TWI358414B - - Google Patents

Description

1358414 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】

本發明係有關於一種高分子材料之大氣電漿雙重 接枝5^合裝置及其方法’尤指一種結^ —般慢速率接 枝聚合製程及一創新且快速之大氣電漿接枝聚合與硬 化製程，可大量提昇基材之接枝率與接枝鍵結間之交 聯強度，進而提昇高分子材料所需官能基之接枝牢度 與產品品質之大氣電漿雙重接枝聚合裝置及其方法。 【先前技術】 目則市場上高分子材料之表面改質大部分係以游 1基聚合（Free Radical Polymerization)反應為主要 製程’此製程中不可或缺之化學藥劑為其游離基之引 發劑（Initiator)’其中又以如過氧化氫（Η—與過 二s文鉀（K：2S2〇8)之過氧化物（per〇xides)及偶氮化 合，（AzocomP〇undS)為最常用。而且，為了提昇這 些高分子材料如織布之耐水洗牢度，因此含甲搭之交 聯，亦係不可少之化學藥劑；而在接枝製程之前，這 门刀子材料之表面亦需先以酸性藥劑作活化處理， =昇其紐液塗佈之㈣度及接㈣合之速率與水 纽牛度。雖然採用較高濃度之化學藥劑’亦可獲得不 :之改質產品品質’如水洗牢度等。然而，這些傳統 <二外加之化學樂劑所產生之廢水 對裱境通常會造成或多或少之污染。 6 ^以諸如氦氣（He)或氬氣（Ar)等惰性氣體或清 ¥之乾燥空氣，在施加電能而產生之電漿，由於僅含 有電子、離子、自由基與紫外光等多項活性物種，因 此對％境並不會造成污染，而對織布表面則可產生游 離基與化學斷鍵等反應，並且其表面之自由基在暴露 大氣而與氧氣接觸後更可產生過氧化物等高活性表 面因此，電漿為取代上述傳統化學製程中化學藥劑 之取佳選擇對象。然而，技術開發最成熟之真空（或 =低氣壓）電漿，因其所需之真空設備與運轉成本相 當高，而且其真空室之處理條件也限制了基材之尺寸 與產旱，因此低壓電漿在高分子材料處理上並未具有 產業應用之競爭優勢。 毫無疑問，大氣電漿係具有可改善上述真空電致 許多缺點之條件，但其技術開發困難度比低壓電漿高 出許多。因此，直到1988年日本之Kanazawa等人首 先發現在某種特殊條件可以產生穩定之大氣輝光放電 電漿後’由於它不需要昂貴之真空設備，且基材尺寸 也無限制，因此使其在產業應用上具有無限之應用潛 力。目前國際間之電漿專家均已積極投入大氣電漿輝 光電毁源與相關應用技術之開發，而其中又以可連續 處理之大氣電漿裝置最符合諸如成捲織物 '聚對笨二 曱酸乙二醇酯（p〇lyethyiene terephtha丨ate,pET)及其 他高分子薄膜材料等高分子材料之應用需求。就目前 國際間已存在應用相近之.專利係分別含有丨995年 7 1358414

