대기압 플라즈마 공급원에 의해 발생된 본질적으로 저온인 활성화 가스 종이 열적 열화 없이 열감성 유기 재료의 표면을 변형시키기 위해서 종래 기술에서 사용되어 왔다. 쉽게 집괴되는 유기 입자는 분말이 먼저 타집괴되어 활성화 종에 노출되는 표면적을 증가시켰을 때 상기와 같은 비평형 플라즈마 공급원에 의해 처리될 수 있다. 이러한 공정은 두 가지 대체 실시예 중 어느 하나에 의해, 즉 도8에 도시된 장치를 채용해서 플라즈마 공급원의 하류에서 탈집괴된 입자를 처리하거나, 또는 도9의 장치를 채용해서 탈집괴된 입자를 공급원을 통해 직접 통과시킴으로써 달성될 수 있다.
도8은 플라즈마 공급원의 하류에서 반응 챔버(20) 내에서 입자를 처리하는 활성화 종을 생성시키기 위해 종래 기술에서 알려진 것과 유사한 유전성 장벽 방전 공급원(540)을 사용한 대기압 공정을 도시하고 있다. 플라즈마 공급원(540)은 동력 공급부(540S), 유전층(542D, 544D)으로 덮여지거나 피복된 전극(542, 544)으로 이루어질 수 있다. 본 실시예에 따르면, 미립자는 먼저 도7과 관련해서 설명한 탈집괴 모듈(500)을 합체한 공급기 조립체(50'')에 의해 탈집괴된다. 공급기 조립체(50'')는 저장고(bin)(604), 저장고(604)로부터 호퍼(608) 내로 미립자를 공급하는 회전 밸브(606)를 포함한다. 회전 밸브(606)는 챔버(608)가 2개의 압력 분위기로 유지될 수 있게 해준다. 탈집괴 모듈(500)로 공급 중인 공급원(550)으로부터의 가스는 호퍼(608)를 가압하기 위해 나사 이송기(306)를 부분적으로만 충전시키는 미립자 재료에 침투한다. 필요에 따라서, 공정 가스는 공급원(550)으로부터 밸브(553)를 통해 호퍼(608) 내로 직접 공급되어, 호퍼(608)를 탈집괴 모듈(500)과 동일한 압력으로 유지한다. 임의의 종래의 형태를 취할 수 있는 혼합기(630)가 제공되어 입자의 나사 이송기(306)로의 안정적인 유동을 확보한다. 대기압에서 수행되는 본 실시예에서, 진공 펌프(90)는 배기 팬(90')으로 대체될 수 있다.
도5와 관련해서 설명한 분산기 판(48)과 유사한 선택적인 분산기 판(548)이 미립자가 플라즈마 공급원(540) 내로 들어가는 방지하기 위해 사용될 수 있다. (수명이 긴 활성화 종이 발생될 때의) 단일 공정 가스 또는 (수명이 짧은 활성화 종이 발생될 때의) 가스 혼합물로 된 공급원(560)이 전술한 바와 같이 사용될 수 있다. 하류 접근법에서, 플라즈마 가스는 이 가스를 유전성 장벽 방전과 같은 비평형 저온 플라즈마 공급원을 통해 통과시켜서 입자의 비가역적인 열적 열화 없이 탈집괴된 유기 입자의 표면을 변형시킬 수 있는 플라즈마 활성화 종을 생성시킴으로써 활성화된다. 본 실시예에서, 공급원에서 생성된 플라즈마 활성화 종은 하류의 별도의 반응 구역내에서 이용된다. 긴 수명의 종에 대해서는, 단일 가스가 활성화 종의 생성을 위한 플라즈마 공급원으로 공급될 수 있다. 실내 온도 근방의 대기압에서 안정적인 종의 일예인 오존이 유전성 방벽 방전 플라즈마 공급원 내의 무성 방전을 통해 해리 분자 산소에 의해 생성될 수 있다. 특수한 공정 가스의 활성화에 의해 수명이 짧은 활성화 종이 발생될 때, 가스들의 혼합물이 하류 반응 구역내의 활성화 종의 존재를 확보하기 위해 사용될 수 있다. 이산화탄소(CO2)로부터 발생하는 종과 같은 많은 플라즈마 활성화 종은 하류 실시예에서 사용하기에 충분할 만큼 수명이 길지 못하다. 헬륨과 같이 충분한 고에너지 준안정 상태를 갖는 가스로 희석되는 경우에, 공정 가스는 하류 실시예에서 사용하기에 충분한 활성을 유지한다.
