TWI558876B - 表面氧化處理方法及表面氧化處理裝置 - Google Patents

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Description

表面氧化處理方法及表面氧化處理裝置
本發明係關於表面氧化處理方法及表面氧化處理裝置。
本申請案主張以在2010年7月5日，於日本提出之特願2010-153416號為基礎之優先權，並在本申請案援用其內容。
碳纖維具有比強度(specific strength)及耐熱性高等優異性質，且使用作為複合材料的強化材之一。但因其與其他強化材相比親水性較差，目前正在研究藉由進行碳纖維之表面處理，以提高碳纖維與由基質所成之樹脂等有機材料、無機材料之親和性及接著性，使其作為複合材料之功能性提升(參考例如專利文獻1)。
此外，近年來亦研究處理金屬超微粉末等的表面，以防止熔融溫度降低與提升分散性。
過去的碳纖維及金屬微粉末之表面氧化處理方法，有使用酸類水溶液及臭氧水等濕式氧化法，以及使用空氣、電漿、臭氧氣體等乾式氧化法，早就已知臭氧為非常強力之氧化劑。
以往所檢討的使用臭氧水之濕式氧化法已相當充分。例如可舉出專利文獻2及專利文獻3。
另一方面，乾式氧化法不需要中和等後處理，且不需處理因中和、洗淨所產生之大量廢液等，故在成本上有利，作為備受期待之連續大量處理的方法，故近年來受到矚目。以臭氧等氧化性氣體之處理方法係此乾式氧化法的一種。例如可舉出專利文獻4及專利文獻5。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2004-152615號公報
[專利文獻2]日本特開2009-79344號公報
[專利文獻3]日本特開平11-349309號公報
[專利文獻4]日本特開平7-258578號公報
[專利文獻5]日本特開2004-263205號公報
然而，此等方法分別各有問題。
首先，使用臭氧水之濕式氧化法，在處理後必須有將水份乾燥之乾燥步驟，故希望能有更為簡易之方法。此外，臭氧水中因臭氧溶於水之溶解度的關係，故所生成之臭氧水，其溶液中的臭氧濃度僅可至120mg/L左右。在此，提升溶液中的臭氧濃度牽涉減少被處理物之處理時間，故非常有用。
另一方面，乾式法其被處理物質的表面處理需要高濃度之氧化性氣體。但臭氧氣體基本上是藉由在氧氣中放電而生成，故所生成之含有臭氧的氣體其必定含有氧氣。一般而言，含有臭氧的氣體中臭氧濃度為14vol%左右，剩下為氧氣。此外，含有臭氧的氣體中臭氧濃度為14vol%左右即為安全上的界限。
在此，乾式法之臭氧處理中，被處理物質具有可燃性時，為了避免起火產生爆炸，較佳為不使被處理物質暴露在具有高氧濃度之含有臭氧的氣體之環境中。因此，通常使用藉由氮氣等惰性氣體稀釋以降低臭氧及氧氣的濃度之方法，實際上，在工業上不可能以高濃度臭氧進行氣相中之處理。
此外，為了減少含有臭氧的氣體中之氧氣份，已知藉由在空氣中放電而生成臭氧之方法，但此方法所得之臭氧濃度極低，且空氣中所含的氮氣會生成NOX，故較為不理想。
鑑於上述情事，本發明目的係提供表面氧化處理方法及表面氧化處理裝置，其可安全且簡便的在氧氣中進行由碳纖維及金屬微粉末等可燃性物質所成之被處理物的表面氧化處理。
為了解決此課題，本發明之第1樣態係一種表面氧化處理方法，其具有將臭氧濃度為120至500mg/L之臭氧-氟系溶媒混合溶液與可燃性物質所成之被處理物接觸，而進行該被處理物之表面處理的步驟。
本發明之第1樣態中，較佳係將前述臭氧-氟系溶媒混合溶液，以液體之狀態、液滴之狀態、氣體之狀態與前述被處理物接觸。
本發明之第1樣態中，前述臭氧-氟系溶媒混合溶液較佳係藉由將氧氣-臭氧混合氣體溶解在氟系溶媒中而生成混合流體後，從混合流體除去未溶解之氣體所生成。
本發明之第1樣態較佳係復具有：將惰性氣體供給至前述臭氧-氟系溶媒混合溶液，使其脫氣，而生成含有臭氧之惰性氣體之步驟；以及在氣相中將前述含有臭氧之惰性氣體與前述被處理物接觸之步驟。
