RU2196394C1 - Method and device for plasma treatment of material and plasma generation process - Google Patents

Method and device for plasma treatment of material and plasma generation process Download PDF

Info

Publication number
RU2196394C1
RU2196394C1 RU2001113237/06A RU2001113237A RU2196394C1 RU 2196394 C1 RU2196394 C1 RU 2196394C1 RU 2001113237/06 A RU2001113237/06 A RU 2001113237/06A RU 2001113237 A RU2001113237 A RU 2001113237A RU 2196394 C1 RU2196394 C1 RU 2196394C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
discharge
electrode
extended
discharge electrode
gas
Prior art date
Application number
RU2001113237/06A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
А.Ф. Александров
Г.Э. Бугров
К.В. Вавилин
С.Г. Кондранин
Е.А. Кралькина
В.Б. Павлов
В.Ю. Плаксин
В.Ю. Сергиенко
И.Б. Тимофеев
Original Assignee
Александров Андрей Федорович
Бугров Глеб Эльмирович
Вавилин Константин Викторович
Кондранин Сергей Геннадьевич
Кралькина Елена Александровна
Павлов Владимир Борисович
Плаксин Вадим Юрьевич
Сергиенко Владимир Юрьевич
Тимофеев Игорь Борисович
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Александров Андрей Федорович, Бугров Глеб Эльмирович, Вавилин Константин Викторович, Кондранин Сергей Геннадьевич, Кралькина Елена Александровна, Павлов Владимир Борисович, Плаксин Вадим Юрьевич, Сергиенко Владимир Юрьевич, Тимофеев Игорь Борисович filed Critical Александров Андрей Федорович
Priority to RU2001113237/06A priority Critical patent/RU2196394C1/en
Priority to PCT/RU2002/000237 priority patent/WO2002094455A1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2196394C1 publication Critical patent/RU2196394C1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32431—Constructional details of the reactor
    • H01J37/3244—Gas supply means
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/2406—Generating plasma using dielectric barrier discharges, i.e. with a dielectric interposed between the electrodes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B7/00—Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass
    • B08B7/0035—Cleaning 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C59/00—Surface shaping of articles, e.g. embossing; Apparatus therefor
    • B29C59/14—Surface shaping of articles, e.g. embossing; Apparatus therefor by plasma treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING 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
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/50—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges
    • C23C16/515—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges using pulsed discharges
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C59/00—Surface shaping of articles, e.g. embossing; Apparatus therefor
    • B29C59/14—Surface shaping of articles, e.g. embossing; Apparatus therefor by plasma treatment
    • B29C2059/145—Atmospheric plasma
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H2240/00—Testing
    • H05H2240/10—Testing at atmospheric pressure
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H2245/00—Applications of plasma devices
    • H05H2245/40—Surface treatments

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Treatments Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

FIELD: plasma engineering; plasma treatment of materials; surface treatment by means of high-pressure discharge. SUBSTANCE: method includes supply of working gas to discharge gap and ignition of electrical discharge by means of extended discharge electrode disposed against surface being treated. Electrode is supplied with intermittently varying voltage to maintain extended discharge at atmospheric pressure, Plasma is generated by supplying gas flow at angle of 10 to 60 deg. to longitudinal axis or to symmetry plane of extended electrode in direction of surface under treatment. Gas is supplied uniformly along extended discharge electrode. Material-treatment gas-distribution device has insulating case provided with tilted gas-feeding channels. Outlet ports of channels are uniformly disposed on gas-distributor case against extended discharge electrode over its length. Material being treated acquires modified properties with high degree of uniformity over its surface by varying both composition of working gas and discharge parameters. EFFECT: improved properties of modified material. 20 cl, 10 dwg

Description

Область техники
Изобретение относится к плазменной технике и плазменной технологии обработки материалов, а более конкретно - к методам обработки поверхностей изделий при помощи газовых разрядов высокого давления для изменения поверхностной энергии материалов: для повышения гидрофильности или гидрофобности обрабатываемой поверхности, для улучшения ее адгезионных и антикоррозионных свойств.Technical field
The invention relates to a plasma technique and a plasma technology for processing materials, and more specifically to methods for treating surfaces of products using high-pressure gas discharges to change the surface energy of materials: to increase the hydrophilicity or hydrophobicity of the processed surface, to improve its adhesive and anticorrosion properties.

Предшествующий уровень техники
В настоящее время широко используются различные способы и средства для обработки материалов в плазме коронного разряда при атмосферном давлении.State of the art
Currently, various methods and means for processing materials in a corona discharge plasma at atmospheric pressure are widely used.

Так, например, из патента US 5895558 (МПК H 05 F 3/00, опубликован 20.04.1999) известно устройство и способ для обработки полимерной пленки в плазме электрического разряда при атмосферном давлении. Известное устройство включает в свой состав охлаждаемые электроды, расположенные напротив друг друга, которые подключаются к источнику ВЧ-напряжения. Частота питающего напряжения составляет от 1 до 30 МГц. Нижний электрод отделен от разрядного промежутка барьерным слоем диэлектрика. В процессе обработки материала разрядный объем заполняется рабочим газом при атмосферном давлении через отверстия, выполненные в торцевых частях электродов. При этом поток рабочего газа подается ортогонально поверхности обрабатываемого материала и образует турбулентную зону в разрядном промежутке. После зажигания разряда между электродами разрядный промежуток между катодом и диэлектрическим барьерным слоем, расположенным над поверхностью анода, заполняется плазмой ВЧ-разряда. So, for example, from the patent US 5895558 (IPC H 05 F 3/00, published 04/20/1999) there is a device and method for processing a polymer film in an electric discharge plasma at atmospheric pressure. The known device includes cooled electrodes located opposite each other, which are connected to a source of RF voltage. The frequency of the supply voltage is from 1 to 30 MHz. The lower electrode is separated from the discharge gap by a dielectric barrier layer. During the processing of the material, the discharge volume is filled with working gas at atmospheric pressure through openings made in the end parts of the electrodes. In this case, the flow of the working gas is supplied orthogonally to the surface of the processed material and forms a turbulent zone in the discharge gap. After ignition of the discharge between the electrodes, the discharge gap between the cathode and the dielectric barrier layer located above the anode surface is filled with RF discharge plasma.

Обработка полимерного материала осуществляется при его облучении электронами и отрицательными ионами, образующимися в плазме разряда, а также под воздействием ультрафиолетового излучения из плазмы разряда. Такой процесс обработки полимерного материала осуществляется при низкой температуре - температуре газа плазмы тлеющего разряда, что исключает возможную деструкцию материала. The processing of polymer material is carried out when it is irradiated with electrons and negative ions formed in the discharge plasma, as well as under the influence of ultraviolet radiation from the discharge plasma. Such a process of processing a polymer material is carried out at a low temperature — the temperature of a glow gas plasma gas, which eliminates the possible destruction of the material.

Из патента US 5403453 (МПК H 05 F 3/00, опубликован 04.04.1995) известен другой способ обработки материала (в виде пленки, тканого или нетканого материала) в плазме тлеющего разряда при атмосферном давлении рабочего газа. Такой способ и устройство, применяемое для его осуществления, используются для придания обрабатываемому материалу необходимых свойств: смачиваемость (гидрофильности или гидрофобности) и пористость. В состав устройства входят разрядные электроды, расположенные друг напротив друга, и металлический перфорированный заземленный электрод, установленный в разрядном объеме между разрядными электродами. Рабочие поверхности разрядных электродов и заземленного электрода покрыты барьерным слоем диэлектрика. Генерация плазмы в рабочем объеме осуществляется при подаче питающего напряжения с частотой от 1 до 100 кГц от ВЧ-источника напряжения и зажигании газового разряда между разрядными электродами. Обрабатываемый материал (ткань) перемещается через зону генерации плазмы между одним из разрядных электродов и перфорированным заземленным электродом. При перемещении обрабатываемого материала через разрядный объем происходит облучение поверхности материала заряженными частицами, посредством чего производится модификация свойств материала. From the patent US 5403453 (IPC H 05 F 3/00, published 04/04/1995) there is known another method of processing the material (in the form of a film, woven or non-woven material) in a glow discharge plasma at atmospheric pressure of the working gas. This method and device used for its implementation are used to give the material to be processed the necessary properties: wettability (hydrophilicity or hydrophobicity) and porosity. The device includes discharge electrodes located opposite each other, and a metal perforated grounded electrode installed in the discharge volume between the discharge electrodes. The working surfaces of the discharge electrodes and the grounded electrode are coated with a dielectric barrier layer. Plasma generation in the working volume is carried out by applying a supply voltage with a frequency of 1 to 100 kHz from the RF voltage source and igniting a gas discharge between the discharge electrodes. The processed material (tissue) moves through the plasma generation zone between one of the discharge electrodes and a perforated grounded electrode. When moving the processed material through the discharge volume, the surface of the material is irradiated with charged particles, whereby the material properties are modified.

