專(zhuān)利名稱(chēng)：：一種等離子體化學(xué)反應(yīng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及等離子體化學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種等離子體化學(xué)反應(yīng)裝置。
背景技術(shù)：
：等離子體化學(xué)是利用氣體放電作為化學(xué)性生產(chǎn)手段的科學(xué)，自20世紀(jì)70年代以來(lái)迅速發(fā)展，已形成一個(gè)嶄新的學(xué)科領(lǐng)域，因其在原理與應(yīng)用方面都與傳統(tǒng)的化學(xué)方法有著完全不同的獨(dú)特規(guī)律而引起廣泛關(guān)注，30多年來(lái)，人們?cè)趯W(xué)術(shù)研究和諸多技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，已對(duì)各種等離子體化學(xué)反應(yīng)(表面處理、聚合、引發(fā)聚合)進(jìn)行了大量的應(yīng)用研究，并在此基礎(chǔ)上對(duì)等離子體化學(xué)反應(yīng)機(jī)理提出了許多各自的見(jiàn)解。縱觀這些研究，所討論的都是等離子體中各種活性物種(電子、離子、自由基、紫外線等)混合存在，同時(shí)作用，發(fā)生的表面修飾、聚合、交聯(lián)或?yàn)R射、刻蝕等反應(yīng)的綜合效應(yīng)。放電過(guò)程中生成的電子、離子撞擊氣體分子生成自由基，自由基引發(fā)在高分子表面導(dǎo)入新的官能團(tuán)或生成聚合物，而具有一定動(dòng)能的電子、離子除作用于氣體分子生成自由基外，還直接打擊高分子固體表面，使官能團(tuán)分解、大分子鏈斷裂，產(chǎn)生分解、刻蝕等副效應(yīng)。由于等離子體場(chǎng)中高能活性物種的多樣性，影響處理效果的因素十分復(fù)雜，因而通常等離子體處理結(jié)果是隨機(jī)不可控的，重現(xiàn)性和穩(wěn)定性差。反應(yīng)機(jī)理研究的重大缺陷在于未進(jìn)行以放電過(guò)程的基元反應(yīng)為依據(jù)的研究，只是以表觀反應(yīng)結(jié)果或?qū)﹄x子體中混存的活性物種用某種診斷手段進(jìn)行鑒定的結(jié)果為依據(jù)作出的推測(cè)，迄今為止尚未能建立起具有普說(shuō)服力的機(jī)理模型。由于等離子體化學(xué)反應(yīng)過(guò)程基元反應(yīng)很多，機(jī)理十分復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)中的矛盾現(xiàn)象解釋不清，反應(yīng)結(jié)果不可控成為影響實(shí)用化的障礙。為了實(shí)現(xiàn)等離子體化學(xué)反應(yīng)可控，強(qiáng)化目的性主反應(yīng)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直在進(jìn)行探索。如Yasuda為了控制等離子體反應(yīng)，早在70年代就利用磁場(chǎng)使等離子體"定域化"，提高了電子碰撞氣體分子的幾率，可獲得較多的自由基；清華大學(xué)楊津基教授提出可控等離子體化工工藝的思想，期望通過(guò)一個(gè)或幾個(gè)主要可控參數(shù)起調(diào)整、控制產(chǎn)品性質(zhì)的作用，認(rèn)為在此基礎(chǔ)上有可能建立等離子體化工工藝模型；天津大學(xué)盛京教授的研究也提出等離子體聚合的核心問(wèn)題是反應(yīng)的隨機(jī)性可控……；但這些研究所針對(duì)的等離子體環(huán)境仍然都是混合態(tài)的活性物種，與常規(guī)熱化學(xué)反應(yīng)同樣，僅考慮宏觀參數(shù)的控制，不能營(yíng)造一個(gè)特定的反應(yīng)氛圍，則難以控制目的性反應(yīng)的進(jìn)行方向和程度。低溫等離子體化學(xué)的基礎(chǔ)理論研究方面，70年代國(guó)外(以美國(guó)為主)進(jìn)行了積極的探索，代表性的理論有自由基學(xué)說(shuō)、離子學(xué)說(shuō)、原子學(xué)說(shuō)、CAP(CompetitiveAblationandPolymerization)機(jī)理等。