換言之，本發明之第1樣態亦為一種表面氧化處理方法，其具有：供給惰性氣體至臭氧濃度為120至500mg/L之臭氧-氟系溶媒混合溶液中，使其脫氣，而生成含有臭氧的惰性氣體之步驟；將前述含有臭氧之惰性氣體與前述被處理物在氣相中接觸，而進行該被處理物表面之氧化處理之步驟；前述臭氧-氟系溶媒混合溶液係藉由將氧氣-臭氧混合氣體溶解在氟系溶媒中而生成混合流體後，從前述混合流體除去未溶解之氣體所生成。
本發明之第2樣態係一種表面氧化處理裝置，其具有：將氧氣-臭氧混合氣體溶解在氟系溶媒中，而生成混合流體之混合手段(混合裝置)；從前述混合流體除去未溶解之氣體而生成臭氧-氟系溶媒混合溶液之未溶解氣體除去手段(氧氣分離裝置)；以及將前述臭氧-氟系溶媒混合溶液與可燃性物質所成之(made of)被處理物接觸，而將前述被處理物質的表面氧化處理之表面氧化處理手段(液相反應裝置)。
本發明之第2樣態較佳係在前述除去未溶解氣體的手段與前述表面氧化處理手段間，復具有將前述臭氧-氟系溶媒混合溶液加熱之溫度控制手段。
換言之，本發明之第2樣態亦為一種表面氧化處理裝置，其具有：將氧氣-臭氧混合氣體溶解在氟系溶媒中，而生成混合流體之混合手段(混合裝置)；從前述混合流體除去未溶解之氣體而生成臭氧-氟系溶媒混合溶液之未溶解氣體除去手段(氧氣分離裝置)；將前述臭氧-氟系溶媒混合溶液加熱至氣液混合狀態之溫度控制手段(加熱裝置)；及將前述臭氧-氟系溶媒混合溶液在氣液混合狀態與可燃性物質所成之被處理物接觸，而將前述被處理物質的表面氧化處理之表面氧化處理手段(液相反應裝置)。
本發明之第2樣態較佳係在前述未溶解氣體除去手段與前述表面氧化處理手段間，復具有藉由供給惰性氣體，將前述臭氧-氟系溶媒混合溶液脫氣，而生成含有臭氧的惰性氣體之脫氣手段。
換言之，本發明之第2樣態亦為一種表面氧化處理裝置，其具有將氧氣-臭氧混合氣體溶解在氟系溶媒中，而生成混合流體之混合手段(混合裝置)；從前述混合流體除去未溶解之氣體，而生成臭氧-氟系溶媒混合溶液之未溶解氣體除去手段(氧氣分離裝置)；藉由供給惰性氣體使前述臭氧-氟系溶媒混合溶液脫氣，而生成含有臭氧的惰性氣體之脫氣手段(脫氣裝置)；及將前述含有臭氧的惰性氣體與可燃性物質所成之被處理物接觸，而將前述被處理物質的表面氧化處理之表面氧化處理手段(氣相反應裝置)。
本發明之第2樣態較佳係在前述表面氧化處理手段與前述混合手段間，復具有回收氟系溶媒並使其循環之循環路徑。
本發明之第2樣態較佳係具有監視循環之前述臭氧-氟系溶媒混合溶液的臭氧濃度之手段(臭氧監測器)；對應前述臭氧濃度，調整供給於前述混合手段之氧氣-臭氧混合氣體的臭氧濃度及供給量之手段(閥(valve))；以及可控制使用於被處理物表面之氧化處理之前述臭氧-氟系溶媒混合溶液中的臭氧濃度之機構。
本發明之第2樣態中，前述未溶解氣體除去手段所生成之前述臭氧-氟系溶媒混合溶液中的臭氧濃度較佳為120至500mg/L。
本發明之表面氧化處理方法具有將臭氧濃度為120至500mg/L之臭氧-氟系溶媒混合溶液與被處理物接觸，以進行被處理物表面之氧化處理的步驟，因較過去之臭氧濃度更高，故反應速度快，且可進行過去難以於碳纖維與金屬微粉末等利用臭氧的表面氧化處理。此外，因在氟系溶媒及惰性氣體環境下進行臭氧之表面氧化處理，故可抑制起火及燃燒之反應。因此可安全且簡便的在氧氣中進行碳纖維及金屬微粉末等可燃性物質所成的被處理物之表面氧化處理。
本發明之表面氧化處理裝置具有將氧氣-臭氧混合氣體溶解在氟系溶媒中而生成混合流體之混合手段；從前述混合流體除去未溶解之氣體而生成臭氧-氟系溶媒混合溶液之未溶解氣體除去手段；以及將前述臭氧-氟系溶媒混合溶液與可燃性物質所成之被處理物接觸，以氧化處理此被處理物質的表面之表面氧化處理手段。因此，生成臭氧濃度為120至500mg/L之臭氧-氟系溶媒混合溶液，同時將此臭氧-氟系溶媒混合溶液與被處理物接觸，可進行該被處理物表面之氧化處理。
以下，以圖面詳細說明適用本發明之一實施型態之表面氧化處理方法，同時說明使用此方法之表面氧化處理裝置。此外，以下說明所使用之圖面為使其特徵可更簡單明瞭，故方便起見將特徵部分擴大表示的情形，各構成構件之尺寸比例等並不限於與實際相同。
＜第1實施型態＞
