專利名稱：對柔性材料表面改性的卷對卷式輝光放電發(fā)生裝置及工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及中等氣壓下產(chǎn)生輝光放電的卷對卷式介質(zhì)阻擋放電裝置及放電エ藝。
背景技術(shù)：
氟碳(FC)薄膜是ー種新型含氟碳材料，具有很強的疏水性，同時還具有優(yōu)良的自潤滑性，極低介電常數(shù)，耐腐蝕性。氟碳(FC)薄膜可以作為介電層應(yīng)用在超大規(guī)模集成電路中，可以作為鈍化層應(yīng)用在生物相融性材料中，也可以作為疏水層應(yīng)用在紙張、壁畫等材料上。介質(zhì)阻擋放電(dielectric barrier discharge, DBD),是有絕緣介質(zhì)插入放電空間的ー種非平衡態(tài)氣體放電，是最早成功用于臭氧大規(guī)模エ業(yè)化生產(chǎn)的等離子體技木。根據(jù)電極形狀可分為板-板式，線-筒式，線-板式DBD反應(yīng)器。利用DBD產(chǎn)生的低溫等離子體進行材料表面改性是一項潔凈的干式エ藝，DBD裝置結(jié)構(gòu)簡單，原料氣消耗量少，能耗較低等特點，而且不使用濕法改性所使用的大量有機溶剤，是ー種綠色環(huán)保生產(chǎn)技木。具有潛在的大規(guī)模連續(xù)化工業(yè)應(yīng)用優(yōu)勢。但是，目前國內(nèi)所研制用于柔性材料如塑料，纖維以及紙張等的大面積DBD裝置大都處于實驗室階段，一次性生產(chǎn)的材料面積為700*500mm2，而且處理完樣品后需要拆卸反應(yīng)器，不利于連續(xù)化生產(chǎn)。目前尚未見能夠?qū)Σ牧线M行整卷連續(xù)化處理的DBD反應(yīng)器的報導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供ー種對紙張、塑料、纖維等柔性材料在中等氣壓下進行連續(xù)表面改性或沉積功能性薄膜的卷對卷式等離子體裝置以及利用該裝置采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積方法，以C3F8為反應(yīng)物實現(xiàn)在紙張表面連續(xù)沉積出FC薄膜的方法，結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)能，成本低。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是這樣實現(xiàn)的一種對柔性材料表面改性的卷對卷式輝光放電發(fā)生裝置，其特征在于，它包括真空腔體，其由不銹鋼制腔體框架、絕緣介質(zhì)板和不銹鋼板構(gòu)成；所述腔體框架上表面覆蓋絕緣介質(zhì)板，兩者之間裝設(shè)密封圈；所述腔體框架底面固定連接不銹鋼底板；用于纏繞待處理的柔性材料的卷軸，分為主動軸和被動軸，分別裝設(shè)于所述真空腔體內(nèi)部靠兩側(cè)位置，并通過皮帶輪傳動；所述主動軸與電機相連；地電極和高壓電極；所述地電極置于真空腔體內(nèi)，固裝于所述不銹鋼底板上，平行放置于兩根卷軸之間，與絕緣介質(zhì)板之間留有大于O不大于15_的間隙，所述間隙通過聚四氟こ烯墊圈的厚度進行調(diào)整,所述墊圈的厚度分為1mm, 2mm, 5mm, IOmm ;所述高壓電極直接置于所述絕緣介質(zhì)板上表面與所述地電極平行對稱放置；ー對以上通氣ロ，對應(yīng)分別開設(shè)于腔體兩側(cè)壁并正對絕緣介質(zhì)板與地電極之間的間隙，分別用于原料氣進入和反應(yīng)后的尾氣排出。 具體的，所述絕緣介質(zhì)板是玻璃板，或石英玻璃，或陶瓷板等。采用上述的裝置對柔性材料表面改性的卷對卷式輝光放電エ藝，包括如下步驟
(I)將纏繞在從動軸上的待處理柔性材料緊貼于地電極上表面并穿過地電極與絕緣介質(zhì)之間的空隙，固定于主動軸上；(2)放電前抽真空將真空腔體內(nèi)本底氣壓抽至50Pa以下；(3)控制放電過程通過質(zhì)量流量控制器控制C3F8氣體的流量為lO-lOOsccm，放電氣壓為50-2000Pa ;采用連續(xù)可調(diào)高壓電源，電壓的峰峰值為大于O小于20kV，頻率為大于O小于20kHz ;放電時間為30s-45min，沉積FC薄膜后的柔性材料表面接觸角為120-145°，得到厚度大約為O. 5-3. Oum的FC薄膜。與現(xiàn)有技術(shù)相比，利用本發(fā)明所述的卷對卷式的介質(zhì)阻擋放電裝置對成卷的紙張進行處理，具有獨特的優(yōu)勢包括放電方式簡單，設(shè)備成本低，放電氣體體積小，氣體流量低，能耗低；有利于連續(xù)化生產(chǎn)。


圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖I的俯視圖；圖3是A-A剖視圖；圖4是B-B剖視圖；圖5是接觸角隨放電時間變化圖。圖中，I.不銹鋼腔體，2.卷軸，3.不銹鋼底板，4.通氣ロ，5.地電極。
具體實施例方式在中等氣壓下產(chǎn)生輝光放電的卷對卷式介質(zhì)阻擋放電裝置，如圖1-4所示，以不銹鋼制成腔體I的框架，腔體I左右兩側(cè)裝有兩根帶有皮帶輪并可以旋轉(zhuǎn)的白鋼卷軸2，左側(cè)為從動軸，用于纏繞待處理的柔性材料，右側(cè)為主動軸，用于纏繞處理后的柔性材料。主動軸可根據(jù)需要通過電機驅(qū)動以不同速度勻速轉(zhuǎn)動。兩根卷軸2通過皮帶牽動旋轉(zhuǎn)。腔體上端面開有1000 X 120mm2長方形孔，其上覆蓋玻璃板作為絕緣介質(zhì)板，并設(shè)置密封圈；腔體I下端面通過螺桿固定不銹鋼底板3 ;所述底板3上固定不銹鋼地電極5，所述地電極5置于腔體I內(nèi)，平行放置于兩根卷軸2之間；所述地電極5與絕緣介質(zhì)板即玻璃板之間留有間隙，間隙的大小可通過不同厚度聚四氟こ烯墊圈調(diào)整，墊圈厚度分為1mm，2mm, 5mm, 10mm。不銹鋼或者銅等電良導(dǎo)體制成的高壓電極直接置于所述絕緣介質(zhì)板上表面，并與地電極5平行對稱放置，高壓電極與地電極之間距離在不大于IOmm之間調(diào)節(jié)。腔體I兩側(cè)各開有四個通氣ロ 4，其一端用于原料氣進入，另一端用于反應(yīng)后尾氣排出，所述通氣ロ 4正對絕緣介質(zhì)板與地電極之間的間隙。四個通氣ロ 4的一端與一只帶有四根支管的帶有法蘭連接的快速接頭的連接部件相連，通過普通真空泵抽氣獲得本底氣壓大約為50Pa的真空度，從而使所述腔體I成為ー個真空腔體。上述裝置低氣壓輝光放電在宣紙表面沉積FC薄膜的エ藝步驟如下纏繞在從動軸上的待處理紙張緊貼在地電極5上表面并穿過地電極5與玻璃板之間的間隙，固定于主動軸上。放電前米用機械泵將本底氣壓抽至50Pa以下。通氣ロ 4的入氣ロー端與質(zhì)量流量控制器連接，通過質(zhì)量流量控制器分別控制C3F8氣體的流速和氣體氣壓，氣體流量為lO-lOOsccm，放電氣壓由薄膜硅絕對壓カ傳感器測量，通過手動插板閥控制在50-2000Pa ；采用連續(xù)可調(diào)高壓電源使用頻率l_7kHz，電壓8-20kV，放電時間控制在30s-45min，得到厚度大約為O. 5-3. Oum的FC薄膜。宣紙表面沉積薄膜前，水被完全吸收，鍍膜后接觸角為120-145°左右，宣紙表面的疏水特性得到極大提高。采用李薩如圖形法對放電的功率以及比能耗進行了分析，能耗大約為2-25mW/cm2。此外，也可以采用塑料，纖維等柔性介質(zhì)作為沉積基底，經(jīng)C3F8等離子體處理沉積出FC薄膜，能夠顯著改變?nèi)嵝越橘|(zhì)表面的疏水特性。采用本發(fā)明的裝置，在放電電壓6kV，放電頻率5kHz，采用C3F8作為前驅(qū)物，氣體流速為20sccm,放電氣壓為500Pa,放電時間分別控制為30s, 2min, 5min, 15min, 30min和45min，在宣紙表面沉積出了不同厚度的FC薄膜。采用接觸角分析測定其疏水角。結(jié)果如圖5所示放電30s時，沉積FC薄膜后的宣紙表面的接觸角接近80°，隨著放電時間增加至2min時接觸角迅速增加至128°，繼續(xù)增加放電時間接觸角變化較小，在130-140°之間。由此可見，放電沉積時間在2-45min時宣紙疏水性得到明顯提高。在放電電壓6kV，放電頻率5kHz，放電時間15min時，通過控制放電室氣壓，在宣紙表面沉積出FC薄膜，取出樣品后迅速采用接觸角分析儀測試疏水角大小，結(jié)果如表I所示。由表中數(shù)據(jù)可見，放電氣壓對接觸角影響較小，當(dāng)放電氣壓由IOOPa增至2000Pa接觸角為 129-141°。采用李薩如圖形法測定了放電的功率。所處理薄膜的面積為576cm2，計算得到采用DBD等離子體處理宣紙的比能耗為10-25mW/cm2。在低氣壓時比能耗要比高氣壓時的低。放電電壓為6kV，放電時間15min，采用C3F8為前驅(qū)物，氣體流速20sccm，放電氣壓500Pa,分別調(diào)節(jié)電源放電頻率為1kHz，3kHz，5kHz，7kHz在宣紙表面沉積FC薄膜。取出樣品后迅速采用接觸角分析儀測試疏水角大小為135-141°。由此可見放電頻率對沉積FC薄膜后的宣紙表面的疏水角影響較小。采用李薩如圖形法對放電功率進行了測量。結(jié)果如表I所示。隨著放電頻率的増加放電功率明顯増大，當(dāng)放電頻率為IkHz時比能耗僅為2. Imff,而放電頻率增加到7kHz時比能耗為11. 2mW。因此提高放電頻率不利于降低能耗。這主要是單位時間輸入能量増加的原因。表I不同放電頻率，放電氣壓下沉積FC薄膜后的宣紙表面接觸角以及比能耗。