但這些理論建立的基礎(chǔ)都是在等離子體活性物種的混存狀態(tài)下，而且不是采用的全部活性物種，只是選擇其中某種活性粒子為模型的，在所研究的等離子體場(chǎng)中得到的數(shù)學(xué)模型均為一些非線形方程組，包括諸如電子溫度、密度、能量，離子溫度、密度、荷電數(shù)等在內(nèi)的等離子體參數(shù)方程組，這些方程組通常是無(wú)法求解的，人們只能采取近似或假定的辦法，導(dǎo)致了理論上的不準(zhǔn)確性。國(guó)內(nèi)學(xué)者的等離子體化學(xué)機(jī)理研究均采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆椒?，但僅依據(jù)表觀反應(yīng)的資料，無(wú)法得到確定的機(jī)理。因此，設(shè)法提高等離子體化學(xué)反應(yīng)的可控性，強(qiáng)化自由基引發(fā)的有用化學(xué)反應(yīng)；建立實(shí)用的等離子體化學(xué)反應(yīng)機(jī)理模型，預(yù)測(cè)等離子體中各活性基團(tuán)在特定的等離子體場(chǎng)中的擴(kuò)散分布特征，為定量設(shè)計(jì)和控制等離子體化學(xué)反應(yīng)結(jié)果提供理論依據(jù)，是推動(dòng)低溫等離子體化學(xué)技術(shù)在諸多領(lǐng)域?qū)嵱没闹匾P(guān)鍵之一，但現(xiàn)階段尚未見(jiàn)有效地解決這方面課題的新思路、新方法的研究報(bào)導(dǎo)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種等離子體化學(xué)反應(yīng)裝置，它具有電子、離子、自由基和紫外光混存的放電區(qū)，擴(kuò)散區(qū)，高純度自由基氛圍的遠(yuǎn)程區(qū)；它能夠確認(rèn)各活性粒子在特定的等離子體化學(xué)反應(yīng)中的貢獻(xiàn)，提高等離子體化學(xué)反應(yīng)的可控性，尤其是強(qiáng)化自由基引發(fā)的化學(xué)反應(yīng)。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。一種等離子體化學(xué)反應(yīng)裝置，包括真空泵、放電反應(yīng)管、纏繞在放電反應(yīng)管的進(jìn)口管段上的電感線圈，電連接所述電感線圈的射頻電源，與放電反應(yīng)管的進(jìn)口連通的儲(chǔ)氣罐，其特征在于，還包括作為遠(yuǎn)程區(qū)的自由基反應(yīng)室，所述自由基反應(yīng)室的出口與真空泵連通，其進(jìn)口與放電反應(yīng)管的出口連通，所述放電反應(yīng)管靠近進(jìn)口的管段為放電區(qū)，靠近出口的管段為擴(kuò)散區(qū)。本發(fā)明的進(jìn)一步特點(diǎn)在于所述放電反應(yīng)管和自由基反應(yīng)室為一個(gè)整體管段。所述放電反應(yīng)管的進(jìn)口通過(guò)流量計(jì)連通儲(chǔ)氣罐。所述自由基反應(yīng)室設(shè)置有真空計(jì)。所述放電反應(yīng)管的半徑R為13cm，長(zhǎng)徑比L/R為3050。所述放電反應(yīng)管為硬質(zhì)派勒斯玻璃管或石英玻璃管。所述放電反應(yīng)管放電時(shí)的氣壓為2040Pa。所述放電反應(yīng)管的進(jìn)口處設(shè)置有折流板。發(fā)明人的前期研究[Chen.Tie-rong(陳杰瑢)，StudyonFreeRadicalsofCottonandWoolFibersTreatedwithLowTemperaturePlasma,J.Appl.Polym.Sci.，1996，62:1325-1329]通過(guò)ESR方法證明等離子體中生成的自由基可存活數(shù)日以上，Goldman的研究[GoldmanA，AmourouxJ.ElectricalBreakdownandDischargeinGases,MacroscopicProcessessandDischarge;Kunhardt，E.E.，luessen，LH.，Eds.;plenum:NewYork,1983，p293.]給出的電子-離子的再結(jié)合、自由基-自由基的再結(jié)合的兩種反應(yīng)的速度常數(shù)分別為10—7cm7s和10—33cm7s的數(shù)量級(jí)，即離子與減速電子再結(jié)合迅速消亡，而自由基在低氣壓體系中是長(zhǎng)壽命的。