首先，說明本發明第1實施型態所使用之表面氧化處理裝置。如第1圖所示，本實施型態之表面氧化處理裝置41大致具有臭氧產生裝置之臭氧產生器(ozonizer)1；溶解裝置之混合裝置(混合手段)2；除去氣體成分，生成臭氧-氟系溶媒混合溶液之氧氣分離裝置(未溶解氣體除去手段)3；以及將被處理物與臭氧反應之液相反應裝置(表面氧化處理手段)4而構成者。
臭氧產生器1係以氧氣作為原料產生臭氧之裝置。臭氧產生器1可舉出例如無聲放電式臭氧產生器。以此臭氧產生器1可生成氧氣與臭氧之混合氣體(氧氣-臭氧混合氣體)。氧氣-臭氧混合氣體中之臭氧濃度並無特別限定，較佳為生成具有例如6至10vol%範圍之臭氧濃度之氧氣-臭氧混合氣體。臭氧產生器1可具有自動地控制所供給之氧氣-臭氧混合氣體的流量之流量調整裝置。
混合裝置(混合手段)2係用以將臭氧產生器1所產生之氧氣-臭氧混合氣體與氟系溶媒混合，將氧氣-臭氧混合氣體溶解在氟系溶媒中而生成臭氧-氟系溶媒混合溶液之裝置。混合裝置(mixer)可舉出靜態攪拌器(static mixer)、吸引器(aspirator)等。在混合裝置2中，為了增大臭氧-氟系溶媒混合溶液中氧氣-臭氧混合氣體的溶解量，故希望在0.05至1.0MPaG，較佳在0.1至0.3MPaG之加壓環境下進行混合及溶解處理。
氟系溶媒係可從氧氣與臭氧之混合氣體中選擇性地溶解臭氧者，可舉出例如氟碳化物(fluorocarbon)類、氟酮化物類、氟醚化物類或此等之混合物等。此外，本實施型態所使用之氟系溶媒為常溫下呈現液體狀態者，較佳為沸點在40至100℃者。
上述氟碳化物類可舉出例如五氟丙烷(CHF2CH2CF3)等氫氟碳化物(hydrofluorocarbons)、全氟戊烷(C5F12)、全氟己烷(C6F14)等全氟碳化物。此外，上述氟酮化物類可舉出例如1,1,1,2,2,4,5,5,5-九氟-4-(三氟甲基)-3-戊酮(C6F12O)等全氟酮化物。氟醚化物類可舉出例如C4F9OC2H5等。上述之氟系溶媒中，特別是以全氟碳化物(C5F12、C6F14等)，由於具有防止燃燒之效果，因而更佳。具體而言，例如全氟己烷(C6F14)之液體每1L之常溫下之氧氣溶解量與臭氧溶解量分別為約0.6L及約2L，可選擇性地溶解臭氧。
此外，臭氧-氟系溶媒混合溶液中之臭氧濃度，則希望在以往臭氧水所無法達到之濃度以上，但若過於高濃度則會促進臭氧本身之分解反應，故較佳為120至500mg/L。若在120mg/L以下會因臭氧濃度低而產生反應時間變長之問題，若在500mg/L以上會有容易引起臭氧本身之分解反應之問題。
氧氣分離裝置3係用以除去不溶解於上述臭氧-氟系溶媒混合溶液之剩餘氣體成分的除去裝置，其設置於混合裝置2之下流測。氧氣分離裝置3設置有：用於將混合裝置2所生成之混合流體供給至氧氣分離裝置3之線路；用以將未溶解氣體除去後之臭氧-氟系溶媒混合溶液送至下一裝置之線路；以及用以將從混合流體所分離除去之氣體成分排出系統外之排氣線路。此外，在排氣線路設著有臭氧分解裝置6。
在氧氣分離裝置3內部導入臭氧-氟系溶媒混合溶液及未溶解之氣體成分，且可將所導入之氣體成分除去。在此，有關於臭氧-氟系溶媒混合溶液中氟系溶媒的溶解量，如上述般因臭氧溶解量較氧氣為大，故在此主要是分離未溶解於氟系溶媒之剩餘的氧氣。此外，一部分臭氧亦伴隨著氧氣被分離。並且，分離除去之氣體成分以排氣線路排出至氧氣分離槽(tank)之外部，經由臭氧分解裝置6排出至系統外。
再者，氧氣分離裝置3為了促進臭氧溶解在氟系溶媒，亦可具有檔板(baffle plate)等氣體溶解裝置。
氧氣分離裝置3亦設有圖示中省略的壓力控制裝置(壓力控制手段)。壓力控制裝置只要是將氧氣-臭氧混合氣體溶解在氟系溶媒中而生成混合流體時，可保持或控制所期望之壓力者，即無特別限制。本實施型態之壓力控制裝置可舉出例如壓力控制閥。
更具體而言，氧氣分離裝置3設有壓力控制閥作為壓力控制裝置。藉由臭氧產生器1所供給之氧氣-臭氧混合氣體與循環溶媒(氟系溶媒)使混合裝置2內部昇壓，藉由此壓力控制閥可將混合裝置2內部保持在預定之壓力。亦即，藉由壓力控制閥可將混合裝置2內部之壓力保持在氧氣-臭氧混合氣體溶解在氟系溶媒中而生成混合流體時最適當的壓力。在此，為使氧氣-臭氧混合氣體易於溶解在氟系溶媒中，較佳為將氧氣-臭氧混合氣體溶解在氟系溶媒生成混合流體時的壓力(即混合裝置2內部的壓力)保持在高壓。