В процессе обработки осуществляется принудительная циркуляция рабочего газа вдоль поверхности ткани, перемещаемой через разрядный объем. Управление подачей газа и оптимизация частотного диапазона электропитания позволяет с помощью описанного выше устройства частично стабилизировать разряд в межэлектродном пространстве таким образом, чтобы плазма генерировалась вдоль всей поверхности обрабатываемого материала. In the process of processing, forced circulation of the working gas is carried out along the surface of the fabric moved through the discharge volume. Control of the gas supply and optimization of the frequency range of the power supply allows using the device described above to partially stabilize the discharge in the interelectrode space so that the plasma is generated along the entire surface of the processed material.

В другом устройстве, описанном в патенте US 5215636 (МПК H 01 J 19/08, опубликован 01.06.1993), разрядные электроды размещаются вдоль обрабатываемой поверхности, под которой устанавливается массивный заземленный электрод. Обработка материалов производится при перемещении протяженной ленты или трубы через разрядный объем, в котором осуществляется генерация плазмы при зажигании разряда с частотой ~500 кГц. Улучшение смачиваемости и адгезионной способности обрабатываемой поверхности достигается за счет ее облучения интенсивным ультрафиолетовым излучением или иным электромагнитным излучением, а также за счет бомбардировки поверхности электронами, ионами и радикалами из разрядного объема. Стабилизация электрического разряда вдоль всей поверхности обрабатываемого материала при реализации известного способа осуществляется посредством равномерного распределения потока рабочего газа по всей обрабатываемой поверхности. Газораспределитель в таком устройстве может устанавливаться непосредственно над обрабатываемой поверхностью между разрядными электродами. Выходные каналы такого газораспределителя ориентированы ортогонально обрабатываемой поверхности и, соответственно, поверхности заземленного электрода, размещенного под лентой обрабатываемого диэлектрического материла. При этом электрический разряд зажигают вдоль обрабатываемой поверхности. In another device described in US Pat. No. 5,215,636 (IPC H 01 J 19/08, published June 1, 1993), the discharge electrodes are placed along a work surface under which a massive grounded electrode is mounted. Materials are processed by moving an extended tape or pipe through a discharge volume in which plasma is generated when a discharge is ignited with a frequency of ~ 500 kHz. Improving the wettability and adhesiveness of the treated surface is achieved by irradiating it with intense ultraviolet radiation or other electromagnetic radiation, as well as by bombarding the surface with electrons, ions and radicals from the discharge volume. The stabilization of the electric discharge along the entire surface of the processed material during the implementation of the known method is carried out by uniform distribution of the flow of working gas over the entire processed surface. The gas distributor in such a device can be installed directly above the surface to be treated between the discharge electrodes. The output channels of such a gas distributor are oriented orthogonally to the machined surface and, correspondingly, to the surface of the grounded electrode placed under the tape of the dielectric material being processed. In this case, an electric discharge is ignited along the surface to be treated.

Наиболее близкими аналогами (прототипами) для патентуемого способа плазменной обработки материалов, способа генерации плазмы и устройства для обработки материалов являются соответствующие способы и устройство, описанные в патенте US 5026463 (МПК B 05 D 3/14, опубликован 25.06.1991). Устройство, предназначенное для осуществления обработки тонкого ленточного материала в плазме коронного разряда при атмосферном давлении, включает в свой состав, по меньшей мере, один протяженный разрядный электрод, который установлен над обрабатываемой поверхностью материала и соразмерен с шириной ленты. Под обрабатываемой лентой или образцом материала устанавливается массивное заземленное тело с барьерным слоем диэлектрика. В качестве такого тела может использоваться, например, металлический барабан с диэлектрическим покрытием для перемотки ленты. The closest analogues (prototypes) for the patented method of plasma processing of materials, a method of generating plasma and a device for processing materials are the corresponding methods and device described in patent US 5026463 (IPC B 05 D 3/14, published June 25, 1991). A device designed for processing thin tape material in a corona discharge plasma at atmospheric pressure includes at least one extended discharge electrode, which is mounted above the treated surface of the material and is commensurate with the width of the tape. A massive grounded body with a dielectric barrier layer is installed under the processed tape or material sample. As such a body, for example, a dielectric coated metal drum for rewinding a tape can be used.

На разрядный электрод подается напряжение величиной от 20 до 70 кВ с частотой от 20 до 25 кГц, в результате чего зажигается коронный разряд в среде рабочего газа. Подача рабочего газа осуществляется с помощью специального газораспределителя, сообщенного с системой подачи газа. При этом выходные каналы газораспределителя направлены ортогонально по отношению к обрабатываемой поверхности и перпендикулярно по отношению к стержневым разрядным электродам. Данное выполнение газораспределителя позволяет равномерно распределять рабочий газ вдоль длины разрядных электродов и соответственно по всей ширине обрабатываемой ленты, что совместно с выбранными оптимальными электрическими параметрами позволяет поддерживать коронный разряд, равномерно распределенный по обрабатываемой поверхности материала. Модификация свойств материала производится путем облучения обрабатываемой поверхности заряженными частицами совместно с химической модификацией посредством воздействия на поверхность функционально активными группами и радикалами при подаче химически активных газов через газораспределитель. В результате воздействия на исходный обрабатываемый материал происходит его полимеризация и повышение плотности сшивки полимеров. A voltage of 20 to 70 kV with a frequency of 20 to 25 kHz is applied to the discharge electrode, as a result of which a corona discharge is ignited in the working gas medium. The supply of working gas is carried out using a special gas distributor in communication with the gas supply system. The output channels of the gas distributor are directed orthogonally with respect to the surface being machined and perpendicularly with respect to the rod discharge electrodes. This embodiment of the gas distributor allows you to evenly distribute the working gas along the length of the discharge electrodes and, accordingly, over the entire width of the processed tape, which, together with the selected optimal electrical parameters, allows you to maintain a corona discharge evenly distributed over the processed surface of the material. Modification of material properties is carried out by irradiating the treated surface with charged particles together with chemical modification by exposing the surface to functionally active groups and radicals when chemically active gases are supplied through a gas distributor. As a result of exposure to the source material being processed, it polymerizes and increases the crosslink density of the polymers.

Однако использование описанного выше способа генерации плазмы, способа плазменной обработки и устройства для обработки материалов не позволяет достичь высокой степени равномерности плотности плазмы вдоль ширины обрабатываемой ленты и стабильности разряда при атмосферном давлении. При этом сохраняется достаточно высокая вероятность того, что коронный разряд может локализоваться над частью обрабатываемой ленты. Данное явление, в свою очередь, приводит к неравномерности свойств материала по его поверхности, т.е. к дефекту обрабатываемого материала. Кроме того, осуществление известного способа обработки предусматривает поддержание напряжения электропитания и его частоты в достаточно узких диапазонах, в которых обеспечивается стабильное горение разряда. However, the use of the plasma generation method described above, the plasma processing method and the device for processing materials does not allow to achieve a high uniformity of the plasma density along the width of the processed tape and the stability of the discharge at atmospheric pressure. At the same time, a rather high probability remains that the corona discharge can be localized over part of the processed tape. This phenomenon, in turn, leads to uneven properties of the material over its surface, i.e. to a defect in the material being processed. In addition, the implementation of the known processing method involves maintaining the supply voltage and its frequency in a fairly narrow range, which ensures stable combustion of the discharge.

Сущность изобретения
В основу патентуемой группы изобретений, связанных между собой настолько, что они образуют единый изобретательский замысел, положена техническая задача по созданию протяженного разряда при атмосферном давлении рабочей среды и широком диапазоне рабочих частот, который обладает высокой стабильностью и равномерностью вдоль разрядного электрода. Решение такой задачи позволяет осуществлять процесс модификации свойств обрабатываемого материала с высокой степенью равномерности по его поверхности, как при изменении состава рабочего газа, так и при изменении параметров разряда. Данное преимущество обеспечивает повышение качества обработки материалов и расширение функциональных возможностей по изменению свойств материала в процессе непрерывного промышленного производства.SUMMARY OF THE INVENTION
The patented group of inventions, so interconnected that they form a single inventive concept, is based on the technical task of creating an extended discharge at atmospheric pressure of the working medium and a wide range of operating frequencies, which has high stability and uniformity along the discharge electrode. Solving this problem allows the process of modifying the properties of the processed material with a high degree of uniformity over its surface, both when changing the composition of the working gas, and when changing the discharge parameters. This advantage provides an increase in the quality of processing of materials and expansion of functional capabilities for changing the properties of the material in the process of continuous industrial production.