利用自由基的長(zhǎng)壽命特征，通過(guò)上述裝置，可使等離子體中的活性物種(電子、離子、自由基、紫外光)依照壽命、電性、穿透性能的差異實(shí)現(xiàn)分離，即可能改善等離子體化學(xué)反應(yīng)的可控性。圖1為本發(fā)明的一種等離子體化學(xué)反應(yīng)裝置(實(shí)施例l)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的另一種等離子體化學(xué)反應(yīng)裝置(實(shí)施例2)結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為應(yīng)用圖2實(shí)施例測(cè)定的等離子體場(chǎng)中離子濃度的分布圖，其中射頻電源放電功率為90W;氣體流量為20cmVniin;電感線圈的縱向中心與放電反應(yīng)管對(duì)應(yīng)的位置為0cm，該位置的離子濃度為基準(zhǔn)離子濃度；縱坐標(biāo)為相對(duì)離子濃度，橫坐標(biāo)為反應(yīng)管的軸向?qū)?yīng)位置(即遠(yuǎn)程距離)，軸向方向同氣體流向。具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1，本發(fā)明的一種遠(yuǎn)程等離子體化學(xué)反應(yīng)裝置(實(shí)施例1)，主要包括貯氣罐l、進(jìn)氣閥門(mén)2、流量計(jì)3、折流擋板4、電感線圈5、放電反應(yīng)管6、自由基反應(yīng)室8、真空計(jì)9、電磁閥10、真空泵ll、射頻電源12、射頻匹配網(wǎng)絡(luò)13;其中，試驗(yàn)時(shí)，試樣7可以放置在放電反應(yīng)管6和自由基反應(yīng)室8中。本實(shí)施例中，放電反應(yīng)管6采用石英管，其半徑為2.5cm，管長(zhǎng)為100cm;放電反應(yīng)管6的進(jìn)口管段外纏繞有電感線圈5，射頻電源12通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)13與電感線圈5電連接；射頻電源12的輸出頻率為13.56MHz，功率0500W可調(diào)；射頻電源12外殼接地，保證電感線圈5放電時(shí)，對(duì)其它電子儀器(真空計(jì)、質(zhì)量流量計(jì))無(wú)干擾。射頻電源12和匹配網(wǎng)絡(luò)13分別采用中科院微電子中心生產(chǎn)的SY-500W型射頻電源和SP-II型射頻匹配器(中科院微電子中心)。貯氣罐1經(jīng)進(jìn)氣閥門(mén)2、質(zhì)量流量計(jì)3、折流擋板4后，與放電反應(yīng)管6的進(jìn)口通過(guò)法蘭連通；放電反應(yīng)管6的出口通過(guò)法蘭連接自由基反應(yīng)室8的進(jìn)口，自由基反應(yīng)室8的出口設(shè)置有密封法蘭；真空泵11通過(guò)電磁闊10后，連通自由基反應(yīng)室8的出口，其抽氣速度〉4升/分，可使放電反應(yīng)管6和自由基反應(yīng)室8保持1100Pa的低氣壓。熱偶真空計(jì)9連通自由基反應(yīng)室8，用來(lái)測(cè)量放電反應(yīng)管6和自由基反應(yīng)室8內(nèi)的真空度。折流擋板4可以使進(jìn)入放電反應(yīng)管6的氣流更加平穩(wěn)。貯氣罐1可以存儲(chǔ)氧氣、氮?dú)狻鍤獾扔糜诋a(chǎn)生等離子體的氣體。盡應(yīng)時(shí)，氣體以恒定流速?gòu)目拷烹姺磻?yīng)管6的進(jìn)口的管段(放電區(qū))引入，在放電區(qū)生成等離子體后，經(jīng)擴(kuò)散區(qū)導(dǎo)入自由基反應(yīng)室8(遠(yuǎn)程區(qū))。放電反應(yīng)管6的長(zhǎng)徑比(長(zhǎng)度與半徑的比值)L/R對(duì)遠(yuǎn)程區(qū)的自由基純度影響比較大，因此，放電反應(yīng)管6采用石英管，其半徑為2.5cm，管長(zhǎng)為100cm，擴(kuò)散區(qū)能夠形成穩(wěn)流無(wú)返混的流場(chǎng)，同時(shí)保證活性粒子有足夠的分離時(shí)間。