Roth等人申請之美國專利第5456972號，其專利名稱 為「Method and apparatus for glow discharge plasma treatment of polymer materials at atmospheric pressure」、1996年Yoshikawa等人申請之美國專利第 5529631 號，其專利名稱為「Apparatus for the continuous surface treatment of sheet material j ' 2003 年Anthony Herbert等人申請之美國專利公開號第 20030116281A1 號、及 2003 年 Goodwin Andrew James 等人申請之美國專利公開第W003086031A1號，其專 利名稱為「An atmospheric pressure plasma assembly」。唯其中，前三項專利案之裝置均只能作電 漿活化之應用，並未設計其後續之接枝聚合裝置；而 第四項專利案雖然為垂直式大氣電漿裝置結合電漿活 化裝置與電漿鍍膜裝置’如第1 1圖所示’其左邊之 電漿區8 1係作為基材活化之用，而右邊之電漿區兼 鍍膜區8 2上方則設有液體前驅物之注入與超音波霧 化裝置83,電漿工作氣體注入口 84提供電漿區81與 82所需流量之氣體，使其整體裝置可應用於電漿誘導 接枝聚合及鍍膜。然而’該項大氣電漿液體鍍膜裝置 仍含有下列三項缺點： (a )若使用黏度係數較高之高分子接枝液’例 如幾丁聚醣體（Chitosan )等，不但極易使管路阻塞’ 而且很難被超音波霧化，故該項專利僅適用於高分子 單體與寡醣體接枝液，而不適用高分子聚合物接枝液； 8 1358414 (b)霧化之前驅物大分子在電漿區兼鍍膜區82 被電漿分解後，除了其中一部分沉積在基材上之外， 亦有一部分附著於電極總成85a與85b之介電板上， 以致改變其介電常數，因而造成改變電毁源原有之電 聚特性與最佳製程参數，不僅必須經常清潔其電極， 且針對其隨時間而改變之最佳製程参數而言對於產 業應用，其可行性顯然值得懷疑；以及 (c )未設計均句進、出氣裝置與單—電聚氣體 流動通道’導致電聚空間密度之均勻度不良，因此， 其膜厚之均句度與品質也將同樣受不良影響。 I由以上之分析，在在顯示目前已有之專利並益 足各種高分子材料之大氣電漿改質需求，故，I 般習用者係無法符合使用者於實際使㈣ 。 【發明内容】 ^ 本發明之主要目的彳^ 聚合製程及一創新且 製程，可有效改善習用裝置中其電極:與硬化 ;特性迅速改變之缺點，並在此大氣電；== 脱改办 k基材之接枝率與接枝鍵处Η$上 聯強度，進而提昇所需官能基 建、/之父 到提昇產品品質與則度之目的。4因此可達 本發明之次要目的传太 進出料之捲軸裝置…十' 4 大氣電^與基材 可使其進行連續式處理以 14 =生產進而可提高產率、降低成本及符合環保 I要禾。 八子ί::月之另一目的係在於’非常適合使用各種高 ㈣物作為所需官能基之接枝液，可擴大大氣電 漿聚合接枝可使用之官能基接枝液選擇範圍，因此可 使大氣電漿改質之應用範圍更廣。 為達以上之目的’本發明係一種高分子材料之大 =電聚雙重接枝聚合裝置及其方法，其至少包括有一 丄:以上之大氣電聚活化裝置、一至少-以上之過 一卜：成裝置、一至少一以上之塗佈與接枝裝置、 ^ -以上之乾燥爐、一至少一以上 硬化裝.置、一5 φ L 女仪> 口興 上之硬化爐、一至少一對以上 、置及一組件定位底座等所構成。藉此，對基 式進行接枝聚合，首先利用該大氣電聚活 裝置對該基材進行域㈣活化；並將已活化之基 材經由該過氧化物形成裝置暴露於大氣令，使且產生 與氧形成高活性之過氧化物；接著藉由該塗 裝置’將已形成過氧化物之基材含浸於其内 丄官能基之接枝液中，使該接枝液均句塗佈於 tf表面’此時’接枝液之大分子將接枝於基材上 ^解之過IU。匕物之氧鍵上；然後將已塗佈接枝液之基 A 乾無爐，使其供烤達所需之乾燥度；並將仍 :有未乾接枝液之基材經由該接枝聚合與硬化裝置進 行大氣電漿交聯硬化；以及最後該基材再由該硬化爐

Claims (1)