이것은 희색 가스가 활성화 종의 재결합 충돌 가능성을 감소시키는 것으로 여겨진다. 희석 가스의 준안정 상태는 반응 구역내에서 에너지를 방출함으로써 부가적인 활성화 종을 생성시킨다. 하류 실시예의 일례로서, 디케토-피롤로피롤 적색(DPP 적색)과 같은 적색 안료의 표면은 유전성 방벽 방전을 이용하여 순수 산소, 또는 산소와 헬륨의 혼합물, 또는 CO2와 헬륨의 혼합물을 플라즈마 공급원 내로 도입함으로써 대기압에서 변형될 수 있다. 플라즈마를 활성화하기 위해 적절한 동력 및 전압을 사용함으로써, 충분히 저온인 활성화 가스 종이 반응 챔버 내로 도입될 수 있다.
탈집괴된 DPP 적색 안료 입자가 반응 챔버 내로 도입되어 활성화 가스 종에 노출될 수 있다. 입자의 표면 열화가 없는 표면 변형이 입자의 사실상의 재집괴 전에 발생할 수 있다. 본 실시예에서, 안료는 충분한 플라즈마 가스 유동율 및/또는 분산기 판의 사용에 의해 플라즈마 활성화 영역 밖에서 유지될 수 있다.
도9는 플라즈마 공급원(640) 내에서 반응 챔버(620) 내의 미립자를 처리하는 활성화 가스 종을 생성시키기 위해, 종래 기술에서 알려진 것과 유사한 유전성 방벽 방전 공급원(640)을 이용한 대기압 공정을 도시하고 있다. 상기 공급원 내부 실시예에 따르면, 미립자는 먼저 탈집괴 모듈(500)을 합체한 공급기 조립체(50'')에 의해, 도8과 관련해서 설명한 바와 같이 탈집괴된다. 본 실시예에서, 운반체 가스의 공급원(550)은 밸브(552)를 통해 탈집괴 모듈을 공급한다. 필요에 따라서, 공정 가스가 공급원(550)으로부터 밸브(533)를 통해 호퍼(608)로 공급되어 호퍼(608)를 탈집괴 모듈(500)에서의 압력과 동일한 압력으로 유지시킨다. 도시된 바와 같이, 운반체 가스는 공정 가스로서의 역할도 한다. 선택적으로, 부가적인 공정 가스의 공급원(560)이 도시된 바와 같이 제공될 수 있다. 밸브(556, 558)가 부가적인 공정 가스의 유동을 제어하기 위해 제공될 수 있다. 플라즈마 공급원(640)은 동력 공급부(540S)와, 유전층(642D, 644D)으로 덮여지거나 피복된 전극(642, 644)으로 이루어질 수 있다. 선택적인 전극 위치 설정 장치(646)와 수냉각과 같은 선택적인 전극 냉각 장치(648)가 도시된 바와 같이 제공될 수 있다. 도7과 관련해서 전술한 바와 같이, 반응 챔버(620)의 저부 용적부(620V) 내의 입자의 수준이 소정 수준에 도달하면 소기 사이클이 개시된다.
