Brevet FR2677209A1 — publié le 19921204

La présente invention concerne l'industrie textile et a notamment pour objet un procédé de traitement d'un substrat en mouvement (bandes d'étoffe, chaîne) par un plasma de décharge électrique ainsi qu'un dispositif pour la réalisation de ce procédé L'invention peut être utilisée avec beaucoup de succès dans le traitement de matériaux textiles de grande longueur ainsi que dans d'autres branches de l'industrie, pour le traitement des pellicules ou des cuirs naturels et artificiels. On connaît un procédé de traitement d'un substrat en mouvement par un plasma de décharge électrique consistant à faire passer le substrat, par exemple une bande d'étoffe en mouvement, à travers un plasma créé entre des potentiels de différentes polarités, le flux de plasma étant toujours dirigé perpendiculairement à la direction du déplacement du substrat (USA 3632299). Cette direction de déplacement du substrat à travers le flux de plasma entraîne une instabilité du traitement des produits textiles du fait des propriétés électriques instables et anisotropes du tissu lui-même, il en résulte donc une variation importante des caractéristiques du plasma lors du mouvement du substrat car ce dernier, en se déplaçant dans l'espace entre les électrodes, détériore le couplage électrique entre elles. On connaît également un procédé de traitement d'un substrat en mouvement par un plasma de décharge électrique consistant à faire passer le substrat qui se déplace en permanence sous vide, en boucles, à travers plusieurs zones de traitement par un flux de plasma, de préférence parallèlement à la direction du mouvement du substrat (USA 3959104) Dans ces deux conditions, le flux de plasma est continu dans chaque zone de traitement Lorsque le plasma est continu et représente un flux parallèle à la direction du mouvement du substrat, les caractéristiques électriques du substrat n'influent plus sur les caractéristiques du plasma, ce dernier est maintenu stable Or, sous l'action du plasma, la surface du substrat commence à dégager des produits de décomposition qui sont difficiles à évacuer vu la grande raréfaction dans la chambre, et ces produits enveloppent le substrat dans toute la zone de traitement, modifiant la composition chimique du gaz plasmagène directement dans la zone de traitement La modification de la composition chimique du plasma entraîne le ralentissement des réactions et la dégradation du processus technologique de traitement. Le procédé ci-dessus est réalisé à l'aide d'un dispositif qui comporte un réacteur ou réservoir doté de systèmes d'évacuation et d'un moyen d'amenée d'un gaz plasmagène sous la forme d'un conduit qui relie le réacteur à une source de gaz plasmagène, une source de courant électrique et un système d'électrodes tubulaires qui sont électriquement couplées à cette source et qui sont montées consécutivement les unes après les autres dans le réacteur, en rangées parallèles, le long de la direction du mouvement du substrat à traiter Les électrodes en rangées forment les zones de traitement du substrat au moyen du flux de plasma créé entre les électrodes de différentes polarités formant des paires d'électrodes Les électrodes sont montées en rangées verticales de façon que leurs polarités s'alternent, les flux de plasma étant continus sur la longueur de chaque zone L'alternance monotone des polarités des électrodes dans chaque zone de traitement crée un flux continu de plasma généré en interdisant l'arrivée, vers la surface du substrat en mouvement, du gaz plasmagène, et il en résulte une accumulation, près de la surface, des produits de décomposition qui changent la composition chimique du plasma en provoquant une dégradation du processus technologique de traitement Cependant, la mise en place d'un quelconque corps étranger favorisant l'évacuation des produits de décomposition de la surface du substrat, dans l'espace entre les électrodes de différentes polarités, provoque une irrégularité de la décharge et une instabilité des flux