液相反應裝置4係將氧氣分離裝置3所生成之臭氧-氟系溶媒混合溶液與被處理物質反應者。液相反應裝置4具有可將被處理物質放入內部之構造，亦可具有可調整壓力及溫度之機構。材質並無特別限定，然而在常壓下從辨認性方面來看可用玻璃等，若加壓下則可列舉如SUS等耐臭氧性高者。此外，亦可具有可連續地將被處理物導入及排出之機構。
被處理物係可列舉如具有可燃性，以往難以利用臭氧進行表面氧化處理之碳纖維及金屬微粉末等。舉例而言，碳纖維可列舉如PAN系纖維、瀝青(pitch)系纖維、纖維素系纖維；金屬微粉末可列舉如Ni、Cu、Ti、Co等。
泵5係將反應結束後濃度減少之臭氧-氟系溶媒混合溶液，由液相反應裝置4再度回到混合裝置2者。此泵5設置在循環路徑L1上。藉此可不廢棄氟系溶媒而將其回收再利用。
臭氧分解裝置6係在氧氣分離槽3將未溶解成分除去時，將混入之臭氧分解者，因此係容器內部充滿臭氧分解觸媒者。臭氧分解觸媒並無特別規定，只要為可分解臭氧者即可。可列舉例如活性碳或氧化矽-氧化鋁觸媒等。
臭氧監測器(監視臭氧濃度之手段)7、8係監視反應裝置之供給側及排氣側之臭氧濃度，且判斷反應結束者。供給側及排氣側可共用此臭氧監測器7、8，在此情形則必須要有三向閥等可切換供給側與排氣側線路的機構。
此外，較佳為以臭氧監測器8監視排氣側臭氧濃度，並依其濃度調整由臭氧產生器1所產生之氧氣-臭氧混合氣體的供給量。藉此可控制臭氧-氟系溶媒混合溶液中之臭氧濃度，可以最適當之臭氧濃度進行處理。具體而言，較佳為在表面氧化處理裝置41中之臭氧產生器1與混合裝置2之間設置有閥17(調整臭氧濃度及供給量之手段)。以臭氧監測器8所監視之臭氧濃度減少時，則增加以閥17控制之氧氣-臭氧混合氣體的供給量，相反地，當臭氧濃度增加時，則減少氧氣-臭氧混合氣體的供給量，藉此可調整混合裝置2中溶解於氟系溶媒之臭氧量，可使臭氧-氟系溶媒混合溶液中之臭氧濃度保持一定。再者，配合被處理物質其反應的難易度可自由地變更臭氧-氟系溶媒混合溶液之臭氧濃度。此外，亦可設置回饋(feedback)臭氧監測器8之臭氧濃度而自動進行控制的機構。
接著，說明使用上述表面氧化處理裝置41之本實施型態之表面氧化處理方法。
本實施型態之表面氧化處理方法係將臭氧濃度為120至500mg/L之臭氧-氟系溶媒混合溶液與由可燃性物質所成之被處理物接觸，而進行該被處理物表面之氧化處理者。具體而言，其大致的構成係具有將氧氣-臭氧混合氣體溶解於氟系溶媒而生成混合流體之步驟；以及從所生成之混合流體中除去剩餘氣體之步驟。
本實施型態之表面氧化處理方法，首先，將臭氧產生器1所生成之氧氣-臭氧混合氣體供給至混合裝置2。接著，在混合裝置2中將氧氣-臭氧混合氣體溶解於氟系溶媒而生成臭氧-氟系溶媒混合溶液。並且，為了增加氟系溶媒對於氧氣-臭氧混合氣體之溶解量，故希望可在加壓下以混合裝置2進行混合及溶解處理。
接著，將混合流體供給至氧氣分離裝置3。在氧氣分離裝置3中，從所供給之臭氧-氟系溶媒混合溶液與未溶解之剩餘氣體成分，將剩餘氣體成分除去。所除去之氣體成分以排出線路經過臭氧分解裝置7而排出至系統外。
接著，從氧氣分離裝置3將除去剩餘氣體後之臭氧-氟系溶媒混合溶液供給至已放入被處理物質之液相反應裝置4，而進行表面氧化處理。此時亦可以噴霧噴嘴(spray nozzle)等噴霧而供給。表面氧化處理時間可為直到臭氧監測器7、8之值相等為止。
如以上說明，若根據本實施型態表面氧化處理裝置41及使用其之表面氧化處理方法，使用將氧氣-臭氧混合氣體溶解在氟系溶媒而生成混合流體之混合裝置2。氟系溶媒較使用水作為溶媒者溶解更多之臭氧，而可生成臭氧-氟系溶媒混合溶液。此外，藉由氧氣分離裝置3從混合流體除去未溶解的氧氣及臭氧，同時將臭氧-氟系溶媒混合溶液供給至液相反應裝置4，進行與被處理物質之反應。在此，因氟系溶媒多為惰性、不燃性者，故僅臭氧與被處理物質反應。
根據本實施型態，氧氣分離裝置3具有壓力控制閥作為壓力控制裝置，因氧氣分離裝置3內可保持高的壓力，故可將臭氧大量溶解在氟系溶媒中。
再者，可藉由調整供給至混合裝置2之氧氣-臭氧混合氣體的量，而可容易地調整所生成之臭氧-氟系溶媒混合溶液的臭氧濃度。