參照?qǐng)D2，本發(fā)朋的另一種等離子體化學(xué)反應(yīng)裝置(實(shí)施例2)，和前一種等離子體化學(xué)反應(yīng)裝置(實(shí)施例1)相比，放電反應(yīng)管和自由基反應(yīng)室合為一體，采用同一個(gè)硬質(zhì)派勒斯玻璃管，該硬質(zhì)派勒斯玻璃管的進(jìn)口管段為放電區(qū)，出口管段為遠(yuǎn)程區(qū)，中間管段為擴(kuò)散區(qū)。本實(shí)施例比較適合于試驗(yàn)研究中使用，其中硬質(zhì)派勒斯玻璃管直徑為4.5cm，長(zhǎng)度為115cm。具體使用上述兩種遠(yuǎn)程等離子體化學(xué)反應(yīng)裝置時(shí)，對(duì)于放電區(qū)、擴(kuò)散區(qū)、遠(yuǎn)程區(qū)的劃分需要借助Langmiur探針。一般情況下，以電感線圈的縱向中心探測(cè)的離子濃度為基準(zhǔn)，探測(cè)獲取反應(yīng)室其他位置的相對(duì)離子濃度；將相對(duì)離子濃度大于等于10%的區(qū)域，劃分為放電區(qū)；將相對(duì)離子濃度大于0且小于10%的區(qū)域，劃分為擴(kuò)散區(qū)；將相對(duì)離子濃度為0區(qū)域，劃分為遠(yuǎn)程區(qū)。使用上述兩種等離子體化學(xué)反應(yīng)裝置前，需要進(jìn)行調(diào)試和分區(qū)。具體調(diào)試方法為首先將Langmiur探針?lè)胖迷诜烹姺磻?yīng)管和自由基反應(yīng)室的交接處(實(shí)施例1)或放置在相當(dāng)放電反應(yīng)管和自由基反應(yīng)室的交接處(實(shí)施例2),開(kāi)啟真空計(jì)，啟動(dòng)真空泵，預(yù)抽極限真空至10Pa以內(nèi)；接著，打開(kāi)質(zhì)量流量計(jì)，開(kāi)啟進(jìn)氣閥門(mén)，通入氣體，調(diào)整流量，保持氣流穩(wěn)定，氣壓為20-40Pa，清洗并排出放電反應(yīng)管、自由基反應(yīng)室和管路中的殘余空氣2min;然后，啟動(dòng)射頻電源放電產(chǎn)生輝光，形成等離子體，調(diào)整射頻電源輸出功率，直到Langmiur探針探測(cè)到離子時(shí)，反向調(diào)低射頻電源輸出功率，直到Langmiur探針探測(cè)到離子濃度恰好為零時(shí)，停止調(diào)整；最后，記錄上述調(diào)試數(shù)據(jù)。在上述調(diào)試方法中，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程區(qū)的劃分，需要?jiǎng)澐址烹妳^(qū)和擴(kuò)散區(qū)位置，首先，將Langmiur探針?lè)胖迷陔姼芯€圈的縱向中心與放電反應(yīng)管對(duì)應(yīng)的位置，按照上述調(diào)試數(shù)據(jù)，啟動(dòng)等離子體化學(xué)反應(yīng)裝置，獲取基準(zhǔn)離子濃度；然后，確定放電區(qū)和擴(kuò)散區(qū)的分界位置的離子濃度，例如分界位置的離子濃度為基準(zhǔn)離子濃度的10%;最后，移動(dòng)Langmiur探針位置，按照上述調(diào)試數(shù)據(jù)，啟動(dòng)等離子體化學(xué)反應(yīng)裝置，逐次尋找放電區(qū)和擴(kuò)散區(qū)的分界位置，并在放電反應(yīng)管外標(biāo)識(shí)。參照?qǐng)D3，發(fā)明人以實(shí)施例2所述的等離子體化學(xué)反應(yīng)裝置為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)研究，得到等離子體(Ar、02、N2)離子濃度隨著軸向位置的變化規(guī)律，即無(wú)論何種等離子體，在同一功率，離子濃度隨軸向距離的增大迅速降低，30cm(電感線圈的縱向中心與放電反應(yīng)管對(duì)應(yīng)的位置為0cm,軸向方向同氣體流向)后趨近于0。同時(shí)，發(fā)明人對(duì)30cm后的區(qū)域，采用ESR法測(cè)定其等離子體中的自由基的濃度，發(fā)現(xiàn)自由基濃度隨軸向距離的增大而降低。氧等離子體中自由基濃度降低較快，氬等離子體次之，最后是氮等離子體，但在40cm處自由基相對(duì)濃度(以電感線圈的縱向中心與放電反應(yīng)管對(duì)應(yīng)的位置的自由基濃度為基準(zhǔn))都在70%以上，而且自由基的純度很高。因此，40cm以后的區(qū)域可作為自由基區(qū)域，即遠(yuǎn)程區(qū)。