도9의 전형적인 공급원 내부 실시예에 있어서, 입자의 표면을 활성화 가스 종에 의해 변형시키기 위해서 탈집괴된 유기 입자를 비평형 저온 플라즈마 공급원을 통해 직접 통과시키는 것도 가능하다. 본 실시예에서, 탈집괴된 입자는 플라즈마 생성 영역을 통과함으로써 변형을 위해 상당히 증가된 표면적을 노출시킨다. 유전성 방벽 방전이 종 활성화를 위해 채용될 수 있는 비평형 플라즈마 공급원의 한 유형이다. 플라즈마 가스는 공급원 내부에서 연속적으로 활성화되기 때문에, 종 수명이 하류 구성보다 덜 중요하다. 공급원 내부 실시예에서는 단일 공급 가스 또는 가스들의 혼합물이 사용될 수 있다. 공급되는 가스를 헬륨과 같은 증가된 양의 가스와 혼합시키면, 플라즈마 생성 체적부 내의 무성 방전이 대기압 불꽃 방전으로 변환된다. 입자의 표면 변형은 사실상 완전히 플라즈마 발생 구역내에서 발생하지만, 유기 입자의 사실상의 재집괴 전에 충분한 가스 활성이 유지된다면 하류에서도 계속될 수 있다. 플라즈마 공급원 내에서 발생된 여기 전자와 광자는 미립자 재료의 부가적인 표면 변형을 야기시킨다.
전형적인 공급원 내부 실시예에서, 탈집괴된 DPP 적색의 표면은 공급원 내의 플라즈마 가스를 적절한 수준의 동력과 전압으로 활성화하는 동시에 안료 입자를 유전성 방벽 방전 공급원을 통해 통과시킴으로써 변형될 수 있다. 플라즈마 가스는 운반체 가스만으로 이루어질 수 있거나 또는 탈집괴 모듈로의 도입 전에 별도로 도입되거나 혼합되는 부가적인 공정 가스와 운반체 가스의 혼합물로 이루어질 수 있다. 탈집괴된 입자 표면은 사실상의 재집괴 전에 활성화된 가스 종과 접촉된 상태에 있는 동안에 변형된다. 산소와 헬륨 또는 CO2의 혼합물, 또는 CO2와 헬륨의 혼합물이 플라즈마 가스로 사용될 수 있다. 플라즈마 가스의 저온으로 인해, 입자 표면은 열적인 열화 없이 변형된다. 다른 플라즈마 가스는 특정 입자 유형, 요구되는 표면 변형, 및 탈집괴된 유기 입자를 공급원 내부에서 완전히 처리하거나(수명이 짧은 종), 또는 공급원 하류에서 처리를 계속하는 것(수명이 긴 종)과 부합되는 종 수명의 적합성에 따라 선택될 수 있다.
도10은 특히 두 가지 분위기 이상의 공급 압력이 요구될 때 유용한 대체 공급기 조립체(50''')를 도시하고 있다. 이 공급기 조립체(50''')는 저장고(704), 제1 밸브(706), 제1 호퍼(708), 제2 밸브(706'), 및 제2 호퍼(708')를 포함하는 2단 에어록 장치를 포함한다. 필요에 따라, 공정 가스는 공급원(550)으로부터 밸브(553)를 통해 호퍼(708') 내로 직접 공급되어 호퍼(708')를 탈집괴된 모듈(500)의 압력과 동일한 압력으로 유지할 수 있다.
도11은 탈집괴된 모듈(500)의 전형적인 실시예의 상세를 도시하고 있다. 본 도면에 도시된 바와 같이, 탈집괴 모듈은 나사 이송기(306)로부터의 미립자를 혼합하고 공급원(550)으로부터 운반체 가스를 수용하는 혼합 챔버(502), 기계적 교반 수단(504), 다공성 판(506), 동력 공급부(512)에 의해 동력을 공급받는 초음파 변환기(510)에 의해 여기되는 초음파 호온(508), 및 출구 오리피스(514)를 포함하며, 여기서, 혼합 챔버(502) 내의 가스는 반응 챔버(20)[또는 도9의 참조 부호 620)] 내의 압력 이상으로 유지되고, 출구 오리피스(514)에 바로 인접한 영역은 충분한 에너지에 의해 초음파적으로 교반되어 입자에 의한 오리피스의 막힘을 방지하고 입자의 탈집괴를 촉진시키며, 챔버(502)와 반응 챔버(20)간의 차압은 탈집괴된 입자를 반응 챔버 내로 운반한다. 용이하게 집괴되는 입자는 소형 개구를 통해 입자를 공급하고자 할 때 브릿지를 형성하는 경향이 있다.
