PL166008B1 - Sposób obróbki substratu plazmą wyładowania jarzeniowego i urządzenie do obróbki substratu plazmą wyładowania jarzeniowego - Google Patents

Abstract

1. Sposób obróbki substratu plazmą wyładowania jarzeniowego w trakcie ciągle przesuwającego się w pró57) żni substratu rozmieszczonego pętelkowato przez wiele stref obróbki z użyciem strumienia plazmy, w obszarze których każde strumienie plazmy są wytwarzane w układzie równoległym do przesuwającego się substratu, znamienny tym, że w każdej strefie (C) obróbki wytwarza się strumienie plazmy w postaci oddzielnych odcinków(D) z zachowanymi między nimi przerwami (15), w które między sąsiednie odcinki (D) plazmy doprowadza się gaz plazmowy na powierzchnię przesuwającego się substratu (B). 3. Urządzenie do obróbki substratu plazmą wyładowania jarzeniowego zawierające reaktor z układem wytwarzania próżni i zestawem doprowadzania gazu plazmowego oraz zespołem przemieszczania obrabianego substratu, przy czym zawiera źródło prądu i elektrycznie połączony z nim układ elektrod rurkowych, rozmieszczonych w reaktorze w równoległych rzędach wzdłuż przemieszczania obrabianego substratu przez strefy obróbki z użyciem strumieni plazmy, wytwarzanych między parami elektrod o różnej polaryzacji, znamienne tym, że w każdej strefie (C) obróbki pary elektrod (5-6,7-8,9-10)ma rozmieszczone z zachowaniem między nimi przerwy (15), w której dowolne dwie sąsiednie pary są zwrócone do siebie elektrodami o jednakowej polaryzacji, zaś zestaw (3) doprowadzania gazu plazmowego ma dysze (16) rozmieszczone w obszarze przerw (15) między elektrodami sąsiednich par o jednakowej polaryzacji.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób obróbki substratu plazmą wyładowania jarzeniowego i urządzenie do obróbki substratu plazmą wyładowania jarzeniowego stosowany zwłaszcza w przemyśle włókienniczym w procesie obróbki przesuwającego się substratu (płótna, osnowy) plazmą wyładowania jarzeniowego lub obróbki wielometrażowych materiałów włókienniczych, a także możliwe jest stosowanie tego rozwiązania w innych gałęziach przemysłu do obróbki powłok, sztucznych i naturalnych skór.

Znany jest z opisu patentowego USA nr 3 632 299 sposób obróbki przesuwającego się substratu plazmą wyładowania jarzeniowego, w którym substrat, na przykład w postaci przesuwającej się wstęgi tkaniny jest przepuszczany przez plazmę, wytworzoną między potencjałami elektrycznymi o przeciwnej polaryzacji, przy czym strumień plazmy jest zawsze skierowany prostopadle do kierunku ruchu substratu.

Kierunek przemieszczania substratu przez strumień plazmy prowadzi do niestabilności obróbki wyrobów tekstylnych, która jest związana z niestabilnymi i anizotropowymi właściwościami elektrycznymi samej tkaniny. W tej sytuacji charakterystyki plazmy gwałtownie zmieniają się w procesie przemieszczania substratu, ponieważ w cyklu przemieszczania się w szczelinie między elektrodami narusza sprzężenie elektryczne między tymi elektrodami.

Znany jest także z opisu patentowego USA nr 3 959 104 sposób obróbki przesuwającego się substratu plazmą wyładowania jarzeniowego, stanowiący stale przemieszczający się w próżni substrat, który jest prowadzony pętelkowato przez wiele stref obróbki strumieniem plazmy, przeważnie równolegle do kierunku ruchu substratu. W każdej strefie obróbki strumień plazmy jest ciągły. Przy ciągłym paleniu się plazmy równolegle do kierunku ruchu substratu charakterystyki elektryczne substratu już nie mają wpływu na charakterystyki plazmy, plazma pali się stabilnie. Jednak pod wpływem plazmy powierzchnia substratu zaczyna wydzielać produkty rozkładu, które w wysokiej próżni z komory są trudno wydalane i otaczają substrat w całej strefie obróbki,

166 008 zniekształcając skład chemiczny gazu plazmowego bezpośrednio w strefie obróbki. Zniekształcenie składu chemicznego plazmy prowadzi do spowolnienia reakcji i naruszenia procesu technologicznego obróbki.