下面為發(fā)明人所作的兩個(gè)具體實(shí)驗(yàn)例，可以直觀表明等離子體的分區(qū)情況。實(shí)驗(yàn)例1:<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>實(shí)驗(yàn)例2:抽真空到7.4Pa時(shí)開(kāi)始進(jìn)氧氣，流量30cm7min，放電時(shí)氣壓32Pa:<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>權(quán)利要求1、一種等離子體化學(xué)反應(yīng)裝置，包括真空泵(11)、放電反應(yīng)管(6)、纏繞在放電反應(yīng)管(6)的進(jìn)口管段上的電感線圈(5)，電連接所述電感線圈(5)的射頻電源(12)，與放電反應(yīng)管(6)的進(jìn)口連通的儲(chǔ)氣罐(1)，其特征在于，還包括作為遠(yuǎn)程區(qū)的自由基反應(yīng)室(8)，所述自由基反應(yīng)室(8)的出口與真空泵(11)連通，其進(jìn)口與放電反應(yīng)管(6)的出口連通，所述放電反應(yīng)管(6)靠近進(jìn)口的管段為放電區(qū)，靠近出口的管段為擴(kuò)散區(qū)。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種等離子體化學(xué)反應(yīng)裝置，其特征在于，所述放電反應(yīng)管(6)和自由基反應(yīng)室(8)為一個(gè)整體管段。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種等離子體化學(xué)反應(yīng)裝置，其特征在于，所述放電反應(yīng)管(6)的進(jìn)口通過(guò)流量計(jì)(3)連通儲(chǔ)氣罐(1)。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種等離子體化學(xué)反應(yīng)裝置，其特征在于，所述自由基反應(yīng)室(8)設(shè)置有真空計(jì)(9)。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種等離子體化學(xué)反應(yīng)裝置，其特征在于，所述放電反應(yīng)管(6)的半徑R為l3cm，長(zhǎng)徑比L/R為3050。6、根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種等離子體化學(xué)反應(yīng)裝置，其特征在于，所述放電反應(yīng)管(6)為硬質(zhì)派勒斯玻璃管或石英玻璃管。7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種等離子體化學(xué)反應(yīng)裝置，其特征在于，所述放電反應(yīng)管(6)放電時(shí)的氣壓為2040Pa。8、根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種等離子體化學(xué)反應(yīng)裝置，其特征在于，所述放電反應(yīng)管(6)的進(jìn)口處設(shè)置有折流板(4)。全文摘要本發(fā)明涉及等離子體化學(xué)領(lǐng)域，公開(kāi)了一種等離子體化學(xué)反應(yīng)裝置。它包括真空泵(11)、放電反應(yīng)管(6)、纏繞在放電反應(yīng)管(6)的進(jìn)口管段上的電感線圈(5)，電連接所述電感線圈(5)的射頻電源(12)，與放電反應(yīng)管(6)的進(jìn)口連通的儲(chǔ)氣罐(1)，其特征在于，還包括作為遠(yuǎn)程區(qū)的自由基反應(yīng)室(8)，所述自由基反應(yīng)室(8)的出口與真空泵(11)連通，其進(jìn)口與放電反應(yīng)管(6)的出口連通，所述放電反應(yīng)管(6)靠近進(jìn)口的管段為放電區(qū)，靠近出口的管段為擴(kuò)散區(qū)。文檔編號(hào)B01J19/08GK101530777SQ20091002140公開(kāi)日2009年9月16日申請(qǐng)日期2009年3月6日優(yōu)先權(quán)日2009年3月6日發(fā)明者陳杰瑢申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)