Достижение указанного технического результата обеспечивается при использовании способа плазменной обработки материалов при атмосферном давлении, включающего подачу потока рабочего газа в разрядный промежуток со стороны разрядного электрода при внешнем атмосферном давлении, зажигание электрического разряда с помощью, по меньшей мере, одного протяженного электрода, расположенного напротив обрабатываемой поверхности, на который подают циклически изменяющееся напряжение, и поддержание протяженного разряда при атмосферном давлении для генерации плазмы в процессе обработки материала. Согласно настоящему изобретению генерацию плазмы осуществляют при подаче газового потока под углом от 10o до 60o к оси или плоскости симметрии протяженного электрода. Газ подают равномерно вдоль поверхности протяженного электрода в направлении к обрабатываемой поверхности. При этом протяженный разрядный электрод может быть выполнен в виде металлического стержня или предпочтительно в виде металлической струны. В этом случае подачу газового потока осуществляют под углом к оси симметрии электрода. Если протяженный разрядный электрод выполняется, например, в виде металлической ленты, подача газового потока производится под углом к горизонтальной плоскости симметрии электрода.The achievement of the specified technical result is achieved by using a method of plasma processing of materials at atmospheric pressure, including supplying a working gas stream to the discharge gap from the discharge electrode at external atmospheric pressure, igniting an electric discharge using at least one extended electrode located opposite the surface to be treated fed to a cyclically varying voltage, and maintaining an extended discharge at atmospheric pressure To generate plasma in the processing material. According to the present invention, plasma generation is carried out by supplying a gas stream at an angle of from 10 ° to 60 ° to the axis or plane of symmetry of the extended electrode. Gas is supplied uniformly along the surface of the extended electrode in the direction of the surface to be treated. In this case, the extended discharge electrode may be made in the form of a metal rod or, preferably, in the form of a metal string. In this case, the gas stream is supplied at an angle to the axis of symmetry of the electrode. If an extended discharge electrode is, for example, in the form of a metal strip, the gas stream is supplied at an angle to the horizontal plane of symmetry of the electrode.

Создание потока рабочего газа, продуваемого через разрядный объем, с определенным соотношением продольной и поперечной составляющих скорости потока относительно поверхности протяженного разрядного электрода способствует организации пространственно однородной разрядной области плазмы, которая генерируется вдоль всей длины протяженного разрядного электрода. Такое пространственно однородное стабильное плазменное образование, расположенное поперек ленты обрабатываемого материала, протягиваемого через разрядный объем, обеспечивает равномерное воздействие на обрабатываемую поверхность и, следовательно, высокое качество обработки материала. The creation of a working gas stream blown through the discharge volume with a certain ratio of the longitudinal and transverse components of the flow velocity relative to the surface of the extended discharge electrode helps to organize a spatially uniform discharge region of the plasma that is generated along the entire length of the extended discharge electrode. Such a spatially uniform stable plasma formation, located across the tape of the processed material, stretched through the discharge volume, provides a uniform effect on the treated surface and, therefore, high quality processing of the material.

Для зажигания электрического разряда преимущественно используется, по меньшей мере, один поджигной электрод, на который подается импульсное напряжение. To ignite an electric discharge, at least one ignition electrode, to which a pulse voltage is applied, is preferably used.

Электрический разряд при атмосферном давлении можно зажигать между протяженным разрядным электродом и заземленным электродом, устанавливаемым под подложкой обрабатываемого диэлектрического материала. Зажигание и поддержание электрического разряда может осуществляться без использования дополнительного заземленного электрода. An electric discharge at atmospheric pressure can be ignited between an extended discharge electrode and a grounded electrode mounted under the substrate of the dielectric material being processed. Ignition and maintenance of electrical discharge can be carried out without the use of an additional grounded electrode.

Достижение указанного выше технического результата обеспечивается также с помощью способа генерации плазмы при атмосферном давлении, включающего подачу потока рабочего газа в разрядный промежуток со стороны разрядного электрода, зажигание электрического разряда с помощью, по меньшей мере, одного протяженного разрядного электрода, на который подают циклически изменяющееся напряжение, и поддержание протяженного разряда при атмосферном давлении. Согласно настоящему изобретению генерацию плазмы осуществляют при подаче газового потока под углом от 10o до 60o к оси или плоскости симметрии протяженного электрода, причем газ подают равномерно вдоль поверхности протяженного разрядного электрода.The achievement of the above technical result is also ensured by a method of generating plasma at atmospheric pressure, including supplying a working gas stream to the discharge gap from the discharge electrode side, igniting an electric discharge using at least one extended discharge electrode, to which a cyclically varying voltage is applied , and maintaining an extended discharge at atmospheric pressure. According to the present invention, plasma generation is carried out by supplying a gas stream at an angle of 10 ° to 60 ° to the axis or plane of symmetry of the extended electrode, the gas being supplied uniformly along the surface of the extended discharge electrode.

Протяженный разрядный электрод может быть выполнен в виде металлического стержня или предпочтительно в виде металлической струны. В этом случае подачу газового потока осуществляют под углом к оси симметрии электрода. Если протяженный разрядный электрод выполняется, например, в виде металлической ленты, подача газового потока производится под углом к горизонтальной плоскости симметрии электрода. The extended discharge electrode may be made in the form of a metal rod or, preferably, in the form of a metal string. In this case, the gas stream is supplied at an angle to the axis of symmetry of the electrode. If an extended discharge electrode is, for example, in the form of a metal strip, the gas stream is supplied at an angle to the horizontal plane of symmetry of the electrode.

Технический результат достигается также с помощью устройства для плазменной обработки материалов при атмосферном давлении, которое содержит, по меньшей мере, один протяженный разрядный электрод с выводами для подключения к системе электропитания, газораспределитель, обеспечивающий продув потока рабочего газа вдоль протяженного разрядного электрода, расположенного напротив обрабатываемой поверхности, и систему подачи обрабатываемого материала в разрядный объем. Согласно настоящему изобретению газораспределитель содержит корпус из диэлектрического материала, в котором выполнены наклонные каналы для подачи газа, выходные отверстия которых расположены напротив поверхности разрядного электрода, при этом наклонные каналы ориентированы под углом от 10o до 60o к продольной оси или плоскости симметрии протяженного разрядного электрода в направлении к обрабатываемой поверхности и равномерно расположены по поверхности корпуса газораспределителя вдоль длины протяженного разрядного электрода.The technical result is also achieved using a device for plasma processing of materials at atmospheric pressure, which contains at least one extended discharge electrode with leads for connection to the power supply system, a gas distributor that provides purging of the working gas stream along the extended discharge electrode located opposite the surface to be treated , and a system for supplying the processed material to the discharge volume. According to the present invention, the gas distributor comprises a housing of dielectric material in which inclined gas supply channels are made, the outlet openings of which are located opposite the surface of the discharge electrode, the inclined channels being oriented at an angle of 10 ° to 60 ° to the longitudinal axis or plane of symmetry of the extended discharge electrode in the direction of the surface to be treated and evenly located on the surface of the valve body along the length of the extended discharge electrode.

Предпочтительно выполнение наклонных каналов для подачи газа в форме сопел Лаваля. Данное конструктивное выполнение позволяет увеличить поперечный размер области пространственно однородной плазмы над обрабатываемой поверхностью за счет увеличения расстояния направленной подачи рабочего газа. It is preferable to make inclined channels for supplying gas in the form of Laval nozzles. This design embodiment allows to increase the transverse size of the region of spatially homogeneous plasma above the treated surface by increasing the distance of the directed supply of the working gas.

Для облегчения условий зажигания пространственно протяженного разряда и упрощения системы электропитания устройство содержит, по меньшей мере, один поджигной электрод, установленный вблизи протяженного разрядного электрода. To facilitate the ignition conditions of a spatially extended discharge and to simplify the power supply system, the device comprises at least one ignition electrode mounted near an extended discharge electrode.