本實施型態中，因在惰性、不燃性之氟系溶媒中進行以臭氧之表面氧化處理，故即使被處理物質具有可燃性，亦可降低起火、燃燒之危險性。
此外，因使用沸點低之氟系溶媒，故與使用水之表面氧化處理相比，其實施處理後之乾燥步驟的時間較短，故變得容易。
＜第2實施型態＞
接著，說明適用本發明之第2實施型態。
本實施型態具有與第1實施型態相異之構成。因此在本實施型態中，與第1實施型態相同之構成部分以同樣符號表示，同時省略說明。
如第2圖所示，相對於第1實施型態之表面氧化處理裝置41具有液相反應裝置4，本實施型態之表面氧化處理裝置42其具有加熱裝置(溫度控制手段)9、冷卻裝置10、氣液反應裝置(表面氧化處理手段)11而構成。
加熱裝置9及冷卻裝置10只要為可將內部流通之液體加熱或冷卻以保持在所期望的溫度者，或是可控制其溫度者即無特別限制。
具體而言，本實施型態以與第1實施型態相同之方法，在氧氣分離裝置3內部生成臭氧-氟系溶媒混合溶液後，將其供給至加熱裝置9。加熱使供給至加熱裝置9之臭氧-氟系溶媒混合溶液成為氣液混合狀態，並供給至已放入被處理物質之氣液反應裝置11，而進行表面氧化處理。表面氧化處理時間可為直到臭氧監測器7、8之值相等為止。
氣液反應裝置11係將加熱裝置9所生成之氣液混合狀態的臭氧-氟系溶媒混合溶液與被處理物質反應者。氣液反應裝置11具有可使被處理物質放入內部之構造，亦可具有可調整壓力及溫度之機構。材質並無特別限定，常壓下從辨認性方面來看可用玻璃等，若加壓下則可列舉如SUS等耐臭氧性高者。此外，亦可具有可連續地將被處理物導入及排出之機構。
此外，將被處理物質放入氣液反應裝置11後，進行以惰性氣體取代亦無特別之問題，但因大氣中之氧氣成份有可能影響表面氧化處理，故希望以惰性氣體取代之。以惰性氣體取代之壓力只要在大氣壓以上即無特別規定，但若高於所供給之成為氣液混合狀態之溶液的壓力，則可能會引起溶液之逆流，故有必要低於所供給之臭氧-氟系溶媒混合溶液的壓力。
惰性氣體的種類並無特別限制，具體而言，可列舉例如氬氣(Ar)、氦氣(He)、氮氣(N2)等。其中以成本面來看，較佳為氮氣。
接著，在將氣液反應裝置11內部，使與被處理物反應後之臭氧-氟系溶媒混合溶液通過氣液分離裝置12，將氣體成分之臭氧與液體成分之氟系溶媒分離。
若加熱裝置9之加熱溫度過低，則氟系溶媒本身無法氣化，相反地，若過高則會導致加熱裝置9及冷卻裝置10大型化，故希望控制在所使用之氟系溶媒的沸點附近。並且，本實施型態之加熱裝置9亦可為直接裝置在氧氣分離裝置3之型態。
冷卻裝置10係設置於使氟系溶媒循環線路上，其線路為將由氣液反應裝置11所供給之氣體經過氣液分離裝置12而至混合裝置2。藉由此冷卻裝置10，將氣液分離裝置12所分離之液體成分的氟系溶媒冷卻後，可藉由循環路徑L1回到混合裝置2。
由於一般氣體溶解於液體為液體溫度越低則溶解量越增加，故希望在混合裝置2中生成混合流體時的溫度低。具體而言，較佳為0至20℃。藉由使用此等冷卻裝置10，將臭氧溶解於氟系溶媒而生成臭氧-氟系溶媒混合溶液時，可控制在效率良好的溫度。並且，本實施型態之冷卻裝置10可為直接裝置在混合裝置2之型態。
因氣液反應裝置11內之被處理物為常溫，而具有氟系溶媒沸點附近之溫度，故若供給成為氣液混合狀態之臭氧-氟系溶媒混合溶液時，則臭氧-氟系溶媒混合溶液中之氟系溶媒成分一部分液化而作為液滴附著在被處理物質，但因氟系溶媒可抑制可燃物之燃燒及起火，故並未產生問題。反而藉此可大幅減低可燃性之被處理物起火之危險性。此外，因與第1實施型態相比，附著於被處理物質之液滴量並未較多，故與第1實施型態相比，其後之乾燥步驟亦為幾乎沒有問題的程度。
此外，復為了省去乾燥步驟，亦可預先將氣液反應裝置11所使用之氟系溶媒加熱至沸點以上之狀態，將加熱至氟系溶媒之沸點以上使其完全成為氣體之臭氧-氟系溶媒混合氣體供給至氣液反應裝置11而進行反應。此時，因被處理物質僅暴露於氣體，故不需要處理後之乾燥步驟。
相對於第1實施型態之表面氧化處理方法所生成之臭氧-氟系溶媒混合溶液以液態之狀態進行處理，本實施型態之表面氧化處理方法係將臭氧-氟系溶媒混合溶液加熱成為氣液混合狀態進行處理。