본 장치에서, 오리피스의 기계적 운동과 입자들이 서로 달라붙지 못하게 억제하는 오리피스 근방의 음장(sound field)과 같은 초음파 작용에 의해 오리피스의 막힘이 억제된다. 입자의 탈집괴는 오리피스 근방에서 발생하는 경향이 있는데, 이는 고밀도의 입자가 초음파 에너지를 효과적으로 흡수해서 에너지가 상당한 거리에 걸쳐 전파되는 것을 차단하기 때문이다.
예
안료 입자를 처리하기 위한 배치(batch) 공정의 간략화된 설명이 뒤따른다. 도3의 장치를 사용한 배치 공정에서 최고 23 lbs/hr의 안료 유동율로 활성화 가스 종에 의해 적색 유기 안료를 처리하였다. 실험 과정의 일반적인 개요는 다음과 같다. CO2공정 가스가 높은 전자기장 영역 내에서 국부적으로 저압인 플라즈마를 생성시키는 공급원 하류의 ASTeX 마이크로파에 공급되었다.
이와 같이 크게 여기된 플라즈마는 고전자기장 영역을 탈출하고, 반응기 내로 유입하면서 재결합을 시작한다. 적색 안료는 반응기 용적부 내로의 분사를 위해 CO2와 혼합되었다. 호퍼로부터의 안료는 운반체 가스에 의해 전달 라인을 통해서 반응기 용적부 내로 운반되었으며, 상기 반응기 용적부 내에서는 파생된 안료/가스 혼합물이 활성화된 가스 종과 접촉함으로써 안료 표면을 변형시켰다. 처리된 안료 제품은 공정 가스로부터 분리되어 수집되었다.
예 1
케미컬 앱스트랙트(Chemical Abstract) 번호 84632-65-5[시바 가이기(Ciba Geigy)]와, 화학식 피롤로(3,4-C) 피롤-1, 4-디온 3, 6-비스(4-클로로페닐)-2, 5-디하이드로-(9Cl)를 갖고, 약 0.6 미크론의 주 입자 크기를 갖는 적색 안료가 다음과 같이 상기 안료를 혼합한 페인트 조성물의 허용 가능한 범위 내에서 색상을 유지하는 동시에 유동성, 광택 및 착색력을 향상시키기 위해 도3의 배치 공정 장치를 사용해서 부압에서 처리되었다.
〈플라즈마 활성화 공정 조건〉
시스템 압력, 1.9 Torr
안료 공급율, 1.2 lbs/hr
운반체 가스 CO2, 2 l/min
공정 가스 CO2, 5 l/min
마이크로파 동력, 400 W
〈페인트 조성〉
1. 솔벤트 혼합물 35.84 wt ％ (크실렌 71.25 ％, n-부틸 아세테이트 23.75 ％, p-아밀 아세테이트 5.0 ％ )
2. 아크릴산 중합체 분산제 용액 43.83 ％
3. 안료 20.33％
〈표면 변형 후의 연마 과정〉
상기 3개의 성분은 17분 동안 혼합된 다음, 모래 매체를 이용한 비커 연마기 내에 배치되어 30분 동안 350 rpm에서 연마되었으며, 그 모래는 색상 농축액(분산물)을 발성시키기 위해 여과되었다. 모델 RVTDCP 브룩필드 점도계를 사용해서 1 rpm의 회전 속도에서 ＃3 스핀들을 사용해서 전단 점도를 측정하였다. 비와이케이 가드너사(BYK-Gardner, Inc.)의 20도 및 60도 각도의 헤이즈 글로스(Haze-Gloss) 반사계를 사용해서 광택 측정이 이루어졌다. 듀퐁 엔지니어링 래버러터리(DuPont Engineering Laboratory)사의 MAC 비색계, 즉 L*(밝기), a*(적록색), b*(청황색)에서 색상을 측정하는 모델 시리즈 5를 사용해서, 색상 측정이 이루어졌다. (적색 분산물과 혼합되는) 착색력을 위한 백색 분산물은 TiO가 16.04 ％이고, 전체 고형체가 38.64 ％이다.