В состав устройства может входить система подачи обрабатываемого материала в виде ленты, перемещаемой через разрядный объем с помощью перемоточных барабанов. При ленточной подаче обрабатываемого материала синхронно с протяжкой ленты может производиться дополнительная обработка: облучение поверхности ленты с помощью источника ультрафиолетового излучения и/или обдув ленты химически активным газом. Источник излучения и система подачи газа устанавливаются над перемещаемой лентой. The composition of the device may include a feed system of the processed material in the form of a tape, moved through the discharge volume using rewind drums. When feeding the processed material in a tape mode, additional processing can be carried out simultaneously with the drawing of the tape: irradiation of the surface of the tape with an ultraviolet radiation source and / or blowing of the tape with a chemically active gas. The radiation source and gas supply system are installed above the movable tape.

В случае обработки плоской подложки, выполненной из обрабатываемого материала, система подачи обрабатываемого материала в разрядный объем может быть снабжена, по меньшей мере, одним узлом возвратно-поступательного перемещения подложки относительно протяженного разрядного электрода. In the case of processing a flat substrate made of the material to be processed, the system for supplying the processed material to the discharge volume can be equipped with at least one unit of reciprocating movement of the substrate relative to the extended discharge electrode.

Протяженный разрядный электрод может быть выполнен в виде металлического стержня. В предпочтительном варианте выполнения протяженный разрядный электрод выполняется в виде металлической струны с натяжной пружиной. Кроме того, возможно выполнение протяженного разрядного электрода в виде металлической ленты. В последнем случае наклонные каналы ориентированы под углом от 10o до 60o к продольной горизонтальной плоскости симметрии ленточного разрядного электрода.An extended discharge electrode can be made in the form of a metal rod. In a preferred embodiment, the extended discharge electrode is in the form of a metal string with a tension spring. In addition, it is possible to perform an extended discharge electrode in the form of a metal strip. In the latter case, the inclined channels are oriented at an angle from 10 o to 60 o to the longitudinal horizontal plane of symmetry of the tape discharge electrode.

Для улучшения пространственной организации однородной разрядной плазмы может использоваться, по меньшей мере, один металлический заземленный электрод, установленный под подложкой или лентой обрабатываемого материала. При таком выполнении протяженный разряд зажигается между одним или несколькими разрядными электродами и заземленным электродом. To improve the spatial organization of a homogeneous discharge plasma, at least one metal grounded electrode mounted under a substrate or tape of the processed material can be used. In this embodiment, an extended discharge is ignited between one or more discharge electrodes and a grounded electrode.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Далее группа патентуемых изобретений поясняется описанием конкретных примеров реализации и прилагаемыми чертежами, на которых изображено следующее:
на фиг. 1 схематично изображен продольный разрез газораспределителя с протяженным разрядным электродом и одним поджигным электродом;
на фиг. 2 схематично изображен продольный разрез газораспределителя с протяженным разрядным электродом и семью поджигными электродами;
на фиг. 3 схематично изображено устройство для плазменной обработки материалов с узлом возвратно-поступательного перемещения подложки;
на фиг. 4 схематично изображено устройство для плазменной обработки материалов с системой перемещения ленты через разрядный объем;
на фиг.5 - графическая зависимость краевого угла (угла смачивания) θ (в градусах) образца из нержавеющей стали от времени Т (в днях) после плазменной обработки материала согласно настоящему изобретению;
на фиг.6 - графическая зависимость краевого угла (угла смачивания) θ (в градусах) образца из углеродистой стали от времени Т (в днях) после плазменной обработки материала согласно настоящему изобретению;
на фиг.7 - графическая зависимость краевого угла (угла смачивания) θ (в градусах) образца из алюминия от времени Т (в днях) после плазменной обработки материала согласно настоящему изобретению;
на фиг.8 - графическая зависимость краевого угла (угла смачивания) θ (в градусах) образца из полиэтилена от времени Т (в днях) после плазменной обработки материала согласно настоящему изобретению;
на фиг.9 - графическая зависимость краевого угла (угла смачивания) θ (в градусах) образца из полиимида от времени Т (в днях) после плазменной обработки материала согласно настоящему изобретению;
на фиг.10 - графическая зависимость краевого угла (угла смачивания) θ (в градусах) образца из винилхлорида от времени Т (в днях) после плазменной обработки материала согласно настоящему изобретению.Information confirming the possibility of carrying out the invention
Further, the group of patentable inventions is illustrated by a description of specific examples of implementation and the accompanying drawings, which depict the following:
in FIG. 1 schematically shows a longitudinal section of a gas distributor with an extended discharge electrode and one ignition electrode;
in FIG. 2 schematically shows a longitudinal section of a gas distributor with an extended discharge electrode and seven ignition electrodes;
in FIG. 3 schematically shows a device for plasma processing of materials with a node reciprocating movement of the substrate;
in FIG. 4 schematically shows a device for plasma processing of materials with a system for moving the tape through the discharge volume;
figure 5 - graphical dependence of the contact angle (angle of contact) θ (in degrees) of a stainless steel sample from time T (in days) after plasma treatment of the material according to the present invention;
Fig.6 is a graphical dependence of the contact angle (angle of contact) θ (in degrees) of a carbon steel sample on time T (in days) after plasma treatment of the material according to the present invention;
in Fig.7 is a graphical dependence of the contact angle (angle of contact) θ (in degrees) of a sample of aluminum from time T (in days) after plasma treatment of the material according to the present invention;
on Fig - graphical dependence of the contact angle (angle of contact) θ (in degrees) of a sample of polyethylene from time T (in days) after plasma treatment of the material according to the present invention;
figure 9 is a graphical dependence of the contact angle (angle of contact) θ (in degrees) of a sample of polyimide from time T (in days) after plasma treatment of the material according to the present invention;
figure 10 - graphical dependence of the contact angle (angle of contact) θ (in degrees) of a sample of vinyl chloride from time T (in days) after plasma treatment of the material according to the present invention.

Устройство для плазменной обработки материалов при атмосферном давлении, изображенное на фиг.1-4, включает в состав несколько модулей для генерации плазмы. Каждый такой модуль включает в свой состав протяженный разрядный электрод, выполненный в виде стальной струны 1, натянутой с помощью натяжной пружины (не показана) между вводами 2 и 3, предназначенными для подключения к системе электропитания. Необходимо отметить, что выполнение разрядного электрода в виде струны не является единственным вариантом выполнения, возможны и другие варианты - в виде стержня или в виде металлической ленты. На струне 1 закреплен острийный поджигной электрод 4. В предпочтительном варианте выполнения устройства (см. фиг.2) на струне 1 равномерно вдоль ее длины размещены семь острийных поджигных электродов 4. Такое выполнение позволяет осуществлять зажигание разряда вдоль всей поверхности струны 1. В состав каждого разрядного модуля входит также газораспределитель с диэлектрическим корпусом 5, внутри которого выполнена газораспределительная камера 6 с входным отверстием 7 и наклонными каналами 8, выходные отверстия которых равномерно расположены в ряд напротив струны 1. Наклонные каналы 8 ориентированы под углом 50o к продольной оси симметрии струны 1 в направлении к обрабатываемой поверхности. На фиг.1 и 2 наклонные каналы 8 выполнены в форме цилиндрических каналов, однако для подачи газа могут использоваться и профилированные каналы, в частности, в форме сопел Лаваля. Выбор той или иной формы наклонных каналов 8 зависит от ряда факторов, определяющих газодинамическое распределение рабочего газа вдоль поверхности разрядного электрода (струны 1), и от требований, предъявляемых к технологии изготовления конструкции устройства.The device for plasma processing of materials at atmospheric pressure, shown in figures 1-4, includes several modules for generating plasma. Each such module includes an extended discharge electrode, made in the form of a steel string 1, stretched using a tension spring (not shown) between the inputs 2 and 3, intended for connection to the power supply system. It should be noted that the implementation of the discharge electrode in the form of a string is not the only option, other options are possible - in the form of a rod or in the form of a metal tape. A pointed ignition electrode 4 is fixed to the string 1. In a preferred embodiment of the device (see FIG. 2), seven pointed ignition electrodes 4 are placed uniformly along the string 1 along its length 4. This embodiment allows the discharge to be ignited along the entire surface of the string 1. Each the discharge module also includes a gas distributor with a dielectric housing 5, inside which a gas distribution chamber 6 is made with an inlet 7 and inclined channels 8, the outlet openings of which are uniformly located s in a row opposite the string 1. Inclined channels 8 are oriented at an angle of 50 o to the longitudinal axis of symmetry of the string 1 in the direction of the workpiece. 1 and 2, the inclined channels 8 are made in the form of cylindrical channels, however, profiled channels, in particular, in the form of Laval nozzles, can also be used for gas supply. The choice of one form or another of the inclined channels 8 depends on a number of factors determining the gas-dynamic distribution of the working gas along the surface of the discharge electrode (string 1), and on the requirements for the manufacturing technology of the device design.