如以上說明，根據本實施型態之表面氧化處理方法，可得到與第1實施型態相同之效果。再與第1實施型態相比較，因本實施型態中附著於被處理物質之氟系溶媒為液滴，故可更縮短處理後之乾燥步驟。此外，因不需要處理後之乾燥步驟，故將臭氧-氟系溶媒混合溶液作為氣體使用於反應，亦可得到同樣的效果。並且，由於本實施型態中臭氧-氟系溶媒混合溶液之液體成分較第1實施型態少，故有關於降低起火、燃燒之危險性方面較差。
＜第3實施型態＞
接著，說明適用本發明之第3實施型態。
本實施型態之表面氧化處理裝置係具有與第1及第2實施型態之表面氧化處理裝置41、42相異之構成。因此，在本實施型態之表面氧化處理裝置中，與第1及第2實施型態相同之構成部分以同樣符號表示，同時省略說明。
如第3圖所示，相對於第1實施型態之表面氧化處理裝置41具有液相反應裝置4,以及第2實施型態之表面氧化處理裝置42具有加熱裝置9、冷卻裝置10、氣液反應裝置11，本實施型態之表面氧化處理裝置43具有脫氣裝置(脫氣手段)13、溶媒回收裝置14、氣相反應裝置(表面氧化處理手段)15、惰性氣體供給裝置16所構成。
脫氣裝置13係從臭氧-氟系溶媒混合溶液將臭氧脫氣之裝置，其設置於氧氣分離裝置3之下游側。脫氣裝置13與氧氣分離裝置3同樣設有壓力控制閥作為壓力控制裝置。亦即，藉由壓力控制閥可一邊將氧氣分離裝置3內部之壓力保持在將含有臭氧的氣體從臭氧-氟系溶媒混合溶液取出時最適當之壓力，一邊將含有臭氧的氣體分離。
並且，壓力控制裝置可使用積極地控制壓力之加壓裝置(加壓手段)或減壓裝置(減壓手段)。
在此，為了使氧氣-臭氧混合氣體容易溶解於氟系溶媒，較佳為將氧氣-臭氧混合氣體溶解在氟系溶媒而生成混合流體時的壓力(亦即混合裝置2內部的壓力)保持在高壓。另一方面，可將含有臭氧的氣體從臭氧-氟系溶媒混合溶液取出時之壓力(亦即脫氣裝置13內部的壓力)設定為低於上述將氧氣-臭氧混合氣體溶解在氟系溶媒時之壓力。
脫氣裝置13內部的壓力較佳為稍微大於大氣壓，具體而言，較佳為保持或控制在高於大氣壓0.05MPaG以上。
此外，混合裝置2中，將氧氣-臭氧混合氣體溶解於氟系溶媒時之壓力，較佳為保持(或控制)在高於脫氣裝置13內部之壓力0.05MPaG以上。更佳為保持(或控制)在高於脫氣裝置13內部之壓力0.3MPaG以上。
惰性氣體供給裝置16係在將未溶解氣體除去後，為了供給惰性氣體至上述臭氧-氟系溶媒混合溶液中，而設置於氧氣分離裝置3與脫氣裝置13之間。此外，為了從惰性氣體供給裝置16供給惰性氣體，而在氧氣分離裝置3與脫氣裝置13之間設置有線路。藉由此線路可將惰性氣體添加於由氧氣分離裝置3所導出之臭氧-氟系溶媒混合溶液中。藉此用惰性氣體稀釋臭氧-氟系溶媒混合溶液，而可防止在脫氣裝置13內生成含有高濃度臭氧之氣體。
惰性氣體的種類並無特別限制，具體而言，可列舉例如氬氣(Ar)、氦氣(He)、氮氣(N2)等。其中以成本面來看，較佳為氮氣。
本實施型態之氟系溶媒可使用與第1及第2實施型態相同者。但是，在惰性氣體脫氣時，因氟系溶媒沸點低，因此有可能與惰性氣體一同排出至系統外，故希望為沸點盡可能高之氟系溶媒。具體而言，沸點較佳為100至200℃。
溶媒回收裝置14係為了從脫氣後之含有臭氧的氣體將氟系溶媒成分去除，而設置在脫氣裝置13之下游側。溶媒回收裝置14連接從脫氣裝置13用以供給脫氣後之含有氟系溶媒之含有臭氧的氣體的線路，與將除去氟系溶媒後之含有臭氧的氣體供給至氣相反應裝置15的線路。藉由設置此溶媒回收裝置14，可從含有臭氧的氣體中將氟系溶媒除去/回收並再利用。
氣相反應裝置15係將脫氣裝置13及惰性氣體裝置16所生成之含有臭氧的氣體與被處理物質反應者。氣相反應裝置15具有可將被處理物質放入內部之構造，亦可具有可調整壓力及溫度之機構。材質並無特別限定，在常壓從辨認性方面來看可用玻璃等，若加壓情形下則可列舉如SUS等耐臭氧性高者。此外，亦可具有可連續地將被處理物導入及排出之機構。此外，將被處理物質放入氣相反應裝置15後，進行以惰性氣體取代亦無特別之問題，但因大氣中之氧氣份有可能參與表面氧化處理，故希望以惰性氣體取代。以惰性氣體取代之壓力只要在大氣壓以上即無特別規定，但若高於所供給之臭氧混合氣體的壓力，則可成產生混合氣體之逆流，故有必要低於所供給之混合氣體之壓力。