〈제품 시험〉
브룩필드 점성계를 사용한 가장 통상적으로 관찰되는 점도는 다음과 같았다:
비처리 안료 처리 안료
포아즈(단위) 180 20
광택을 측정하기 전 약 1시간 동안 공기 건조된 약 10 미크론 두께의 필름을 제조하기 위해 색상 농축액의 시료를 채취하고 이 시료를 가드너사의 ＃5 전색 봉 내에 배치함으로써 광택도를 측정하였다.
〈광택도 측정〉
관찰 각도 비처리 처리
20도 7 20
60도 50 63
〈색상 측정〉
적색 안료를 이용하는 목적은 비처리된 시료의 ±0.3 내로 유지되는 색상 위치를 변경시키지 않으려는 것이었다. 분산물 86 ％, 아크릴산 중합체 분산제 용액 12 ％, 용제 2％로 된 마스톤 색상 배치(Masstone color batch)가 준비되었다.
이 혼합물은 분무 전에 요동기 내에서 잘 혼합되었다. 3개의 알루미늄 패널이 분무되었으며 30분 동안 51.67℃(125℉)에서 건조되었다. MAC 비색계에 의해 적색 표준에 대비해서 색상이 측정되었다. 그 결과는 다음과 같다.
플라즈마 처리 시료 dL*＝0.61, da*＝－0.10, db*＝－0.94
비처리 시료 dL*＝0.50, da*＝＋0.17, db*＝－1.01 착색력:
목표는 보다 적은 안료를 사용해서 동일한 암도(shade)에 도달하는 것이었다. 그 과정은 다음과 같다. 색상 농축액을 채취하고 백색 분산물과 혼합한다. 농축액을 10분 동안 혼합하고 은폐를 위해 알루미늄 패널 상에 분무한다. 공기 오븐 내에서 30분 동안 51.67℃(125℉)에서 건조시킨다. MAC 비색계로 색상을 측정한다. 처리된 시료의 델타(L)는 비처리 시료보다 작은 0.3 내지 0.8의 범위에 이르렀다. 이것은 약 5％ 이상의 착색력의 증가를 나타내었다.
예 2
케미컬 앱스트랙트 명칭, 안트라디이소퀴놀린-1,3,8,10(2H,9H)-테트론,2,9-디메틸-(9Cl)을 갖고, 약 0.2 미크론의 주 입자 크기를 갖는 페린도(Perrindo) 적갈색 안료(투명 적색)가 도2의 배치 공정 장치를 사용해서 부압에서 처리되었다.
〈플라즈마 활성화 공정 조건〉
시스템 압력, 2 Torr
안료 공급율, 1.7 lbs/hr
운반체 가스 CO2, 0.2 l/min
공정 가스 CO2, 0.1 l/min
마이크로파 동력, 400 W
〈페인트 조성〉
1. 솔벤트 혼합물 39.66 wt ％ (크실렌 71.25 ％, n-부틸 아세테이트 23.75 ％, p-아밀 아세테이트 5.0 ％ )
2. 아크릴산 중합체 분산제 용액 46.43 ％
3. 안료 13.91％
〈특성 측정〉
헌터랩사(HunterLab, Inc.)의 컬러퀘스트(ColorQuest)를 사용해서 마일라(Mylar) 상의 전색 필름의 상대 투명도 및 절대 연무도(haze)를 측정하였다. 분산물에 대한 브룩필드 점도 측정은 예 1에서 사용된 것과 동일한 점성계를 사용하였다. 사용된 스핀들은 1 rpm의 회전 속도에서 ＃5였다.