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2011/12/22 十、申請專利範 (⑽年W月〆日修正本j 1 · 一種高分子材料之大氣電漿雙重接枝聚一一· 係至少包含： 至少一以上之大氣電漿活化裝置，該大氣電 聚活化裴置係由一電極總成、一均勻進氣裝置及 一均勻出氣裝置組成，其中該電極總成係由一對 平行之上電極板及下電極板組成； 至少一以上之過氧化物形成裝置，該過氧化 物形成裝置係連接於該大氣電漿活化裝置，至少 由一入口捲軸、一出口捲軸及一可調整捲軸高度 以改變及最佳化活化基材暴露於空氣中的時間之 咼度捲軸等組成； 至少一以上之塗佈與接枝裝置，該塗佈與接 枝裝置係連接於該過氧化物形成裝置，由至少一 乂上之接枝液槽、一中捲轴、至少一對以上之下 捲軸、一薄化裝置、一上捲軸及一調整控制基材 水平移動高度捲軸等組成； 至少一以上之乾燥爐，該乾燥爐係連接於該 塗佈與接枝裝置，由一加熱外罩、一隔熱層、至 少一對以上之軟性加熱片、至少一對以上之平行 金屬板、一溫控裝置、一入口上捲軸、一入口下 捲轴及一出口捲車由等組成； 28 ‘1358414 2011/12/22 至少一以上之接枝聚合與硬化裝置，該接枝 聚合與硬化裝置係連接於該乾燥爐，由一電極總 成、一均勻進氣裝置及一均勻出氣裝置等組成， 其中該電極總成係由一對平行之上電極板及下電 極板組成； 至少一以上之硬化爐，該硬化爐係連接於該 接枝聚合與硬化裝置，由一加熱外罩、一隔熱層、 至少一對以上之軟性加熱片、至少一對以上之平 行金屬板、一溫控裝置、一入口上捲軸、一入口 下捲軸及一出口捲軸等組成； 至少一對以上之捲軸裝置，各捲軸裝置係分 別裝設於該大氣電漿活化裝置之基材入口端與該 硬化爐之基材出口端，且該捲軸裝置係由至少一 對以上成捲基材、至少一對以上之捲軸及至少一 對以上之捲軸定位底座組成；以及 一組件定位底座，該組件定位底座係裝設於 上述各裝置底部’由一電絕緣板及至少七組以上 之定位螺絲組成，用以連接與定位上述各裝置。 •依據申請專利範圍第1項所述之高分子材料之大 氣電漿雙重接枝聚合裝置，其中，該上電極板係 由一上電極定位棒、一長方形之絕緣定位板、一 疋位螺帽及一定位螺絲固定於一均勻進氣裝置與 一均勻出氣裝置之進氣室與出氣室之上蓋板。 29 1358414 2011/12/22 3 ·依據申請專利範圍第i項所述之高分子材料之大 氣電漿雙重接枝聚合裝置，其中，該上、下電極 板係進一步分別安裝有一冷卻水裝置。 4 ·依據申請專利範圍第i項所述之高分子材料之大 氣電衆雙重接枝聚合裝置’其中，該下電極板係 由一下電極定位棒及一定位螺帽定位於一組件定 位座之電絕緣板上。 3 ·依據申請專利範圍帛丄項所述之高分子材料之大 氣電漿雙重接枝聚合裝置’其中，該均勻進⑻ 氣裝置係由一均勻進（出）氣管、一長方形之進（出） 氣室、一軟性封氣板、一壓條及一定位螺 組成。 .依據申請專利範圍第5項所述之高分子材料之大 氣電聚雙重接枝聚合裝置，其中，該均勾進 虱管係設有至少-以上之進(出)氣孔。 7 •依據申請專利範圍第6項所述之高分子材料之大 氣電製雙重接枝聚合農置，其中，該進（出）氣孔 之直徑係與其距離一均勻進(出)氣管入口= (出）氣孔距離成正比。 