В состав устройства для плазменной обработки материалов входит также система подачи обрабатываемого материала в разрядный объем. В случае плазменной обработки плоских подложек (см. фиг.3) такая система содержит узлы 9 возвратно-поступательного перемещения подложки 10, выполненной из обрабатываемого материала. Над зоной перемещения подложки 10 в три ряда установлены разрядные блоки 11 с взаимным перекрытием вдоль ширины подложки 10. Каждый разрядный блок 11 включает в свой состав газораспределитель и протяженный разрядный электрод. The device for plasma processing of materials also includes a system for supplying the processed material to the discharge volume. In the case of plasma processing of flat substrates (see Fig. 3), such a system comprises nodes 9 for reciprocating movement of a substrate 10 made of the material being processed. Above the zone of movement of the substrate 10, discharge blocks 11 are installed in three rows with mutual overlap along the width of the substrate 10. Each discharge block 11 includes a gas distributor and an extended discharge electrode.

В случае плазменной обработки обрабатываемого материала в виде ленты 12 (см. фиг.4) система подачи обрабатываемого материала включает в свой состав перемоточные барабаны 13, с помощью которых осуществляется перемещение ленты 12 через разрядный объем. Над лентой, выполненной из обрабатываемого материала, устанавливаются разрядные блоки 11 в три ряда с взаимным перекрытием вдоль ширины ленты 12. Кроме того, перед рядами разрядных блоков 11 расположен источник 14 ультрафиолетового излучения, а за рядами разрядных блоков 11 в направлении движения ленты 12 расположена система 15 дополнительной обработки ленты. В случае использования химически активных газов система 15 может быть выполнена в виде газораспределителя, с помощью которого осуществляется равномерная подача химически активного газа или смеси газов вдоль ширины ленты 12. In the case of plasma processing of the processed material in the form of a tape 12 (see Fig. 4), the feed system of the processed material includes rewinding drums 13, with the help of which the tape 12 is moved through the discharge volume. Above the tape made of the processed material, the discharge blocks 11 are installed in three rows with mutual overlap along the width of the tape 12. In addition, an ultraviolet radiation source 14 is located in front of the rows of the discharge blocks 11, and a system is located behind the rows of the discharge blocks 11 15 additional tape processing. In the case of the use of reactive gases, the system 15 can be made in the form of a gas distributor, with the help of which a uniform supply of reactive gas or a mixture of gases is carried out along the width of the tape 12.

В состав устройства могут входить также металлические заземленные электроды, устанавливаемые под подложкой или лентой обрабатываемого материала (не показаны). Заземленные электроды изолируются от разрядного объема через барьерный слой диэлектрика, в качестве которого может использоваться сам обрабатываемый материал, если он обладает достаточно высокой диэлектрической проницаемостью. В качестве заземленных электродов могут использоваться, например, перемоточные барабаны 13. The device may also include metal grounded electrodes mounted under a substrate or tape of the processed material (not shown). The grounded electrodes are isolated from the discharge volume through the barrier layer of the dielectric, which can be used as a material itself if it has a sufficiently high dielectric constant. As grounded electrodes can be used, for example, rewind drums 13.

Работа описанного выше устройства и соответственно способ плазменной обработки материалов при атмосферном давлении осуществляются следующим образом. The operation of the device described above and, accordingly, the method of plasma processing of materials at atmospheric pressure are as follows.

Осуществляется генерация плазмы в каждом из разрядных блоков, установленных над подложкой или лентой, выполненной из обрабатываемого материала, в соответствии с последовательностью операций способа генерации плазмы. При этом генерация плазмы осуществляется при атмосферном давлении в среде рабочего газа. Plasma is generated in each of the discharge blocks installed above a substrate or tape made of the material to be processed, in accordance with the sequence of operations of the plasma generation method. In this case, plasma generation is carried out at atmospheric pressure in the working gas medium.

Рабочий газ под избыточным давлением подается во входное отверстие 7 корпуса 5 газораспределителя. В качестве рабочего газа используется смесь газов: воздуха, аргона, азота и/или кислорода. В камере 6 газораспределителя происходит равномерное распределение потока газа по всему объему, и газ поступает под равным давлением в каждый наклонный канал 8. С помощью ряда наклонных каналов 8, выходные отверстия которых расположены напротив струны 1, организуется подача рабочего газа вдоль образующей поверхности наклонных каналов, т. е. под углом к продольной оси симметрии струны 1 в направлении к обрабатываемой поверхности. Working gas under excessive pressure is fed into the inlet 7 of the valve body 5. As the working gas, a mixture of gases is used: air, argon, nitrogen and / or oxygen. In the chamber 6 of the gas distributor there is a uniform distribution of the gas flow throughout the volume, and gas flows under equal pressure into each inclined channel 8. Using a series of inclined channels 8, the outlet openings of which are located opposite the string 1, the working gas is supplied along the generatrix of the inclined channels, i.e., at an angle to the longitudinal axis of symmetry of the string 1 in the direction of the work surface.

После этого на вводы 2 и 3, между которыми натянута струна 1, подается рабочее напряжение ~3 кВ с частотой 13,56 МГц. Зажигание разряда инициируется острийным поджигным электродом, соединенным со струной 1 (см. фиг.1). В случае использования достаточно протяженной струны 1 зажигание разряда осуществляется с помощью нескольких острийных поджигных электродов 4, равномерно установленных вдоль струны (см. фиг.2). Параметры разряда могут оптимизироваться в соответствии с конкретной технологической задачей. After that, an input voltage of ~ 3 kV with a frequency of 13.56 MHz is applied to inputs 2 and 3, between which the string 1 is stretched. The ignition of the discharge is initiated by a pointed ignition electrode connected to the string 1 (see figure 1). In the case of using a sufficiently long string 1, the discharge is ignited using several pointed ignition electrodes 4, evenly installed along the string (see figure 2). The discharge parameters can be optimized in accordance with a specific technological task.

Как показали проведенные исследования, большое значение для организации протяженного газового разряда, в частном случае представляющего собой пространственно однородное распределение микроразрядов (стримеров) вдоль протяженного разрядного электрода, имеет соотношение продольной и поперечной составляющих скорости газового потока вблизи поверхности электрода. Соотношение составляющих скорости газового потока задается углом наклона к продольной оси симметрии струны 1 наклонных каналов 8. As the studies showed, the ratio of the longitudinal and transverse components of the gas flow velocity near the electrode surface is of great importance for organizing an extended gas discharge, in the particular case a spatially uniform distribution of microdischarges (streamers) along an extended discharge electrode. The ratio of the components of the gas flow velocity is determined by the angle of inclination to the longitudinal axis of symmetry of the string 1 of the inclined channels 8.

Поток рабочего газа должен подаваться под углом от 10o до 60o к оси симметрии струны 1 в направлении к обрабатываемой поверхности. При углах менее 10o разряд становится существенно неоднородным. При углах наклона более 60o не удается осуществить зажигание пространственно однородного электрического разряда вдоль всей длины разрядного электрода. Стабильное однородное горение протяженного электрического разряда удается осуществить в ограниченном диапазоне направлений подачи рабочего газа, определяемом диапазоном углов наклона каналов от 10o до 60o. При таком соотношении составляющих скорости потока газа обеспечиваются заданные требования по стабильности разряда и пространственной однородности разрядной плазмы в широком диапазоне расходов рабочего газа и вкладываемой мощности. При этом в качестве рабочих газов могут использоваться как инертные, так и химически активные газы, а также пары различных веществ.The flow of the working gas should be supplied at an angle from 10 o to 60 o to the axis of symmetry of the string 1 in the direction of the workpiece. At angles less than 10 o the discharge becomes substantially inhomogeneous. At angles of inclination of more than 60 °, it is not possible to ignite a spatially uniform electric discharge along the entire length of the discharge electrode. Stable uniform combustion of an extended electric discharge can be achieved in a limited range of working gas supply directions, determined by the range of channel tilt angles from 10 o to 60 o . With this ratio of the components of the gas flow rate, the specified requirements for the stability of the discharge and the spatial uniformity of the discharge plasma in a wide range of flow rates of the working gas and the input power are provided. In this case, both inert and chemically active gases, as well as vapors of various substances, can be used as working gases.

