RU219545U1 - Устройство для модификации поверхности материалов посредством плазмы атмосферного давления - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к плазменной технике, в частности к источникам получения и управления потоком плазмы атмосферного давления, и может быть использована в различных областях науки и техники для модификации, очистки и обеззараживания различных поверхностей в микроэлектронике, оптике, микробиологии и медицине. Технический результат достигается созданием устройства плазмы атмосферного давления со специальной съемной рассеивающей насадкой. В качестве источника питания используется низкочастотный генератор (10-200 кГц). Создание такой насадки позволяет увеличить равномерность и площадь обрабатываемой поверхности различных материалов, что ускоряет процесс модификации в целом. Использование вместо высокочастотного источника питания низкочастотного позволяет упростить устройство. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Полезная модель относится к плазменной технике, в частности, к источникам получения и управления потоком плазмы атмосферного давления. Может быть использована в различных областях науки и техники для модификации, очистки и обеззараживания различных поверхностей в микроэлектронике, оптике, микробиологии и медицине.

Известно устройство [RU 2391801 C2 Плазматрон атмосферного давления, JP 5122304 B2 Atmospheric pressure plasma jet apparatus and method for generating plasma flow using the apparatus] для плазменной обработки изделий, которое содержит центральный электрод, коаксиальный ему цилиндрический наружный электрод, электрический изолятор и источник питания. Изолятор расположен коаксиально между наружным и центральным электродами. Между центральным электродом и изолятором образован разрядный канал, имеющий дальний конец и ближний конец. На дальнем конце разрядного канала расположено подводящее отверстие для подачи плазмообразующего газа в разрядный канал. На ближнем конце изолятор выступает за пределы наружной поверхности наружного электрода в виде радиально расположенного кольца. В другом варианте плазмотрон может содержать два наружных электрода и два изолятора, которые расположены по обеим сторонам центрального электрода и параллельны ему. Способ получения плазменной струи включает использование одного из указанных вариантов плазмотрона, подачу плазменного газа через подводящее отверстие, подачу химически активного соединения через подводящее отверстие и/или через центральный электрод и создание между центральным и наружным электродами напряжения величиной от 1 до 100 кВ. Одним из недостатков предложенного устройства является большие расходы газов для генерации плазмы: 1-400 л/мин для трубчатого устройства, 10-4000 л/мин для «параллельного» устройства, что является экономически невыгодным при использовании дорогостоящих газов таких, как гелий, например. Также недостатком приведенного плазмотрона является сложность конструкции.

Также известно изобретение [WO 2011138525 A1 Method and device for generating a non-isothermal plasma jet], в котором дополнительно используется магнитное поле, которое прикладывается перпендикулярно электрическому полю, а также дуги направляют параллельно или под углами относительно потока газа. Различное исполнение предложенного изобретения позволяет получать плазменную струю определенных размеров. Ключевым недостатком приведенного изобретения является сложность конструкции прибора, что значительно удорожает процесс в целом.

Устройство, предложенное в изобретении [RU 2616445 C1 Источник плазменной струи], позволяет уменьшить расходы газов для поддержания стабильного горения разряда. Источник образован цилиндрической трубкой из диэлектрического материала с входной частью - трактом для поступления газа, и выходной частью - соплом для вывода плазмы. Источник содержит пару электродов, подключенных к импульсному источнику питания и расположенных на внешней поверхности трубки на расстоянии друг от друга. Источник дополнительно содержит электрод, который размещен на внутренней поверхности цилиндрической трубки входной части, и соединенный с ним штыревой электрод, введенный соосно в сопло, при этом параметры частей (длина, радиус, толщина, диэлектрическая проницаемость) таковы, что электрическая емкость входной части много больше емкости выходной части. Технический результат - возможность получения плазменных струй атмосферного давления в общедоступных и дешевых газах (воздух, азот) при сниженном расходе газа. Основными недостатками этого изобретения являются получение узкой плазменной струи ограниченного диаметра, что не позволяет равномерно обрабатывать поверхности большой площади, а также большая длительность выхода на устойчивый режим горения плазмы (30 секунд).