Urządzenie do prowadzenia powyższego sposobu zawiera reaktor (rezerwuar) z układem wytwarzania próżni i zespołem doprowadzającym gaz plazmowy za pośrednictwem rury łączącej reaktor ze źródłem gazu plazmowego, źródło prądu elektrycznego i połączonym z nim elektrycznie układem elektrod rurkowych, rozmieszczonych w reaktorze szeregowo jeden za drugim w równoległych rzędach wzdłuż przemieszczania obrabianego substratu. Elektrody ustawione w rzędach tworzą strefy obróbki substratu strumieniem plazmy, wytwarzanym między parami elektrod o różnej polaryzacji. Elektrody są ustawione w rzędach pionowych polaryzacją naprzemiennie, zaś wytwarzane strumienie plazmy są w obszarze swojej długości ciągłe w każdej strefie obróbki. Monotoniczna zmiana polaryzacji elektrod w każdej strefie obróbki stwarza ciągły strumień wytworzonej plazmy, wykluczający dopływ do powierzchni przesuwającego się substratu gazu plazmowego. W ten sposób skraplają się na jego powierzchni produkty rozkładu, naruszając skład chemiczny plazmy, a tym samym prowadzą do naruszenia procesu technologicznego obróbki. Wprowadzenie dowolnego ciała obcego umożliwia odprowadzenie produktów rozkładu z powierzchni substratu w obszarze szczeliny między elektrodami o różnej polaryzacji prowadzącymi do nierównomierności wyładowania i niestabilności strumieni plazmy.

Podstawą niniejszego wynalazku jest opracowanie sposobu obróbki przesuwającego się substratu plazmą z wyładowania jarzeniowego i urządzenia do realizacji tego procesu, w którym wytwarzane strefy obróbki są strumieniami plazmy neutralizowane na wpływ wydzielanych produktów rozkładu i skład chemiczny plazmy. Rozwiązanie takie zwiększa efektywność obróbki i zapewnia otrzymanie założonej jakości obróbki substratu oraz zwiększa wydajności obróbki.

Sposób według wynalazku obróbki substratu plazmą wyładowania jarzeniowego w trakcie ciągle przesuwającego się w próżni substratu rozmieszczonego pętelkowato przez wiele stref obróbki, z użyciem strumienia plazmy, w obszarze których każde strumienie plazmy są wytwarzane w układzie równoległym do przesuwającego się substratu charakteryzuje się tym, że w każdej strefie obróbki wytwarza się strumienie plazmy w postaci oddzielnych odcinków z zachowanymi między nimi przerwami, w które między sąsiednie odcinki plazmy doprowadza się gaz plazmowy na powierzchnię przesuwającego się substratu. Przerwy między odcinkami sąsiednimi plazmy zachowuje się w zakresie jednakowej wielkości i polaryzacji potencjałami elektrycznymi elektrod, stosowanych do wytwarzania strumieni plazmy sąsiednich odcinków.

Urządzenie według wynalazku do obróbki substratu plazmą wyładowania jarzeniowego zawierające reaktor z układem wytwarzania próżni i zestawem doprowadzania gazu plazmowego oraz zespołem przemieszczania obrabianego substratu, przy czym zawiera źródło prądu i elektrycznie połączony z nim układ elektrod rurkowych, rozmieszczonych w reaktorze w równoległych rzędach, wzdłuż przemieszczania obrabianego substratu przez strefy obróbki z użyciem strumieni plazmy, wytwarzanych między parami elektrod o różnej polaryzacji charakteryzuje się tym, że w każdej strefie obróbki pary elektrod ma rozmieszczone z zachowaniem między nimi przerwy, w której dowolne dwie sąsiednie pary są zwrócone do siebie elektrodami o jednakowej polaryzacji, zaś zestaw doprowadzania gazu plazmowego ma dysze rozmieszczone w obszarze przerw między elektrodami sąsiednich par o jednakowej polaryzacji.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat ideowy urządzenia do obróbki substratu plazmą wyładowania jarzeniowego, fig. 2 - zespół A z fig. 1, w powiększeniu.