de plasma. L'invention a pour but de fournir un procédé de traitement d'un substrat en mouvement au moyen d'un plasma de décharge électrique ainsi qu'un dispositif pour sa réalisation, o les zones créées pour le traitement par des flux de plasma interdisent l'influence des produits de décomposition qui se forment, sur la composition chimique du plasma, ce qui permet d'augmenter l'efficacité du traitement, d'obtenir la qualité prédéterminée de traitement du substrat et d'augmenter le rendement du traitement. Le problème posé est résolu du fait que, dans un procédé de traitement d'un substrat en mouvement par un plasma de décharge électrique consistant à provoquer un déplacement du substrat en mouvement sous vide en boucles à travers plusieurs zones de traitement par des flux de plasma, dans chacune desquelles les flux de plasma sont parallèles au substrat, selon l'invention, dans chaque zone de traitement est crée un flux de plasma sous la forme de tronçons séparés et dans les intervalles entre les tronçons de plasma qui sont séparés est introduit un gaz plasmagène qui est dirigé vers la surface du substrat en mouvement. Il est rationnel de créer les intervalles entre les tronçons voisins de plasma au moyen de potentiels électriques de même valeur et de même polarité pour les électrodes utilisées pour la formation des tronçons voisins du flux de plasma. La création, dans chaque zone de traitement, de tronçons séparés de plasma a permis l'introduction, dans l'espace entre ces tronçons, du gaz plasmagène directement vers la surface du substrat en mouvement sans nuire au processus de génération et de maintien du plasma Dans ces conditions, le gaz plasmagène chasse (on peut dire "lave"), de la surface à traiter du substrat, les produits de décomposition La composition chimique du plasma dans la zone o il réagit avec la substance solide du substrat se trouve optimisée et la réaction se déroule avec une meilleure qualité et plus rapidement Le fait que des tronçons voisins du plasma soient délimités par des potentiels électriques égaux en valeurs et de même polarité, pour un intervalle donné, dans une décharge en lueur avec un courant parallèle au substrat, favorise l'isolement des zones o la décharge est absente et prévient la destabilisation du plasma. Le procédé proposé est réalisé dans une installation comportant un réacteur ou réservoir doté d'un système d'évacuation et d'un moyen d'amenée du gaz plasmagène, un système de transport du substrat à traiter, une source de courant et un système d'électrodes tubulaires électriquement couplées à cette dernière source et qui sont montées dans le réacteur en rangées parallèles le long de la direction du mouvement du substrat à traiter en formant des zones de traitement sous la forme de flux de plasma qui se créent entre les électrodes de différentes polarités pour former des paires d'électrodes et dans l'installation selon l'invention, dans chaque zone de traitement, les paires d'électrodes sont montées avec formation entre elles d'intervalles de façon que n'importe quelles paires voisines soient orientées l'une vers l'autre par les électrodes de même polarité et le moyen d'amenée du gaz plasmagène comporte des buses qui sont montées dans les intervalles entre les électrodes de même polarité de paires d'électrodes adjacentes. Une telle exécution constructive du dispositif permet non seulement de réaliser le procédé proposé, mais également d'utiliser le gaz plasmagène strictement dans le but visé, ce qui augmente l'efficacité du traitement et réduit le temps et les dépenses pour ce traitement. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention, et dans lesquels: la figure 1 montre un schéma de principe du dispositif pour le traitement d'un substrat en mouvement au moyen d'un plasma de décharge électrique selon la présente invention; et la figure 2 montre la partie A de la figure 1, en vue agrandie. Le procédé de traitement d'un substrat en mouvement par un plasma de décharge électrique est réalisé comme suit. On fait passer un substrat B qui défile, par exemple, un tissu textile, en boucles, comme cela est montré la figure 1, à travers plusieurs zones C de traitement par des flux de plasma Dans chaque zone C de traitement, sont créés des flux de plasma qui sont parallèles au substrat B en mouvement, au moyen d'une décharge électrique dans un gaz plasmagène entre des électrodes de différentes polarités, en formant des flux de plasma sous la forme de tronçons séparés D avec formation d'intervalles entre les tronçons D Les tronçons de plasma D sont placés en travers du mouvement du substrat sur toute sa largeur Les frontières de tronçons voisins D, ou bien les intervalles les séparant, sont formés par les potentiels égaux en valeur et de même polarité des électrodes servant à la formation des tronçons voisins D des flux de plasma Dans le cas de l'utilisation d'un courant alternatif, les potentiels des o frontières alternent en phase avec ce courant Dans les intervalles formés, le gaz plasmagène est soufflé sous un angle aigu à la surface du substrat (ce gaz peut être de l'oxygène, de l'air, de l'azote, de l'argon et autres) en fonction du type du traitement, qui maintient la composition prédéterminée du plasma En se déplaçant dans de telles conditions, le substrat est soumis à un traitement par un plasma ayant la composition requise Les produits de décomposition, chassés en permanence par le gaz plasmagène, de la surface du substrat, sont évacués à l'aide d'une pompe à vide à action continue Ainsi, le traitement du substrat s'effectue dans un plasma pur, ce qui permet d'obtenir des effets plus amples du traitement au plasma et d'accélérer ce processus. Etant donné que le gaz plasmagène est introduit dans les intervalles o, grâce aux potentiels homonymes et égaux, il y a des limites nettes de chaque tronçon D et il n'y a pas de courant de décharge, il n'y a aucune condition d'apparition de situations caractérisées par le risque d'un décrochage de la génération du plasma ou de son instabilité Le plasma entre les potentiels des électrodes de chaque tronçon est maintenu stable et conserve sa composition chimique et le gaz plasmagène a le temps, avant d'atteindre la zone de décharge, de s'équilibrer en flux et sur la surface du substrat et lors de son mouvement, de chasser, de cette surface, les produits de décomposition. Dans les exemples donnés ci-dessous, le procédé proposé a été réalisé en tenant compte des paramètres suivants: pression du gaz plasmagène: 80 à 90 Pa quantité de gaz plasmagène introduit: 100 cm 3/s. Les systèmes de génération du plasma comprenent des électrodes tubulaires d'un diamètre de 40 mm et d'une longueur de 1600 mm, disposées sur la largeur du substrat en formant des rangées verticales entre lesquelles le substrat passe en boucles, ce qui permet d'effectuer un traitement de surface des deux côtés, la distance horizontale entre les axes des électrodes étant égale à 80 mm et verticalement à 110 mm; le courant électrique appliqué aux systèmes d'électrodes est égal à 52 A, la tension entre les électrodes étant comprise entre 480 et 540 V, c'est-à-dire que la puissance appliquée est de 25 à 28 k V. Exemple 1. Un tissu pure laine d'une densité superficielle de 118 g/mr 2, en chaîne et en trame, ayant 95 % de laine et % de polyamide (fibres) et une largeur de 142 t 2 cm est soumis au traitement au plasma Ce traitement a pour but de diminuer sa propriété de feutrage (de lui conférer une résistance au feutrage) Le gaz plasmagène est formé d'air L'humidité de départ du tissu est de 2 % Le traitement est effectué en deux versions: selon le procédé de l'invention, avec introduction d'air dans les intervalles entre les tronçons de plasma; selon le procédé antérieur le plus proche de l'invention, l'air étant amené dans le réacteur par la méthode ordinaire, c'est-à-dire directement à l'intérieur du réacteur? tandis que le plasma est généré dans les zones de traitement en continu (sans interruption) La puissances et les cotes d'encombrement des systèmes