具體而言，本實施型態中與第1及第2實施型態之方法相同，在氧氣分離裝置3內部生成臭氧-氟系溶媒混合溶液後，將其供給至脫氣裝置13。在供給臭氧-氟系溶媒混合溶液至脫氣裝置13途中，將惰性氣體供給至其中，以生成氧氣濃度降低之含有臭氧的惰性氣體。接著，將此含有臭氧的惰性氣體供給至已放入被處理物質之氣相反應裝置15，而進行表面氧化處理。表面氧化處理時間可為直到臭氧監測器7、8之值相等為止。
相對於第1實施型態之表面氧化處理方法將所生成之臭氧-氟系溶媒混合溶液以液態之狀態進行處理，以及第2實施型態之表面氧化處理方法將所生成之臭氧-氟系溶媒混合溶液加熱以氣液混合之狀態進行處理，本實施型態之表面氧化處理方法係以惰性氣體將生成之臭氧-氟系溶媒混合溶液脫氣而得到含有臭氧的惰性氣體，再將此含有臭氧的惰性氣體使用在生成處理。
如以上說明，根據本實施型態之表面氧化處理方法，可得到與第1及第2實施型態相同之效果。復與第1及第2實施型態相比較，因本實施型態中將含有臭氧的惰性氣體未伴隨著氟系溶媒下供給至反應裝置，故在被處理物質完全沒有附著氟系溶媒，而可省略處理後之乾燥步驟。
並且，本發明之技術範圍並非限定於上述實施型態，只要在不脫離本發明主旨之範圍可加以各種的變更。
(實施例)
以下為具體例。
(實施例1)
使用如第1圖所示之表面氧化處理裝置41進行表面氧化處理。具體而言，將7vol%以臭氧產生器1所產生之0.06PaG臭氧與由93vol%氧氣所成之氧氣-臭氧混合氣體溶解於20℃之液化全氟己烷(C6F14)中，而生成臭氧-氟系溶媒混合液。
接著，將此臭氧-氟系溶媒混合液供給至已先放入碳纖維並以氮氣取代之液相反應裝置4，至反應結束為止需要1小時。
反應結束後，從液相反應裝置4取出碳纖維，將液化全氟己烷完全乾燥。
乾燥後，將水滴滴於碳纖維，相對於未處理品會排開水滴，臭氧處理品會將水滴吸收。藉此可確認碳纖維親水性之提升。
(實施例2)
使用如第2圖所示之表面氧化處理裝置42進行表面氧化處理。具體而言，將7vol%以臭氧產生器1所產生之0.06PaG臭氧與由93vol%氧氣所成之氧氣-臭氧混合氣體溶解於20℃之液化全氟己烷(C6F14)中，而生成臭氧-氟系溶媒混合液。
接著，將此臭氧-氟系溶媒混合液供給至已先放入碳纖維並以氮氣取代之氣液反應裝置11，至反應結束為止需要2小時。
反應結束後，從氣液反應裝置11取出碳纖維，將液化全氟己烷完全乾燥。
乾燥後，將水滴滴於碳纖維，相對於未處理品會排開水滴，臭氧處理品會將水滴吸收。藉此可確認碳纖維親水性之提升。
(實施例3)
使用如第3圖所示之表面氧化處理裝置43進行表面氧化處理。具體而言，將7vol%以臭氧產生器1所產生之0.06PaG臭氧與由93vol%氧氣所成之氧氣-臭氧混合氣體溶解於20℃之液化全氟十二烷(C12F26)中，而生成臭氧-氟系溶媒混合液。
之後，將此臭氧-氟系溶媒混合液供給至脫氣裝置13，使氮氣通氣(nitrogen gas bubbling)而生成含有臭氧的氮氣。
接著，將所生成之含有臭氧的氮氣以20℃、0.03MPa，供給至已先放入0.1微米之鎳粉並以氮氣取代之氣相反應裝置15，至反應結束為止需要7小時。
反應結束後，以此狀態使用熱重量分析(Thermogravimetric Analysis：TG)測定氧化起始溫度以作為鎳粉燒結起始溫度之指標。相對於未處理品之氧化起始溫度為200℃，可確認臭氧處理品氧化起始溫度提升為280℃。
1．．．臭氧產生器
2．．．混合裝置(混合手段)
3．．．氧氣分離裝置(未溶解氣體除去手段)
4．．．液相反應裝置(表面氧化處理手段)
5．．．泵
6．．．臭氧分解裝置
7、8．．．臭氧監視器(監視臭氧濃度之手段)
9．．．加熱裝置(溫度控制手段)
10．．．冷卻裝置
11．．．氣液反應裝置(表面氧化處理手段)
12．．．氣液分離裝置
13．．．脫氣裝置(脫氣手段)
14．．．溶媒回收裝置
15．．．氣相反應裝置(表面氧化處理手段)
16．．．惰性氣體供給裝置
17．．．閥(調整臭氧濃度及供給量之手段)