Sposób obróbki przesuwającego się substratu plazmą wyładowania jarzeniowego jest realizowany w sposób następujący.

Przemieszczany w cyklu ciągłym substrat B, na przykład tkanina tekstylna, jest prowadzony pętelkowato, z fig. 1 przez wiele stref C obróbki strumieniem plazmy. W każdej strefie C obróbki strumienie plazmy rozmieszcza się równolegle do przesuwającego się substratu B poprzez wyładowanie jarzeniowe gazu plazmowego między elektrodami o różnej polaryzacji. Strumienie plazmy wytwarza się w postaci wydzielonych odcinków D z zachowanymi przerwami. Odcinki D plazmy w

166 008 poprzek przemieszczanego substratu są rozmieszczone na całej jego szerokości. Granice sąsiednich odcinków D lub przerwy między nimi są jednakowej szerokości i polaryzacji w wyniku potencjałów elektrycznych elektrod wykorzystywanych do tworzenia strumieni plazmy sąsiednich odcinków.

W przypadku prądu zmiennego potencjały granic zmieniają się synchronicznie. W powstałe przerwy pod ostrym kątem do substratu jest nadmuchiwany gaz plazmowy (tlen, powietrze, azot, argon, itp.) w zależności od rodzaju obróbki, który podtrzymuje zadany skład plazmy. Substrat, przesuwając się w tych warunkach, jest poddany obróbce plazmą o żądanym składzie. Produkty rozkładu, bez przerwy „zdmuchiwane z powierzchni substratu gazem plazmowym, są wydalane bez przerwy pracującą pompą próżniową. W ten sposób, obróbka substratu jest prowadzona w czystej plazmie, co pozwala na uzyskanie pełniejszych efektów obróbki plazmowej i przyspiesza proces.

Ponieważ gaz plazmowy jest wprowadzany w obszar przerwy, z zachowaniem jednakowego i o tym samym znaku potencjału, zaś ostre ukształtowanie krawędzi każdego odcinka D stąd unika się gromadzenia ładunków elektrycznych i wyładowania prądu oraz wszelkich związanych z tym sytuacji, grożących zanikiem plazmy albo jej niestabilnością. Plazma między potancjałami elektrod każdego odcinka spala się stabilnie i ze stałym składem chemicznym, a strumień gazu plazmowego zdąży się ustabilizować na na powierzchni substratu zanim dojdzie do strefy wyładowania i podczas swojego ruchu usunąć z powierzchni substratu produkty rozkładu.

W przytoczonych poniżej przykładach przedstawiony sposób jest realizowany przy następujących parametrach:

- ciśnienie gazu plazmowego - 80^90 Pa;

- ilość doprowadzanego gazu plazmowego - 100cm³/s;

- system wytwarzania plazmy, składający się z elektrod rurkowych o średnicy 40 mm i długości 1600 mm, umieszczonych wzdłuż szerokości substratu i tworzących pionowe rzędy, między którymi pętelkowato rozmieszczony substrat przesuwa się, co pozwala na obróbkę jego powierzchni z dwóch stron, odległość między osiami elektrod w poziomie - 80 mm, w pionie - 110 mm; wartość prądu elektrycznego doprowadzonego do elektrod - 52 A przy napięciu między elektrodami 480^540 V, to znaczy moc doprowadzona wynosi 25^28 kW.

Przykłady realizacji sposobu.

Przykład I. Obrabiana tkanina stanowi czystą wełnę posiadającą: gęstość powierzchniową 118g/m², w osnowie i wątku 95% wełny i 5% włókna poliamidowego, szerokość 142^ 2cm. Cel obróbki - zmniejszenie jej właściwości filcowania się (nadanie tkaninie odporności na filcowanie). Gaz plazmowy - powietrze. Początkowa wilgotność tkaniny 2%. Obróbkę tkaniny prowadzi się dwoma sposobami:

- przy doprowadzaniu powietrza między odcinki plazmy (według wynalazku);