d'électrodes sont les mêmes pour les deux procédés En résultat, le temps optimal de traitement est, pour la première version, du procédé, de 5,6 s, tandis que pour la seconde version, il est de 7,60 s Ainsi, l'efficacité est augmentée de 1,502 fois Le temps optimal de traitement indique le temps pendant lequel le rétrécissement dû au feutrage est minimum; dans l'exemple donné, lorsque l'on a utilisé le procédé selon l'invention, le rétrécissement était de 6,5 % de la superficie alors que le rétrécissement au feutrage du tissu de départ, non traité, était de 38 %. Exemple 2. Un tissu mi-laine, ayant une densité superficielle comprise entre 203 et 210 g/m 2, une largeur égale à 142 + 2 cm, en chaîne et en trame, formé de 35 % de laine, 54 % de viscose et 11 % de polyamide, est soumis à un traitement au plasma; l'humidité de départ est 2,3 %; le traitement est un traitement antifeutrage; le gaz plamagène et l'air; le traitement est effectué selon les deux versions précédemment mentionnées avec pour résultat un temps de traitement en première version de 4,9 s, en seconde version de 7,31 s L'efficacité est augmentée de 1,495 fois Le rétrécissement dû au feutrage, selon la première version est de 9,2 % et selon la seconde version, il est de 9,4 % (pour le tissu de départ, le rétrécissement dû au feutrage est de 55 %). Exemple 3. Un tissu mi-laine ayant une densité de surface de 152 à 158 g/m 2, une largeur de 142 2 cm, formé en chaîne et en trame de laine à 65 % et de viscose à 35 %, est soumis à un traitement au plasma; l'humidité de départ est de 2,1 %. Le traitement est un traitement antifeutrage et, en partie, d'hydrophylation Le gaz plasmagène est l'oxygène. La durée de traitement pour la première version, selon l'invention est de 6,51 S et pour la seconde version, elle est de 11,8 s L'efficacité augmente de 1,810 fois. Exemple 4. Le matériau à traiter est un non-tissé élaboré sur machine tricoteusecouture à partir de blousse de laine et de laine régénérée du type "ouatine de couture" avec une feutrage du matériau de départ est de 60 %; le traitement d'antifeutrage est effectué selon l'exemple 1. Les résultats sont, pour la première version, un rétrécissement dû au feutrage de 10,3 % et pour la seconde version, de 16 %. Exemple 5. Le matériau à traiter est un tissu fluoré laqué en plastique fluoré; le régime de traitement est identique à l'exemple 1; le temps de traitement pour la première version est de 1 s, pour la seconde version, il est de 8 s Selon le procédé de l'art antérieur, l'angle au mouillage varie de 1020 à 90-920 et selon le procédé de l'invention il varie jusqu'à 67- 700 L'effort de séparation en couches des deux bandelettes de tissu traité augmente d'une valeur de départ égale à 0,01 kgf/cm jusqu'à des valeurs qui sont respectivement de 0,16 et 24 kgf/cm. Exemple 6. Le matériau traité est un tissu de coton dont la capillarité de départ est égale à zéro (tissu brut) Le gaz plasmagène est de l'oxygène Le temps de traitement est égal à 30 s Après le traitement, la capillarité du tissu traité selon le procédé antérieur est de 123 mm/h, et selon l'invention, elle est de 151 mm/h. Exemple 7. Le matériau traité est un support technique en polyester; le gaz plasmagène est de l'azote Après le traitement, un caoutchoutage du support est effectué puis on mesure la force d'adhérence du caoutchouc au support. L'augmentation de la force d'adhérence du matériau traité selon le procédé de l'invention par rapport à la même force par le procédé de l'art antérieur est de 2,1 fois. Ainsi, le traitement selon la présente invention pour des tissus de différents types, est de beaucoup plus efficace grâce à la suppression de l'envelope gazeuse parasite constituée des gaz de décomposition L'effet est universel pour tous les substrats et toutes les technologies, sauf ceux nécessitant justement un traitement au plasma de gaz de décomposition. Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus pour le traitement d'un substrat en mouvement au moyen d'un plasma de décharge électrique comporte un réacteur à vide 1 doté d'un système d'évacuation 2 et d'un moyen 3 d'amenée d'un gaz plasmagène, une source de courant électrique 4 (générateur électrique à fréquence acoustique) et un système d'électrodes tubulaires 5, 6, 7, 8, 9, 10 (les électrodes d'une seule rangée sont repérées) Les électrodes sont montées dans le réacteur 1 consécutivement les unes après les autres en rangées parallèles le long de la direction du mouvement du substrat B Les rangées passent verticalement La première rangée sur le trajet du substrat B se compose des électrodes 5, 6, 7, 8, 9, 10. Après cette rangée il y a une deuxième rangée d'électrodes et ainsi de suite, formant des zones C de traitement. Toutes les électrodes sont électriquement couplées en deux groupes lia et 11 b, électriquement isolés l'un de l'autre, l'un des groupes étant raccordé au pôle positif et l'autre au pôle négatif de la source de courant 4 Dans le réacteur 1 est également monté un système de transport du substrat B à traiter, constitué de galets 12 tournant librement, animés d'un mouvement par le substrat lui-même qui est déroulé du rouleau 13 et enroulé sur le rouleau 14, lesquels sont disposés dans le réacteur de chaque côté de la zone de traitement, comme cela est représenté à la figure 1. Les électrodes appartenant aux groupes lia et llb de chaque zone C de traitement sont montées par paires: et 6, 7 et 8, 9 et 10, chaque paire étant constituée des électrodes de différente polarité, c'est-à-dire qu'elles 1 1 sont raccordées à différents pôles de la source de courant 4, ainsi les électrodes 5, 8, 9 sont raccordées, par exemple, au pôle positif et les électrodes 6, 7, 10 au pôle négatif ce qui assure un maintien stable du plasma. Dans chaque zone de traitement C, les paires d'électrodes sont montées de façon que n'importe quelles paires adjacentes soient orientées l'une vers l'autre par les électrodes de polarité homonyme et en résultat, le plasma dans chaque zone de traitement C est généré sur des tronçons séparés D et entre les tronçons voisins de plasma sont formés des intervalles 15 sans plasma. Le moyen 3 pour l'amenée du gaz plasmagène comporte des buses 16, qui sont montées dans les intervalles 15 entre les électrodes de même polarité de paires adjacentes d'électrodes dans chaque zone de traitement C La figure 2 montre une buse 16 constituée d'un tube 17 ayant des perforations 18 dans sa partie basse, et d'une cornière 19 La cornière 19 forme avec le tube 17, des deux côtés, des espacements 20 et 21 Ces espacements 20 et 21 Ces espacements 20 et 21 sont très petits et servent d'appareil de direction de la buse La présence des espacements 20 et 21 rend inutile le perçage de très fines perforations 18 dans le tube 17 Les lignes 22 montrent la direction du courant électrique dans le plasma et les lignes 23 montrent les flux de gaz plasmagène amené au substrat à traiter B L'angle entre la direction du mouvement du substrat B et la ligne montrant la direction du flux de gaz peut avoir n'importe quelle valeur, par exemple 1350 ou 450 sauf les valeurs comprises entre 60 et 1200 (les angles de pente raide d'incidence du jet de gaz sur le plasma) Tous les angles, sauf ceux ci- dessus mentionnés, sont admissibles car dans le cas contraire, la consommation du gaz plasmagène et les pertes de ce gaz dans le volume du réacteur subiraient une croissance importante. En tant que source de gaz plamagène 24, que l'on peut voir à la figure 1, on peut utiliser une bouteille contenant l'un des gaz nommés ou bien une prise d'air. Le dispositif fonctionne de la façon suivante. Le matériau à traiter, le substrat B (un tissu, un non tissé, un film etc) est déroulé, par le système de transport, du rouleau 13 pour être enroulé sur le rouleau 14 Le substrat B passe alors, en formant des boucles, à travers les zones de traitement C, entre les rangées d'électrodes 5 à 10 Le réacteur 1 est étanche, le système d'évacuation y maintient un vide de l'ordre de 100 Pa. La source 4 de courant applique aux