〈표면 변형 후의 연마 과정〉
3개의 성분이 15분 동안 사전 혼합되었다. 시료 1 리터를 01 마멸 장치 내에 투입하였고, 지르코니아 규산염(0.8 ㎜) 850 그램이 첨가하였다. 12시간 연마 작업이 수행되었다. 연마된 혼합물의 시료가 한 시간마다 채취되었다. 마일라 상의 전색이 수행되었고 파생된 필름의 상대 투명도가 측정되었다. 그 결과, 처리된 시료는 8시간의 연마 작업 후에 100 ％의 상대 투명도에 도달했다. 그러나, 비처리된 안료를 함유한 유사한 시료가 동일한 100 ％의 상대 투명도 수준에 도달하는 데에는 11 시간의 연마 작업이 소요되었다.
〈제품 시험〉
시료의 점도를 낮추는 것이 100 ％의 상대 투명도를 달성하기 위한 연마 작업 시간을 감소시키는 주요한 열쇠인 것으로 여겨진다. 각 시료가 100 ％의 상대 투명도를 달성한 후에, 연마 매체를 제거하기 위해 분산물이 여과되었으며 브룩필드 점성계를 사용해서 점도가 측정되었다.
점도는 다음과 같았다:
비처리 안료 처리 안료
포아즈 30 4
예 1 내지 17
본 명세서에서 설명된 방법 및 장치에 의해서 이하의 재료가 본 발명의 공정에 따라 처리될 수 있다.
예 재료 초기 열화(℃) 참조*
1 디케토 피롤로피롤 461 c
적색 안료
2 페릴렌 적갈색 안료 478 c
3 폴리부타디엔 325 a
4 폴리클로로프렌 170 a
5 천연 고무 287 a
6 폴리에틸렌 264 a
7 폴리프로필렌 120 a
8 폴리아크릴로니트릴 235 a
9 폴리메타크릴산 200 a
10 폴리비닐 아세테이트 213 a
11 폴리비닐 염화물 200 a
12 셀룰로스 250 a
13 구리 프탈로시아닌 460 b
청색 안료 15:2
14 폴리클로로 구리 480 b
프탈로시아닌 C.I. 안료 녹색 7
15 퀴나크리돈 적색 안료 440 b
16 퀴나크리돈 자주색 310 b
17 구리 프탈로시아닌 440 c
청색 안료 15:2
*-a. 제임스 이. 마크의 폴리머스 핸드북(Polymers Handbook)의 물리적 특성(AIP 프레스)
b. NPIRI 로우 머티리얼 데이터 핸드북((Raw Material Data Handbook) 제4권 안료(내셔널 프린팅 잉크 리서치 인스티튜트)
c. 실내 온도로부터 700℃까지 10℃/분의 온도 기울기로 공기 내의 열적 중량 측정 분석기에 의해 측정됨.