Известен патент [JP 5725688 B2 Atmospheric pressure plasma jet device], который содержит камеру обработки, способную вмещать образец, а также средство подачи газа. Такая конструкция позволяет получать не просто плазменную струю, а более широкую область для обработки различных материалов. Выходное отверстие устройства создания плазмы соединено с камерой обработки. Плазменная струя достигает таких размеров, которые позволяют обрабатывать образцы сложной формы и с глубокими неровностями. В этом устройстве имеются два электрода (внешний и внутренний) и импульсный источник. Применяется импульс шириной 20 мкс с частотой 16 кГц. Средняя входная мощность от 0,7 до 1 кВт. Расход газа, в основном, 40 л/мин. Первое выполнение устройства - с наличием цилиндрического элемента и изолирующего кольца. Изолирующее кольцо выполнено из изоляционного материала. Цилиндрический элемент изготовлен из нержавеющей стали, внутренний диаметр 5 мм, внешний - 7 мм, длина 60 мм. Цилиндрический элемент имеет выход для плазменной струи на своей нижней части. Другие исполнения устройства дополнительно имеют камеру, которая состоит из закручивающейся верхней части - параболоида, имеющей открытое дно и плоскую нижнюю часть. В центре верхней части имеется отверстие ввода. Кроме того, между верхней нижней частями образуется небольшой зазор. Материал нижней части - стекло. В одном из исполнений имеются отверстия ввода и вывода образца в камеру. Если приведенное в патенте устройство рассматривать для применения в различных областях техники, то недостатком является наличие стеклянной камеры, которая значительно усложняет устройство установки и ее использование в целом, а также ограничивает использование данного оборудования при обработке крупногабаритных изделий сложной формы.

В патенте [RU 2656333 C1 Плазменный прибор со сменной разрядной трубкой] приводится прибор, содержащий сменную разрядную трубку и портативный корпус, в который может устанавливаться трубка. Внутри трубки имеется один электрод. При этом снаружи трубки электроды отсутствуют. Указанный электрод соединяется с выходом источника питания, другой выход источника питания заземляется. Напряжение на входе источника питания не превышает 12 В. При этом источник питания представляет собой низковольтный источник питания постоянного тока или аккумулятор. При подаче инертного газа в плазменную разрядную трубку возникает квазитлеющий разряд, который образует холодную плазму атмосферного давления. Технический результат - обеспечение плазменного прибора сменной разрядной трубкой для использования в области медицины. Стоит отметить, что недостатком приведенного изобретения является то, что в качестве плазмообразующих газов могут использоваться только аргон, гелий и их смеси, что ограничивает использование такого рода приборов.

Расширение площади плазменной струи получили в устройстве [US 5961772 A Atmospheric-pressure plasma jet], которое в простейшем исполнении состоит из двух концентрических цилиндрических электродов для генерации плазмы в кольцевой области между ними. Устройство работает при атмосферном давлении и температуре, близкой к комнатной, с использованием ВЧ-мощности 13,56 МГц. Одно из дополнительных исполнений включает в себя торцевую крышку рассеивающей насадки, которая прикрепляется к свободному концу цилиндрической камеры для обеспечения равномерного распределения реакционноспособных частиц. Этот патент можно выделить в качестве прототипа. Основным недостатком этого изобретение является использование ВЧ-мощности, что в значительной мере приводит к усложнению устройства.

Техническая проблема, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, заключается в увеличении равномерности и площади обработки поверхности различных материалов, включая полимеры и жидкости, которая позволяет изменить смачиваемость поверхности.

Решение указанной технической проблемы достигается использованием большего диаметра плазменной области, что увеличивает равномерность и площадь обрабатываемой поверхности различных материалов, что, таким образом, ускоряет процесс модификации в целом.

Технический результат достигается созданием устройства, принцип работы которого основан на генерации диэлектрического барьерного разряда при атмосферном давлении, оснащенного специальной съемной рассеивающей насадкой.