- kiedy powietrze do reaktora doprowadza się do obszaru reaktora, a plazmę wytwarza się w strefach obróbki w cyklu ciągłym. Moc i gabaryty układów elektrodowych stosuje się jednakowe dla tych dwóch sposobów. W rezultacie optymalny czas obróbki według pierwszego sposobu wyniósł 5,06s, a według drugiego sposobu - 7,60s. W ten sposób zwiększenie efektywności wyniosło 1,502 raza. Optymalnym czasem obróbki jest czas obróbki, przy którym skurcz od sfilcowania jest minimalny, w podanym przykładzie z wykorzystaniem przedstawionego sposobu jest on równy 6,5% powierzchni (nieobrobiona tkanina miała 38%).

Przykład II. Obrabiana tkanina stanowi wełnę z domieszką, posiadającą: gęstość powierzchniową 203-10 g/m², szerokość 142±2cm, w osnowie i wątku 35% wełny, 54% wiskozy, 11% włókna poliamidowego, początkowa wilgotność tkaniny 2,3%. Obróbka uodparniająca na filcowanie. Gaz plazmowy - powietrze. Obróbka jest prowadzona według powyżej opisanych sposobów. Wyniki według pierwszego sposobu - 4,9 s, według drugiego - 7,31 s. Zwiększenie efektywności wynosi 1,495 raza. Skurcz od sfilcowania według pierwszego sposobu 9,2%, według drugiego 9,4% (nieobrobiona tkanina miała 55%).

Przykład III. Obrabiana tkanina stanowi wełnę z domieszką, posiadającą: gęstość powierzchniową 152-8 g/m2, szerokość 142±2cm, w osnowie i wątku 65% wełny, 35% wiskozy, początkowa wilgotność 2,1%. Obróbka uodparniająca na filcowanie i częściowa hydrofilizacja. Gaz plazmowy - tlen.

166 008 5

Wyniki: według pierwszego sposobu - 6,51 s, według drugiego - 11,8 s. Zwiększenie efektywności wynosi 1,810 raza.

Przykład IV. Obrabiany materiał stanowi wyrób nietkany dziany z wełnianych wyczesek i regenerowanej wełny „watolina krawiecka, posiadający gęstość powierzchniową 400 g/m². Skurcz od sfilcowania w materiale nieobrabianym 60%. Obróbka uodparniająca na sfilcowanie jest prowadzona według sposobów opisanych w przykładzie 1.

Wyniki:wedługpierwszegosposobu-skurczodsfilcowaniawyniósłl0,3%,wedługdrugiego-16%.

Przykład V. Obrabiany materiał - tkanina fluorolakowa z teflonu. Sposób obróbki według przykładu I. Czas obróbki według pierwszego sposobu - 1s. Czas obróbki według drugiego sposobu - 8 s. Według sposobu prototypowego kąt zmaczania ze 102° zmienił się na 90-92°, według zgłoszonego sposobu - do 67-70°. Siła rozwarstwiania dwóch pasm tkaniny obrobionej zwiększyła się od 0,01 kG/cm do odpowiednio 0,16 i 0,24kG/cm.

Przykład VI. Obrabiany materiał stanowi tkaninę bawełnianą, zawierającą początkową kapilarność 0 (surowa). Gaz plazmowy - tlen. Czas obróbki - 30 s. Po obróbce według sposobu pierwszego wyniosła 123 mm/h, według drugiego - 151 mm/h.

Przykład VII. Obrabiany materiał stanowi osnowa techniczna poliestrowa. Gaz plazmowy - azot. Po obróbce stosuje się powlekanie osnowy gumą i sprawdza się siłą powiązania osnowy z gumą. W porównaniu z prototypem zwiększenie siły powiązania osnowy z gumą osiąga wartość 2,1 razy.

W ten sposób różne rodzaje tkanin po obróbce zgodnie z przedstawionymi sposobami zapeniają lepszy efekt dzięki zlikwidowaniu szkodliwej osłony gazowej z gazów rozkładu, powstających w procesie obróbki. Efekt uzyskany jest porównywalny dla wszystkich znanych substratów i technologii, oprócz tych, gdzie potrzebna jest obróbka w plazmie gazów rozkładu.