向分子材料之大 ’ s亥大氣電漿活 依據申請專利範圍第1項所述之 氣電漿雙重接枝聚合裝置，其中 30 2011/12/22 化裝置及該接枝聚合與硬化裝置係分別連接有一 高壓電源供應裝置。 9 ·依據申請專利範圍第8項所述之高分子材料之大 氣電漿雙重接枝聚合裝置’其中，該高壓電源供 應裝置係可為脈衝式電源或正弦波電源。 1 0 ·依據申請專利範圍第8項所述之高分子材料之 大氣電聚雙重接枝聚合裝置，其中，該高壓電源 供應裝置之電壓範圍係介於1仟伏特（kv )至3 〇 仟伏特之間。 1 1 ·依據申請專利範圍第8項所述之高分子材料之 大氣電漿雙重接枝聚合裝置，其中，該電源供應 裝置之頻率範圍係介於1仟赫兹（kHz )至60仔 赫茲之間。 1 2 ·依據申請專利範圍第1項所述之高分子材料之 大氣電漿雙重接枝聚合裝置，其中，該大氣電漿 活化裝置與接枝聚合與硬化裝置之工作氣體係可 為氦氣、氬氣、氧氣、氮氣、二氧化碳、空氣及 其混合氣體。 13·—種高分子材料之大氣電漿雙重接枝聚合方 法，其至少包含以下步驟： (A)利用—大氣電漿活化裝置對一基材進 1358414 2011/12/22 行第一次大氣電漿照射之前處理，其中，該大氣 電漿活化裝置係由一電極總成、一均勻進氣裝置 及一均勻出氣裝置組成，且該電極總成係由一對 平行之上電極板及下電極板組成； • ( B )將已活化之基材經由一過氧化物形成 • 裝置暴露於大氣中，使其產生之自由基與氧形成 過氧化物； _ ( C )藉由一塗佈與接枝裝置，將已形成過 氧化物之基材含浸於其内置有所需官能基之接枝 液中，使該接枝液均勻塗佈於此基材表面，控制 適當之含浸時間，以使接枝液與基板進行接枝聚 合反應，其中，該所需官能基之接枝液之組成為 重量百分比在3%〜5%之高分子聚合物粉末溶於 純水或含重量百分比約0.5%有機酸之水溶液，且 該高分子聚合物可為具抗菌功能之幾丁聚醣 • ( Chitosan )或具特定功能之親水性或疏水性之 高分子聚合物，而有機酸可為醋酸或果酸； (D )將已完成初步接枝聚合之基材送入一 乾燥爐烘烤，使該基材與其接枝液達到所需之乾 燥度； (E )將仍含有未乾接枝液之基材經由一接 枝聚合與硬化裝置進行第二次大氣電漿照射；以 及 32 1358414 2011/12/22 (F )該基材最後再由—硬化爐以較高之溫 度進行烘烤，使其烘乾硬化。 1 4 ·依據申請專職圍第丨3項所敎高分子材料 之大氣電漿雙重接枝聚合方法，其中，該步驟（A ) 大氣電漿活化裝置係工作於輝光放電區域。 1 5 ·依據申請專利範圍第1 3項所述之高分子材料 之大氣電聚雙重接枝聚合方法，其中，該乾燥爐 之烘烤溫度係為80〜100。(：。 1 6 ·依據申請專利範圍第"項所述之高分子材料 之大氣電襞雙重接枝聚合方法，其中，該乾燥度 係為90〜95%。 17·依據中請專利範圍第13項所述之高分子材料 之大氣電聚雙重接枝聚合方法，其中，該步驟（e) 接枝聚合與硬化裝置係工作於絲狀放電與 電之混合放電區域。 18·依據申請專利範圍第"項所述之高分子材料 之大氣電梁雙重接枝聚合方法，其中，該硬化爐 之烘烤溫度係為140〜150°c。 成 1 9 .依據申請專利範圍第i 3項 '斤迹之商分子材料 之大軋電漿雙重接枝聚合方法 床，其中，該基材係 33 1358414

2011/12/22 由一捲轴裝置以捲抽方式通過該大氣電漿雙重接 枝聚合裝置。 34