Изображение конструкции предлагаемого устройства приведено

на фиг.1а, на фиг.1б приведена в увеличенном размере рассеивающая насадка. Конструкция установки включает в себя два электрода: внутренний - 1 и внешний - 2; кварцевую трубку - 3; центрирующую втулку - 7; рассеивающую насадку с уплотнением Вильсона - 4, 5, 6,

где 4 - гайка для обеспечения деформации уплотнительного кольца 5 с целью герметичного соединения, 6 - рассеивающая насадка;

на фиг.2 представлено более подробное устройство рассеивающей насадки;

на фиг.3 представлен пример работы устройства.

Рассеивающая насадка может быть изготовлена из любого диэлектрического материала. Массив отверстий равномерно распределяется по всей площади выходной поверхности насадки от центра к краю, увеличивая количество отверстий с увеличением радиуса расположения отверстий. Размер отверстий может быть от 0,25 до 2 мм. Предпочтительная форма отверстий круглая, тем не менее отверстия могут быть овальной, квадратной и прямоугольной форм. Максимальный размер овальных и прямоугольных отверстий должен не превышать 2 мм, а размеры квадратных отверстий могут быть от 0,25 на 0,25 мм до 2 на 2 мм. Такие размеры связаны со снижением пропускной способности, что позволяет газу более равномерно распределяться по внутренней поверхности насадки, в результате чего на выходе из рассеивающей насадки образуется объемный разряд. Рассеивающая насадка является съемной и заменяемой. Конструкция рассеивающей насадки обеспечивает герметичное соединение с трубкой плазменного устройства при помощи обжимного соединения с уплотнением Вильсона. Для предотвращения возможности свободного соскальзывания рассеивающей насадки на кварцевой трубке предусмотрен бурт. В качестве источника питания используется низкочастотный генератор 25 кГц, но можно использовать источники питания в диапазоне от 10 кГц до 200 кГц. Использование вместо высокочастотного источника питания низкочастотного позволяет упростить устройство. Само устройство представляет собой кварцевую трубку со свободным концом и двумя электродами - внешним и внутренним. В качестве материала трубки может выступать любой диэлектрический материал. Электроды могут быть изготовлены из любого проводящего материала. В качестве рабочей среды могут использоваться воздух, аргон, кислород, азот, гелий и их смеси.

Пример работы устройства.

Образцы хитозана размещали на пьедестале, после чего закрепляли в специальном держателе. В качестве рабочего газа использовали аргон. Расход газа - 40 л/мин, напряжение, подаваемое с генератора, 2 кВ, время обработки составляло 5 минут. На конце разрядной трубки была прикреплена рассеивающая насадка диаметром, соответствующим размеру образца, которая позволяет расширить и создать равномерную плазменную область для модификации образца. Модификация проводилась с целью уменьшения угла смачивания поверхности. Первоначально хитозан имел угол смачивания, равный 76°. Обработка в течение 5 минут в аргоновой плазме атмосферного давления позволила снизить угол смачивания до 38°. Значения угла смачивания по всей поверхности образца были одинаковы. На фиг.3 (а) изображен необработанный хитозан с каплей воды на его поверхности, а на фиг.3 (б) изображен хитозан с каплей воды на поверхности уже после плазменной модификации при помощи предлагаемого устройства.

Claims (1)

1. Устройство для модификации поверхности материалов посредством плазмы атмосферного давления, представляющее собой кварцевую трубку со свободным концом, выполненную из диэлектрического материала, и двумя коллинеарно расположенными электродами, изготовленными из проводящего материала, один из которых подключен к источнику питания, а другой электрод заземлен, отличающееся тем, источник питания выполнен с возможностью обеспечения параметров подачи питания частотой от 10 до 200 кГц, и снабжено рассеивающей насадкой, имеющей массив отверстий, равномерно расположенных по всей площади выходной поверхности рассеивающей насадки от центра к краю, количество отверстий увеличивается с увеличением радиуса их расположения, форма отверстий представляет собой окружность диаметром от 0,25 мм до 1,5 мм.

Images