Описанный выше способ генерации плазмы характерен для всех разрядных блоков 11, используемых для плазменной обработки материалов в составе соответствующего устройства (см. фиг.3 и 4). The plasma generation method described above is characteristic of all discharge blocks 11 used for plasma processing of materials as part of the corresponding device (see Figs. 3 and 4).

В процессе работы устройства обеспечивается равномерный подвод электрической мощности к каждому разрядному блоку 11 с помощью известных радиотехнических средств. После зажигания протяженных разрядов в разрядных блоках 11, расположенных в три ряда поперек обрабатываемой подложки 10 (см. фиг.3), производится возвратно-поступательное перемещение подложки 10 с помощью узлов 9. Такое перемещение подложки 10 осуществляется для равномерной обработки всей поверхности при ее многократном перемещении под рядами разрядных блоков 11. Пространственно равномерное распределение генерируемой плазмы с помощью заземленных электродов, в качестве которых применяются узлы 9 возвратно-поступательного перемещения подложки 10, изолированные от разрядного объема барьерным слоем диэлектрика. Использование системы подачи обрабатываемого материала с узлами возвратно-поступательного перемещения подложки 10 через разрядный объем наиболее целесообразно при обработке плоских подложек, размеры которой превышают габаритные размеры области размещения разрядных блоков 11. In the process of operation of the device, a uniform supply of electric power to each discharge unit 11 is provided using known radio engineering means. After ignition of extended discharges in the discharge blocks 11, arranged in three rows across the substrate 10 to be processed (see FIG. 3), the substrate 10 is reciprocated by means of nodes 9. Such substrate 10 is moved to uniformly treat the entire surface when it is repeatedly moving under the rows of discharge blocks 11. Spatially uniform distribution of the generated plasma using grounded electrodes, which are used as nodes 9 of the reciprocating movement of vile ki 10, isolated from the discharge volume by a dielectric layer barrier. The use of the feed system of the processed material with the nodes of the reciprocating movement of the substrate 10 through the discharge volume is most appropriate when processing flat substrates, the dimensions of which exceed the overall dimensions of the location area of the discharge blocks 11.

В случае использования обрабатываемого материала в виде ленты 12 применяется устройство, включающее в свой состав перемоточные барабаны 13, с помощью которых лента, выполненная из обрабатываемого материала, перемещается через разрядный объем с заданной скоростью (см. фиг.4). Такое выполнение устройства позволяет производить дополнительные операции обработки ленты 12 наряду с плазменной обработкой в протяженном разряде. Обрабатываемая поверхность ленты предварительно облучается источником 14 ультрафиолетового излучения. За счет воздействия ультрафиолетовым излучением на обрабатываемый материал производится предварительная активация поверхностного слоя. Затем, по направлению движения ленты 12, обрабатываемая поверхность попадает в зону разрядного объема, который состоит из рядов пространственно однородной плазмы, генерируемой с помощью разрядных блоков 11. In the case of using the processed material in the form of a tape 12, a device is used that includes rewinding drums 13, with which a tape made of the processed material is moved through the discharge volume at a given speed (see Fig. 4). This embodiment of the device allows for additional processing operations of the tape 12 along with plasma processing in an extended discharge. The processed surface of the tape is pre-irradiated with a source of 14 ultraviolet radiation. Due to the effect of ultraviolet radiation on the material being processed, the surface layer is preliminarily activated. Then, in the direction of movement of the tape 12, the treated surface falls into the zone of the discharge volume, which consists of rows of spatially homogeneous plasma generated using the discharge blocks 11.

При использовании изобретения в каждом разрядном блоке 11 реализуется пространственно однородный протяженный электрический разряд, обладающий требуемой стабильностью горения. В результате этого в разрядном объеме образуется пространственно протяженная однородная плазма, служащая источником электронов, ионов и химических радикалов, равномерно облучающих обрабатываемую поверхность. Для повышения равномерности распределения плазмы в разрядном объеме применяются заземленные электроды, изолированные от разрядного объема барьерным слоем диэлектрика. В качестве таких электродов в рассматриваемом примере реализации используются перемоточные барабаны 13, расположенные под лентой 12. Таким образом, каждый ряд разрядных блоков 11 осуществляет последовательную равномерную обработку поверхности при атмосферном давлении. После плазменной обработки лента 12 проходит над зоной дополнительной обработки. В качестве системы 15 дополнительной обработки в рассматриваемом примере реализации изобретения используется протяженный газораспределитель, с помощью которого производится подача химически активного газа или смеси газов. Дополнительная газовая обработка с помощью системы 15 позволяет осуществить равномерное завершение химических процессов, активизируемых плазменной обработкой в разрядной зоне. When using the invention, a spatially uniform extended electric discharge with the required combustion stability is realized in each discharge block 11. As a result of this, a spatially extended homogeneous plasma is formed in the discharge volume, which serves as a source of electrons, ions, and chemical radicals that uniformly irradiate the treated surface. To increase the uniformity of the plasma distribution in the discharge volume, grounded electrodes are used that are isolated from the discharge volume by a dielectric barrier layer. Rewinding drums 13 located under the tape 12 are used as such electrodes in this example of implementation. Thus, each row of discharge blocks 11 carries out sequential uniform surface treatment at atmospheric pressure. After plasma treatment, the tape 12 passes over the additional processing zone. In the example embodiment of the invention, an extended gas distributor is used as the additional processing system 15, by means of which a reactive gas or gas mixture is supplied. Additional gas treatment using system 15 allows the uniform completion of chemical processes activated by plasma treatment in the discharge zone.

Результаты экспериментов по плазменной обработке образцов обрабатываемых материалов показаны в виде графических зависимостей, представленных на фиг. 5-10. В ходе экспериментов производилась обработка с заданными параметрами разряда, которые выбирались с целью улучшения смачиваемости обрабатываемой поверхности. Производилась обработка образцов, выполненных из нержавеющей стали, углеродистой стали, алюминия, полиэтилена, полиимида и винилхорида. На фиг. 5-10 показана динамика изменения краевого угла (угла смачиваемости) обработанных образцов при их старении в атмосфере при нормальных условиях. The results of experiments on plasma processing of samples of processed materials are shown in the form of graphical dependences shown in FIG. 5-10. During the experiments, processing was performed with the specified discharge parameters, which were chosen in order to improve the wettability of the treated surface. Samples made of stainless steel, carbon steel, aluminum, polyethylene, polyimide and vinyl choride were processed. In FIG. 5-10 show the dynamics of changes in the contact angle (wettability angle) of the treated samples during their aging in the atmosphere under normal conditions.

Плазменная обработка диэлектриков согласно настоящему изобретению приводит к существенному повышению гидрофильности их поверхности. Для полиимида краевой угол после плазменной обработки составил 15o (см. фиг.9), для винилхлорида - 17o (см. фиг.10), для полиэтилена - 20o (см. фиг.8). После выдержки в течение 10 дней краевые углы для указанных выше материалов составили: образец полиимида - 38o, образец винилхлорида - 30o, образец полиэтилена - 35o.The plasma treatment of dielectrics according to the present invention leads to a significant increase in the hydrophilicity of their surface. For polyimide, the edge angle after plasma treatment was 15 o (see Fig. 9), for vinyl chloride - 17 o (see Fig. 10), for polyethylene - 20 o (see Fig. 8). After exposure for 10 days, the contact angles for the above materials were: a sample of polyimide - 38 o , a sample of vinyl chloride - 30 o , a sample of polyethylene - 35 o .

Плазменная обработка металлических образцов также существенно повышает (хотя и в меньшей степени по сравнению с диэлектриками) гидрофильность поверхности. После плазменной обработки краевой угол составил: для образца из нержавеющей стали - 15o (см. фиг.5), для образца из углеродистой стали - 20o (см. фиг.6), для образца из алюминия - 10o (см. фиг.7). Стабилизация величины краевого угла обработанной поверхности образца из нержавеющей стали при старении в атмосфере (при нормальных условиях) произошла через 20 дней. Величина краевого угла образца из нержавеющей стали после процесса старения составила 35o. При старении образца из углеродистой стали в течение 6 дней краевой угол стабилизировался при значении 35o. Для алюминиевого образца стабилизация значения краевого угла произошла через 25 дней после плазменной обработки, при этом величина угла составила 28o.Plasma treatment of metal samples also significantly increases (although to a lesser extent compared to dielectrics) surface hydrophilicity. After plasma treatment, the contact angle was: for a stainless steel sample - 15 o (see Fig. 5), for a carbon steel sample - 20 o (see Fig. 6), for an aluminum sample - 10 o (see Fig. .7). The stabilization of the value of the contact angle of the treated surface of the stainless steel sample during aging in the atmosphere (under normal conditions) occurred after 20 days. The value of the contact angle of the stainless steel sample after the aging process was 35 o . When aging the carbon steel sample for 6 days, the contact angle stabilized at a value of 35 o . For the aluminum sample, the stabilization of the value of the contact angle occurred 25 days after the plasma treatment, while the angle was 28 o .