Urządzenie według wynalazku zawiera reaktor próżniowy 1 z układem 2 wytwarzania próżni i zestawem 3 doprowadzania gazu plazmowego, źródło 4 prądu (generator elektryczny częstotliwości ultradźwiękowej) i układ elektrod rurkowych 5, 6, 7, 8, 9 i 10, w którym odnośnikami są oznaczone elektrody tylko jednego rzędu. Elektrody są rozmieszczone w reaktorze 1 szeregowo jedna za drugą w równoległych rzędach wzdłuż przemieszczania substratu B. Rzędy są poprowadzone w pionie. Pierwszy w kolejności obróbki substratu B rząd składa się z elektrod 5,6,7,8,9 i 10. Za nim następuje drugi rząd równoległy do pierwszego i tak dalej, tworząc strefy obróbki C. Wszystkie elektrody są zasilone elektrycznie i połączone w dwie izolowane od siebie grupy 11a i 11b, jedna z nich jest połączona z dodatnim biegunem, a druga z ujemnym biegunem źródła prądu 4. W reaktorze 1 jest też umiejscowiony zespół przemieszczania obrabianego substratu B, składający się z układu luźno obracających się rolek 12, wprowadzanych w ruch samym substratem, który jest przewijany ze zwoju 13 na zwój 14 w reaktorze 1, gdzie rozmieszczony jest po różnych stronach stref obróbki, tak jak jest to uwidocznione na fig. 1.

Elektrody grup 11a i 11b w każdej strefie C obróbki są zamontowane parami 5-6, 7-8, 9-10, przy czym w każdej parze są elektrody o różnej polaryzacji, to jest są przyłączone do różnych biegunów źródła prądu 4, i tak elektrody 5, 8, 9 - są na przykład przyłączone do bieguna dodatniego, a elektrody 6, 7,10 - do bieguna ujemnego, co zapewnia stabilność plazmy. W każdej strefie C obróbki pary elektrod są umieszczone w ten sposób, że dowolne sąsiadujące pary są zwrócone ku sobie elektrodami o jednakowej polaryzacji, w wyniku czego plazma w każdej strefie C pali się odcinkami D i tworzy między sąsiednimi odcinkami przerwy 15.

Zestaw 3 doprowadzania gazu plazmowego zawiera dysze 16, umiejscowione w przerwach 15 między elektrodami o jednakowej polaryzacji sąsiednich par w każdej strefie obróbki C. Na fig. 2 uwidoczniona jest dysza 16, składająca się z rurki 17 z perforacjami 18 dolnej części i kątownikiem 19, który tworzy z rurką 17 szczeliny 20, 21 z dwóch stron. Szczeliny 20, 21 są bardzo małe i spełniają rolę elementów kierunkujących wyloty strumieni z dyszy. Użycie szczelin 20,21 zastępuje wykonanie bardzo małych perforacji 18 w rurce 17. Liniami 22 określony jest kierunek prądu elektrycznego w plazmie, a liniami 23 - strumienie gazu plazmowego, doprowadzane na obrabiany substrat B. Kąt między kierunkiem ruchu substratu B i linią strumienia gazu może być dowolny, na przykład 135° lub 45°, oprócz wartości leżących w przedziale od 60° do 120° (ostre kąty padania

166 008 strumienia na substrat). Wszystkie kąty oprócz tego zakresu są możliwe, ponieważ w przeciwnym przypadku zużycie gazu plazmowego i jego straty w objętości reaktora gwałtowanie wzrastają.

Jako źródło 24 (fig. 1) gazu plazmowego może być wykorzystana butla z jednym ze wskazanych gazów lub wlot powietrza.

Urządzenie pracuje w sposób następujący.

Obrabiany materiał - substrat B (tkanina, materiał nietkany, folia, itp.)jest zespołem przemieszczania przewijany ze zwoju 13 na zwój 14. Przy tym substrat B przechodzi pętelkowato przez strefy C obróbki, między rzędami elektrod 5^10. Reaktor 1 jest hermetyczny, układ 2 wytwarzania próżni podtrzymuje w nim próżnię rządu 100 Pa (zależnie od technologii).