Claims (10)

  1. 플라즈마 공급원을 내장하거나 플라즈마 공급원의 하류에 있는 처리 챔버 내의 적어도 하나의 플라즈마 활성화 공정 가스 종에 의해 약 500 ℃를 초과하지 않는 임계 온도 이상으로 가열될 때 비가역적인 열적 열화를 나타내는 미립자 재료의 표면을 처리하기 위한 방법에 있어서,
    (ⅰ) 활성화된 공정 가스를 처리 챔버 내로 도입하는 단계,
    (ⅱ) 탈집괴된 입자의 각 분급체의 표면의 적어도 일부를 노출시키기 위해 입자를 탈집괴하는 단계,
    (ⅲ) 탈집괴가 상당한 정도로 발생할 수 있기 전에 탈집괴된 입자 분급체를 반응 챔버 내의 활성화된 공정 가스와 접촉시키는 단계,
    (ⅳ) 활성화된 공정 가스로 각각의 탈집괴된 입자 분급체 표면의 적어도 일부를 변형시키는 단계, 및
    (v) 탈집괴된 입자 분급체들이 열적으로 열화되지 않도록 이들 입자 분급체들의 온도를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 단계 (ⅲ)는 다음의 위치, 즉 플라즈마 공급원을 수용하는 반응 챔버 또는 플라즈마 공급원의 하류의 반응 챔버 중 하나 또는 양쪽에서 사실상 대기압 하에 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 단계 (ⅲ)는 플라즈마 공급원의 하류에 있는 반응 챔버 내에서 사실상 부압 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 일군, 즉 마이크로파 방사 또는 고주파수 방사에 의해 여기되는 저압 플라즈마, 또는 무성 방전 또는 불꽃 방전에 의해 발생된 대기압 플라즈마로부터 선택된 비평형 방법에 의해 단계 (ⅰ)에서 처리 챔버 내로 도입된 플라즈마 활성화 가스를 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 미립자와 운반체 가스를 혼합하기 위한 혼합 챔버와, 기계적 교반 수단과, 초음파 변환기에 의해 여기되는 초음파 호온과, 출구 오리피스를 포함하는 탈집괴 모듈 내에서 입자를 탈집괴시키는 단계를 포함하고, 출구 오리피스에 바로 인접한 영역은 막힘을 방지하고 입자 분류를 수행하기에 충분한 힘으로 초음파적으로 교반되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 입자는 관찰 가능한 안료 변색이 발생하는 임계 온도 이하로 유지되는 안료 입자인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 표면 변형된 안료 입자를 사용해서 색상 조성물을 준비하기 위한 방법에 있어서,
    (ⅰ) 청구항 1의 방법에 의해 표면 변형된 집괴 입자를 연마 기구에 배치하는 단계,
    (ⅱ) 상기 입자를 탈집괴를 수행하기 위해 연마함으로써, 동일한 조건하에서 청구항 1의 방법에 의해 표면 변형되지 않은 안료 입자를 탈집괴시키는 데 걸리는 시간의 약 85 ％보다 작은 시간에 탈집괴가 수행되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 표면 처리된 안료 입자를 포함하는 색상 조성물에 있어서, 상기 조성물은 이하의 특성, 즉
    (ⅰ) 동일한 안료의 비처리 입자로 구성된 유사한 조성물의 점도의 1/2보다 작은 점도,
    (ⅱ) 동일한 안료의 비처리 입자로 구성된 유사한 조성물의 착색력보다 적어도 2 ％ 높은 개선된 착색력, 및
    (ⅲ) 비처리 입자로 구성된 유사한 조성물의 안료 대 결합제 비율보다 적어도 5 ％ 높은 증가된 안료 대 결합제 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 색상 조성물.
  9. 입자 입구 및 출구 수단을 갖는 반응 챔버 내의 반응 구역과, 플라즈마 발생 공급원과, 입구와 협동하는 입자 저장 호퍼를 포함하는 입자 표면의 부압 처리 장치에 있어서,
    (ⅰ) 반응 챔버의 압력보다 높은 압력에서 작동하도록 설계된 입자 충전된 저장 호퍼와,
    (ⅱ) 입자 저장 호퍼와 입구 사이에 위치되어 이들 양자와 협동하고, 입자의 공급율을 제어하고 입자를 탈집괴하며, 탈집괴된 입자를 반응 구역내로 도입하기 위한 수단을 포함하는 모듈과,
    (ⅲ) 탈집괴된 입자가 열적으로 열화되는 온도 이하의 온도로 탈집괴된 입자를 유지하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 적어도 하나의 플라즈마 활성화 가스 종에 의한 표면 변형을 위해 저장 호퍼로부터 이 저장 호퍼보다 낮은 압력으로 유지되는 반응 챔버 내로 입자를 분산시키기 위한 모듈에 있어서,
    (ⅰ) 호퍼로부터 기구(ⅱ)로의 입자 운반을 위한 질량 유동 제어 기구와,
    (ⅱ) 반응 챔버 내로의 입자의 도입을 위한 준비 시에 입자를 탈집괴시키고 분산시키는 기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈.
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