électrodes 5 à une tension électrique à la fréquence acoustique Entre des électrodes voisines appartenant à des groupes différents lia et 1 lb apparaît une décharge en lueur (montrée sur la figure par des lignes en pointillé qui partent des électrodes) engendrant des flux de plasma en tronçons séparés D Lors de l'action du plasma sur le substrat B, il se produit un traitement d'un type quelconque en fonction du gaz plasmagène utilisé Le traitement au plasma d'un substrat solide provoque un fort dégagement, par celui-ci, de gaz de décompostion (oxydes, vapeurs d'eau, produits de décomposition de pigments etc) qui enveloppent la surface du substrat et empêchent le traitement requis au plasma Pour que cela ne se produise pas, le gaz plasmagène, à partir de la source 24 du moyen 3, est amené aux buses 16, d'o il est dirigé directement vers le substrat en chassant les gaz de décomposition et en les remplaçant Les buses 16 sont montées dans les intervalles 15 entre les électrodes d'un même groupe, c'est-à-dire d'une même polarité, grâce à quoi ni les buses ni les gaz s'écoulant de celles-ci, ne provoquent de décrochage de la décharge étant donné qu'entre les électrodes d'un même groupe il n'y a pas de différence de potentiel et donc pas de décharge. Ainsi, le traitement du substrat est effectué dans le milieu de plasma du gaz plasmagène pur, et la consommation de ce dernier est minimale Cela améliore la qualité du traitement, cela réduit la durée du traitement, et cela permet de réduire les dépenses du gaz plasmagène, abaissant respectivement le coût du traitement du substrat. L'emploi de la présente invention permet de réduire sensiblement les cotes d'encombrement du système d'électrodes des réacteurs chimiques au plasma, d'augmenter leurs performances économiques et ouvre le chemin à la création de dispositifs de petit encombrement à un seul réacteur, o les rouleaux de tissus à traiter sont placés au voisinage de systèmes d'électrodes. R E V E N D I C A T I O N S 1 Procédé de traitement d'un substrat au moyen d'un plasma de décharge électrique du type ou on déplace en boucles le substrat en un mouvement continu à travers plusieurs zones de traitement au flux de plasma, dans chacune desquelles sont créés des flux de plasma qui sont parallèles au substrat en mouvement, caractérisé en ce que dans chaque zone (C) de traitement sont créés des flux de plasma sous la forme de tronçons séparés de plasma (D), entre lesquels se forment des intervalles ( 15) et dans lu lesdits intervalles ( 15) entre des tronçons de plasma (D) voisins est amené un gaz plasmagène qui est dirigé directement vers la surface du substrat (B). 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les intervalles ( 15) entre des tronçons (D) de plasma voisins sont créés à l'aide de potentiels électriques égaux en valeur et de même polarité des électrodes utilisées pour la génération du flux de plasma aux tronçons voisins (D). 3 Dispositif pour la réalisation du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, du type comportant un réacteur doté d'un système d'évacuation et d'un moyen d'amenée du gaz plasmagène, un système pour le déplacement du substrat à traiter, une source de courant et un système d'électrodes tubulaires électriquement couplées à cette dernière source et montées dans le réacteur en rangées parallèles le long de la direction du mouvement du substrat à traiter en formant des zones de traitement des flux de plasma générés entre les électrodes formant des paires de différentes polarités, caractérisé en ce que dans chaque zone de traitement (C), des paires d'électrodes ( 5 et 6, 7 et 8, 9 et 10) sont montées avec formation d'intervalles ( 15) entre elles et de façon que n'importe quelles paires d'électrodes voisines soient orientées l'une vers l'autre par les électrodes de polarité homonyme et que le moyen d'amenée du gaz plasmagène ( 3) comporte des buses ( 16) qui sont montées dans les intervalles ( 15) entre les électrodes de même polarité de paires adjacentes d'électrodes.