Źródło 4 prądu podaje na elektrody 5^10 napięcia elektryczne o częstotliwości ultradźwiękowej. Między sąsiednimi elektrodami przynależnymi do różnych grup 11a i 11b powstaje wyładowanie jarzeniowe (jest pokazane liniami przerywanymi, idącymi od elektrod), tworzące strumienie plazmy w wydzielonych odcinkach D. Podczas oddziaływania plazmy na substrat B przeprowadzana jest obróbka w celu osiągnięcia określonego celu, zależnie od rodzaju gazu plazmowego. Obróbka plazmą twardego substratu prowadzi do intensywnego wydzielania się z niego gazów rozkładu (tlenki, para wodna, produkty rozkładu pigmentów itp.), które otaczają powierzchnię substratu i przeszkadzają wymaganej obróbce plazmowej. Aby nie było tego zjawiska, gaz plazmowy ze źródła 24 zestawem 3 jest doprowadzany do dysz 16, skąd - bezpośrednio kierowany na substrat, na powierzchnię którego wywiera nacisk i zamienia gazy rozkładu. Dysze 16 są zamontowane w przerwach 15 między elektrodami jednej grupy (to jest o jednakowej polaryzacji) i dlatego ani dysze, ani wychodzący z nich gaz nie do doprowadza do zaniku wyładowania, ponieważ między elektrodami jednej grupy nie ma różnicy potencjałów i w związku z tym wyładowania.

W ten sposób obróbka substratu jest realizowana w środowisku plazmy czystego gazu plazmowego przy minimalnym jego zużytkowaniu. Proces taki zapewnia zarówno polepszenie jakości, jak i skrócenie czasu obróbki, stąd wpływa na zmniejszenie zużycia gazu plazmowego, co odpowiednio obniża wydatki na obróbkę substratu.

Wykorzystanie przedstawionego wynalazku pozwala znacznie zmniejszyć gabaryty układu elektrod reaktorów plazmowochemicznych, zwiększyć ich ekonomiczność i otworzyć drogę do wytwarzania małogabarytowych jednoreaktorowych urządzeń, w których sąsiadują i zwoje z obrabianą tkaniną lub folią i układ elektrod.

166 008

FIG.2

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 1,00 zł.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób obróbki substratu plazmą wyładowania jarzeniowego w trakcie ciągle przesuwającego się w próżni substratu rozmieszczonego pętelkowato przez wiele stref obróbki z użyciem strumienia plazmy, w obszarze których każde strumienie plazmy są wytwarzane w układzie równoległym do przesuwającego się substratu, znamienny tym, że w każdej strefie (C) obróbki wytwarza się strumienie plazmy w postaci oddzielnych odcinków (D) z zachowanymi między nimi przerwami (15), w które między sąsiednie odcinki (D) plazmy doprowadza się gaz plazmowy na powierzchnię przesuwającego się substratu (B).
2. 2. Sposób według punktu 1, znamienny tym, że przerwy (15) między sąsiednimi odcinkami (D) plazmy zachowuje się w zakresie jednakowej wielkości i polaryzacji potencjałami elektrycznymi elektrod, stosowanych do wytwarzania strumieni plazmy sąsiednich odcinków (D).
3. 3. Urządzenie do obróbki substratu plazmą wyładowania jarzeniowego zawierające reaktor z układem wytwarzania próżni i zestawem doprowadzania gazu plazmowego oraz zespołem przemieszczania obrabianego substratu, przy czym zawiera źródło prądu i elektrycznie połączony z nim układ elektrod rurkowych, rozmieszczonych w reaktorze w równoległych rzędach wzdłuż przemieszczania obrabianego substratu przez strefy obróbki z użyciem strumieni plazmy, wytwarzanych między parami elektrod o różnej polaryzacji, znamienne tym, że w każdej strefie (C) obróbki pary elektrod (5-6, 7-8, 9-10) ma rozmieszczone z zachowaniem między nimi przerwy (15), w której dowolne dwie sąsiednie pary są zwrócone do siebie elektrodami o jednakowej polaryzacji, zaś zestaw (3) doprowadzania gazu plazmowego ma dysze (16) rozmieszczone w obszarze przerw (15) między elektrodami sąsiednich par o jednakowej polaryzacji.