41、42、43．．．表面氧化處理裝置
L1．．．循環路徑
第1圖表示本發明第1實施型態之表面氧化處理裝置的概略構成圖。
第2圖表示本發明第2實施型態之表面氧化處理裝置的概略構成圖。
第3圖表示本發明第3實施型態之表面氧化處理裝置的概略構成圖。
1．．．臭氧產生器
2．．．混合裝置(混合手段)
3．．．氧氣分離裝置(未溶解氣體除去手段)
4．．．液相反應裝置(表面氧化處理手段)
5．．．泵
6．．．臭氧分解裝置
7、8．．．臭氧監視器(監視臭氧濃度之手段)
41．．．表面氧化處理裝置
L1．．．循環路徑

Claims (10)

  1. 一種表面氧化處理方法，其含有臭氧以及氟系溶媒，且具有將臭氧濃度為120至500mg/L之臭氧-氟系溶媒混合溶液與由可燃性物質所成之被處理物接觸，而進行該被處理物表面的氧化處理之步驟，其中，前述氟系溶媒係選自由C5F12、C6F14以及C12F26所組成群組之至少一者。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之表面氧化處理方法，將前述臭氧-氟系溶媒混合溶液以液體之狀態、液滴之狀態、氣體之狀態與前述被處理物接觸。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之表面氧化處理方法，其中，前述臭氧-氟系溶媒混合溶液係將氧氣-臭氧混合氣體溶解在氟系溶媒中而生成混合流體後，從混合流體除去未溶解之氣體所生成。
  4. 一種表面氧化處理方法，其具有：供給惰性氣體至含有臭氧以及氟系溶媒且臭氧濃度為120至500mg/L之臭氧-氟系溶媒混合溶液中，使其脫氣，而生成含有臭氧的惰性氣體之步驟；以及使前述含有臭氧的惰性氣體與被處理物在氣相中接觸之步驟，其中，前述氟系溶媒係選自由C5F12、C6F14以及C12F26所組成群組之至少一者。
  5. 一種表面氧化處理裝置，其具有：將氧氣-臭氧混合氣體溶解在氟系溶媒中，而生成 混合流體之混合手段；從前述混合流體除去未溶解之氣體，而生成臭氧-氟系溶媒混合溶液之未溶解氣體除去手段；以及將前述臭氧-氟系溶媒混合溶液與可燃性物質所成之被處理物接觸，而將前述被處理物質的表面氧化處理之表面氧化處理手段，其中，前述氟系溶媒係選自由C5F12、C6F14以及C12F26所組成群組之至少一者。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之表面氧化處理裝置，其中，在前述未溶解氣體除去手段與前述表面氧化處理手段間，復具有將臭氧-氟系溶媒混合溶液加熱之溫度控制手段。
  7. 一種表面氧化處理裝置，其具有：將氧氣-臭氧混合氣體溶解在氟系溶媒中，而生成混合流體之混合手段；從前述混合流體除去未溶解之氣體，而生成臭氧-氟系溶媒混合溶液之未溶解氣體除去手段；藉由供給惰性氣體使前述臭氧-氟系溶媒混合溶液脫氣，而生成含有臭氧的惰性氣體之脫氣手段；以及將前述含有臭氧的惰性氣體與可燃性物質所成之被處理物接觸，而將前述被處理物質的表面氧化處理之表面氧化處理手段；其中，前述氟系溶媒係選自由C5F12、C6F14以及C12F26所組成群組之至少一者。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之表面氧化處理裝置，其中，在前述表面氧化處理手段與前述混合手段間，復具有回收氟系溶媒並使其循環之循環路徑。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之表面氧化處理裝置，其中，具有監視循環之臭氧-氟系溶媒混合溶液中的臭氧濃度之手段；對應前述臭氧-氟系溶媒混合溶液之臭氧濃度，調整供給於前述混合手段之氧氣-臭氧混合氣體的臭氧濃度及供給量之手段；以及可控制使用於被處理物表面的氧化處理之臭氧-氟系溶媒混合溶液中的臭氧濃度之機構。
  10. 如申請專利範圍第5項所述之表面氧化處理裝置，其中，前述未溶解氣體除去手段所生成之前述臭氧-氟系溶媒混合溶液的臭氧濃度為120至500mg/L。
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