Представленные экспериментальные данные подтверждают возможность существенного повышения гидрофильности обрабатываемой поверхности, как одной из форм модификации поверхности, и стабилизации полученных свойств поверхности в течение длительного времени после обработки. Модификация свойств, в том числе и гидрофильности, обрабатываемого материала осуществляется с высокой степенью равномерности по его поверхности при выбранных условиях плазменной обработки. При этом равномерность обработки поверхности и получение стабильных свойств обрабатываемой поверхности обеспечивается за счет использования протяженного разряда при атмосферном давлении, который обладает высокой стабильностью и равномерностью вдоль разрядного электрода. The presented experimental data confirm the possibility of a significant increase in the hydrophilicity of the treated surface, as one of the forms of surface modification, and stabilization of the obtained surface properties for a long time after processing. Modification of the properties, including hydrophilicity, of the processed material is carried out with a high degree of uniformity over its surface under the selected plasma treatment conditions. Moreover, the uniformity of the surface treatment and obtaining stable properties of the treated surface is ensured by using an extended discharge at atmospheric pressure, which has high stability and uniformity along the discharge electrode.

Промышленная применимость
Изобретение может применяться в различных плазменных технологических процессах, в том числе для повышения гидрофильности или гидрофобности обрабатываемой поверхности, для улучшения ее адгезионных и антикоррозионных свойств. Способ и устройство для обработки материалов, а также способ генерации плазмы могут использоваться в промышленных установках для чистки, модификации и полировки поверхностей металлов и диэлектриков, а также для нанесения на них покрытий.Industrial applicability
The invention can be applied in various plasma technological processes, including to increase the hydrophilicity or hydrophobicity of the treated surface, to improve its adhesive and anticorrosive properties. The method and apparatus for processing materials, as well as the method for generating plasma, can be used in industrial plants for cleaning, modifying and polishing surfaces of metals and dielectrics, as well as for coating them.

Claims (20)

1. Способ плазменной обработки материалов при атмосферном давлении, включающий подачу потока рабочего газа в разрядный промежуток со стороны разрядного электрода, зажигание электрического разряда с помощью протяженного разрядного электрода, расположенного напротив обрабатываемой поверхности, на который подают циклически изменяющееся напряжение, и поддержание протяженного разряда при атмосферном давлении для генерации плазмы в процессе обработки материала, отличающийся тем, что генерацию плазмы осуществляют при подаче потока газа под углом 10 - 60o к продольной оси или плоскости симметрии протяженного электрода в направлении к обрабатываемой поверхности, причем газ подают равномерно вдоль поверхности протяженного разрядного электрода.1. A method of plasma processing of materials at atmospheric pressure, comprising supplying a working gas stream to the discharge gap from the side of the discharge electrode, igniting an electric discharge using an extended discharge electrode located opposite the surface to be treated, which is supplied with a cyclically varying voltage, and maintaining an extended discharge at atmospheric pressure for plasma generation during the processing of the material, characterized in that the plasma generation is carried out by applying a gas stream od angle of 10 - 60 o to the longitudinal axis or plane of symmetry of the elongated electrode toward the surface to be treated, the gas being supplied uniformly along the surface of the elongated discharge electrode. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют протяженный разрядный электрод, выполненный в виде металлического стержня или металлической струны. 2. The method according to p. 1, characterized in that they use an extended discharge electrode made in the form of a metal rod or metal string. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют протяженный разрядный электрод, выполненный в виде металлической ленты. 3. The method according to p. 1, characterized in that they use an extended discharge electrode made in the form of a metal tape. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для зажигания электрического разряда используют, по меньшей мере, один поджигной электрод. 4. The method according to p. 1, characterized in that at least one ignition electrode is used to ignite an electric discharge. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что электрический разряд зажигают между протяженным разрядным электродом и заземленным электродом, установленным под подложкой обрабатываемого диэлектрического материала. 5. The method according to p. 1, characterized in that the electric discharge is ignited between an extended discharge electrode and a grounded electrode mounted under the substrate of the dielectric material being processed. 6. Способ генерации плазмы, включающий подачу потока рабочего газа в разрядный промежуток со стороны разрядного электрода при внешнем атмосферном давлении, зажигание электрического разряда с помощью, по меньшей мере, одного протяженного разрядного электрода, на который подают циклически изменяющееся напряжение, и поддержание протяженного разряда при атмосферном давлении, отличающийся тем, что генерацию плазмы осуществляют при подаче газового потока под углом 10 - 60o к продольной оси или плоскости симметрии протяженного электрода, причем газ подают равномерно вдоль поверхности протяженного разрядного электрода.6. A method of generating a plasma, comprising supplying a working gas stream to the discharge gap from the side of the discharge electrode at external atmospheric pressure, igniting an electric discharge using at least one extended discharge electrode, which is supplied with a cyclically varying voltage, and maintaining an extended discharge at atmospheric pressure, characterized in that the plasma is generated by applying a gas stream at an angle of 10 - 60 o to the longitudinal axis or plane of symmetry of the extended electrode, m gas is supplied uniformly along the surface of an extended discharge electrode. 7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что используют протяженный разрядный электрод, выполненный в виде металлического стержня или металлической струны. 7. The method according to p. 6, characterized in that they use an extended discharge electrode made in the form of a metal rod or metal string. 8. Способ по п. 6, отличающийся тем, что используют протяженный разрядный электрод, выполненный в виде металлической ленты. 8. The method according to p. 6, characterized in that they use an extended discharge electrode made in the form of a metal tape. 9. Способ по п. 6, отличающийся тем, что для зажигания электрического разряда используют, по меньшей мере, один поджигной электрод. 9. The method according to p. 6, characterized in that at least one ignition electrode is used to ignite an electric discharge. 10. Способ по п. 6, отличающийся тем, что электрический разряд зажигают между протяженным разрядным электродом и заземленным электродом, который отделен от протяженного разрядного электрода слоем диэлектрика. 10. The method according to p. 6, characterized in that the electric discharge is ignited between an extended discharge electrode and a grounded electrode, which is separated from the extended discharge electrode by a dielectric layer. 11. Устройство для плазменной обработки материалов при атмосферном давлении, содержащее, по меньшей мере, один протяженный разрядный электрод с выводами для подключения к системе электропитания, газораспределитель, обеспечивающий продув потока рабочего газа вдоль протяженного разрядного электрода, расположенного напротив обрабатываемой поверхности, и систему подачи обрабатываемого материала в разрядный объем, отличающееся тем, что газораспределитель содержит корпус из диэлектрического материала, в котором выполнены наклонные каналы для подачи газа, выходные отверстия которых расположены напротив разрядного электрода, при этом наклонные каналы ориентированы под углом 10 - 60o к продольной оси или плоскости симметрии протяженного разрядного электрода в направлении к обрабатываемой поверхности и равномерно расположены по поверхности корпуса газораспределителя вдоль длины протяженного разрядного электрода.11. A device for plasma processing of materials at atmospheric pressure, containing at least one extended discharge electrode with leads for connection to a power supply system, a gas distributor that blows the flow of working gas along an extended discharge electrode located opposite the surface to be treated, and a feed system material in the discharge volume, characterized in that the gas distributor comprises a housing of dielectric material, in which an inclined channel s for gas supply, the outlet openings of which are located opposite the discharge electrode, while the inclined channels are oriented at an angle of 10-60 o to the longitudinal axis or plane of symmetry of the extended discharge electrode in the direction to the surface to be treated and are uniformly located on the surface of the gas distributor along the length of the extended discharge electrode . 12. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что наклонные каналы для подачи газа выполнены в форме сопел Лаваля. 12. The device according to p. 11, characterized in that the inclined channels for supplying gas are made in the form of Laval nozzles. 13. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что содержит, по меньшей мере, один поджигной электрод. 13. The device according to p. 11, characterized in that it contains at least one ignition electrode. 14. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что содержит систему подачи обрабатываемого материала в виде ленты, перемещаемой через разрядный объем с помощью перемоточных барабанов. 14. The device according to p. 11, characterized in that it contains a system for supplying the processed material in the form of a tape moved through the discharge volume using rewind drums. 15. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что содержит источник ультрафиолетового излучения и/или систему подачи газа, которые установлены над перемещаемой лентой. 15. The device according to p. 14, characterized in that it contains a source of ultraviolet radiation and / or a gas supply system, which are installed above the movable tape. 16. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что система подачи обрабатываемого материала в разрядный объем снабжена, по меньшей мере, одним узлом возвратно-поступательного перемещения подложки, выполненной из обрабатываемого материала, относительно протяженного разрядного электрода. 16. The device according to p. 11, characterized in that the system for supplying the processed material to the discharge volume is equipped with at least one node of the reciprocating movement of the substrate, made of the processed material, relative to the extended discharge electrode. 17. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что протяженный разрядный электрод выполнен в виде металлического стержня. 17. The device according to p. 11, characterized in that the extended discharge electrode is made in the form of a metal rod. 18. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что протяженный разрядный электрод выполнен в виде металлической струны с натяжной пружиной. 18. The device according to p. 11, characterized in that the extended discharge electrode is made in the form of a metal string with a tension spring. 19. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что протяженный разрядный электрод выполнен в виде металлической ленты. 19. The device according to p. 11, characterized in that the extended discharge electrode is made in the form of a metal tape. 20. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что содержит, по меньшей мере, один металлический заземленный электрод, установленный под подложкой или лентой обрабатываемого материала. 20. The device according to p. 11, characterized in that it contains at least one metal grounded electrode mounted under a substrate or tape of the processed material.
RU2001113237/06A 2001-05-18 2001-05-18 Method and device for plasma treatment of material and plasma generation process RU2196394C1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001113237/06A RU2196394C1 (en) 2001-05-18 2001-05-18 Method and device for plasma treatment of material and plasma generation process
PCT/RU2002/000237 WO2002094455A1 (en) 2001-05-18 2002-05-17 Process for plasma treatment and apparatus