權(quán)利要求
1.一種對柔性材料表面改性的卷對卷式輝光放電發(fā)生裝置，其特征在于，它包括 真空腔體，其由不銹鋼制腔體框架、絕緣介質(zhì)板和不銹鋼板構(gòu)成；所述腔體框架上表面覆蓋絕緣介質(zhì)板，兩者之間裝設(shè)密封圈；所述腔體框架底面固定連接不銹鋼底板； 用于纏繞待處理的柔性材料的卷軸，分為主動軸和被動軸，分別裝設(shè)于所述真空腔體內(nèi)部靠兩側(cè)位置，并通過皮帶輪傳動；所述主動軸與電機相連； 地電極和高壓電極；所述地電極置于真空腔體內(nèi)，固裝于所述不銹鋼底板上，平行放置于兩根卷軸之間，與絕緣介質(zhì)板之間留有大于O不大于15_的間隙，所述間隙通過聚四氟乙烯墊圈的厚度進行調(diào)整；所述高壓電極直接置于所述絕緣介質(zhì)板上表面與所述地電極平行對稱放置； 一對以上通氣口，對應(yīng)分別開設(shè)于腔體兩側(cè)壁并正對絕緣介質(zhì)板與地電極之間的間隙，分別用于原料氣進入和反應(yīng)后的尾氣排出。
2.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于 所述絕緣介質(zhì)板是玻璃板,或石英玻璃,或陶瓷板。
3.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于 所述地電極與高壓電極之間的距離大于O不大于10mm。
4.一種采用如權(quán)利要求I所述的裝置對柔性材料表面改性的卷對卷式輝光放電工藝，包括如下步驟 (1)將纏繞在從動軸上的待處理柔性材料緊貼于地電極上表面并穿過地電極與絕緣介質(zhì)之間的空隙，固定于主動軸上； (2)放電前抽真空將真空腔體內(nèi)本底氣壓抽至50Pa以下； (3)控制放電過程采用C3F8為前驅(qū)物，通過質(zhì)量流量控制器控制C3F8氣體的流量為IO-IOOsccm,放電氣壓為50-2000Pa ;采用連續(xù)可調(diào)高壓電源，電壓的峰峰值為大于0小于20kV，頻率為大于0小于20kHz ;放電時間為30s-45min，沉積FC薄膜后的柔性材料表面接觸角為120 - 145°。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的工藝，其特征在于 步驟(I)中所述柔性材料為宣紙； 步驟(3)中通過流量控制器控制C3F8的氣體流速15-30SCCm，放電電壓2-8kV，放電氣壓為100-500Pa，放電頻率l-5kHz，比能耗為2. 1-13. 3mW/cm2，放電時間2_15min時，沉積FC薄膜后的宣紙表面接觸角為130 — 141°。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種對柔性材料表面改性的卷對卷式輝光放電發(fā)生裝置及工藝，所述裝置包括真空腔體，其內(nèi)左右兩側(cè)設(shè)置用于纏繞待處理的紙張的兩根卷軸和位于其間的地電極，高壓電極置于絕緣介質(zhì)板上表面與地電極平行對稱放置；還包括通氣口,對應(yīng)開設(shè)于腔體兩側(cè)壁正對絕緣介質(zhì)板與地電極之間的間隙；其工藝步驟將纏繞在從動軸上的待處理紙張緊貼在地電極5上表面并穿過地電極5與玻璃板之間的間隙，固定于主動軸上；放電前抽真空，放電過程中，控制氣體流量、放電氣壓、電壓峰峰值、放電頻率及放電時間在一這范圍內(nèi)，從而得到一定厚度的FC薄膜。本發(fā)明放電方式簡單，設(shè)備成本低，放電氣體體積小，氣體流量低，能耗低；有利于連續(xù)化生產(chǎn)。
文檔編號D21H25/02GK102677023SQ201210150
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月15日
發(fā)明者劉東平, 牛金海 申請人:大連民族學(xué)院