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001113237/06A RU2196394C1 (en) 2001-05-18 2001-05-18 Method and device for plasma treatment of material and plasma generation process

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2196394C1 true RU2196394C1 (en) 2003-01-10

Family

ID=20249637

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2001113237/06A RU2196394C1 (en) 2001-05-18 2001-05-18 Method and device for plasma treatment of material and plasma generation process

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2196394C1 (en)
WO (1) WO2002094455A1 (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EA010940B1 (en) * 2004-11-05 2008-12-30 Дау Корнинг Айэлэнд Лимитед Plasma system
RU2513119C2 (en) * 2012-06-20 2014-04-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук (ИЭФ УрО РАН) Method of forming self-incandescent hollow cathode from titanium nitride for nitrogen plasma generating system
RU2614482C2 (en) * 2013-02-18 2017-03-28 ДжФЕ СТИЛ КОРПОРЕЙШН Device and method of sheet nitriding from regular grain oriented steel
RU194202U1 (en) * 2019-09-27 2019-12-03 Общество с ограниченной ответственностью "Плазмалайн" ELECTRODE BLOCK DEVICES FOR PLASMA TREATMENT OF A SURFACE OF AREA MATERIALS WITH A HIGH FREQUENCY CAPACITIVE DISCHARGE AT ATMOSPHERIC PRESSURE
RU2715392C2 (en) * 2015-10-19 2020-02-27 Сайноджи Гмбх Electrode system for plasma treatment with dielectric barrier
RU2779737C1 (en) * 2019-03-21 2022-09-12 Общество с ограниченной ответственностью "Нано Инвест" Device and method for processing fractionated material with medium-temperature plasma

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004099490A1 (en) * 2003-05-05 2004-11-18 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation Plasma treatment apparatus and method
AU2004236274B2 (en) * 2003-05-05 2010-01-28 Australian Wool Innovation Limited Plasma treatment apparatus and method
AU2003902139A0 (en) * 2003-05-05 2003-05-22 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation Atmospheric pressure plasma treatment device and method
EP2075353A1 (en) * 2007-12-17 2009-07-01 Technische Universiteit Delft Method for treatment of a surface area of steel
EP2871038A1 (en) 2013-11-07 2015-05-13 Maan Research & Development B.V. Device for treating a surface
EP3588533A1 (en) 2018-06-21 2020-01-01 Nederlandse Organisatie voor toegepast- natuurwetenschappelijk onderzoek TNO Plasma source and method of operating the same

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4117332C2 (en) * 1991-05-31 1995-11-23 Ivanovskij Ni Skij Eksperiment Process for treating moving substrate using an electrical discharge plasma and device for carrying it out
US5403453A (en) * 1993-05-28 1995-04-04 The University Of Tennessee Research Corporation Method and apparatus for glow discharge plasma treatment of polymer materials at atmospheric pressure
CA2197978A1 (en) * 1995-06-19 1996-12-20 Paul D. Spence Discharge methods and electrodes for generating plasmas at one atmosphere of pressure, and materials treated therewith
CA2205817C (en) * 1996-05-24 2004-04-06 Sekisui Chemical Co., Ltd. Treatment method in glow-discharge plasma and apparatus thereof

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EA010940B1 (en) * 2004-11-05 2008-12-30 Дау Корнинг Айэлэнд Лимитед Plasma system
RU2513119C2 (en) * 2012-06-20 2014-04-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук (ИЭФ УрО РАН) Method of forming self-incandescent hollow cathode from titanium nitride for nitrogen plasma generating system
RU2614482C2 (en) * 2013-02-18 2017-03-28 ДжФЕ СТИЛ КОРПОРЕЙШН Device and method of sheet nitriding from regular grain oriented steel
RU2715392C2 (en) * 2015-10-19 2020-02-27 Сайноджи Гмбх Electrode system for plasma treatment with dielectric barrier
US10932351B2 (en) 2015-10-19 2021-02-23 Cinogy, Gmbh Electrode array for a dielectrically impeded plasma treatment
RU2779737C1 (en) * 2019-03-21 2022-09-12 Общество с ограниченной ответственностью "Нано Инвест" Device and method for processing fractionated material with medium-temperature plasma
RU194202U1 (en) * 2019-09-27 2019-12-03 Общество с ограниченной ответственностью "Плазмалайн" ELECTRODE BLOCK DEVICES FOR PLASMA TREATMENT OF A SURFACE OF AREA MATERIALS WITH A HIGH FREQUENCY CAPACITIVE DISCHARGE AT ATMOSPHERIC PRESSURE

Also Published As

Publication number Publication date
WO2002094455A1 (en) 2002-11-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI647978B (en) Atmospheric-pressure plasma processing apparatus and method
RU2196394C1 (en) Method and device for plasma treatment of material and plasma generation process
US20070148368A1 (en) Apparatus for plasma treatment of dielectric bodies
RU2391801C2 (en) Atmospheric pressure plasmatron
US7288204B2 (en) Method and arrangement for treating a substrate with an atmospheric pressure glow plasma (APG)
US6841201B2 (en) Apparatus and method for treating a workpiece using plasma generated from microwave radiation
JP4699614B2 (en) Plasma treatment method and apparatus
US7491429B2 (en) Method and arrangement for generating an atmospheric pressure glow discharge plasma (APG)
Kogelschatz et al. Fundamentals and applications of dielectric-barrier discharges
US20110308457A1 (en) Apparatus and method for treating an object
US20090200267A1 (en) Injection type plasma treatment apparatus and method
US20080193329A1 (en) Method and System for Plasma Treatment Under High Pressure
WO2008138901A1 (en) Enhancing plasma surface modification using high intensity and high power ultrasonic acoustic waves
JP2002018276A (en) Atmospheric pressure plasma treatment apparatus
JP2010539644A (en) Surface treatment or surface coating method and apparatus
JP2006216468A (en) Plasma surface treatment method, plasma generation apparatus, and plasma surface treatment apparatus
US20220230854A1 (en) Apparatus for indirect atmospheric pressure plasma processing
JP2008098128A (en) Atmospheric pressure plasma generating and irradiating device
JP2009505342A (en) Plasma generating apparatus and plasma generating method
JP4313046B2 (en) Method and apparatus for generating active gas curtain for surface treatment
US20080280065A1 (en) Method and Device for Generating a Low-Pressure Plasma and Applications of the Low-Pressure Plasma
Setiawan et al. Atmospheric pressure plasma jet for surface material modification: a mini-review
JP2002253952A (en) Method and apparatus for treating surface with plasma
KR20070012933A (en) Injection type plasma treatment apparatus
US10440808B2 (en) High power impulse plasma source

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20130519