ПЛАЗМЕННАЯ ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ БАРЬЕРНЫХ РАЗРЯДОВ
PLASMA TREATMENT OF SURFACE USING DIELECTRIC BARRIER DISCHARGES

Область техники, к которой относится изобретение
[0002] Настоящее изобретение относится к плазменной обработке поверхности микро- и наночастиц с помощью диэлектрических барьерных разрядов. Более конкретно, но не исключительно, настоящее изобретение относится к способу нанесения покрытия на микро- и наночастицы с помощью горелки диэлектрического барьерного разряда (ГДБР), работающей при атмосферных давлениях или в условиях низкого вакуума. Настоящее изобретение также относится к устройству для нанесения покрытия на микро- и наночастицы, причем устройство содержит горелку диэлектрического барьерного разряда (ГДБР), работающую при атмосферном давлении или в условиях низкого вакуума.
Предпосылки изобретения
[0003] Нанопорошки обладают уникальными физическими свойствами, которые напрямую связаны с их маленьким размером и высокой удельной площадью поверхности. Нанопорошки проявляют характерную склонность агломерироваться, приводящую к увеличению их кажущегося размера частиц. Агломерация оказывает непосредственное влияние на функциональные свойства нанопорошков, такие как их оптические и магнитные характеристики, а также каталитические и проводящие свойства.
[0004] Благодаря их высокой удельной площади поверхности нанопорошки являются очень реакционно-способными и сложными в обращении. Осаждение тонкопленочного или другого материала покрытия на внешнюю поверхность индивидуальных частиц предупреждает их агломерацию и обеспечивает безопасное обращение с ними без подвергания риску их уникальных свойств.
[0005] Выбор материала покрытия, т.е. полимерного или другого типа, обеспечивает селективный контроль над характеристиками поверхности порошка. Гидрофильность порошка может быть модифицирована, в дополнение к контролированию других присущих ему свойств, путем обработки поверхности порошка и/или путем правильного выбора материала покрытия. Стабильный пирофорный нанопорошок алюминия (легко воспламеняющийся при температуре окружающей среды) может быть создан путем нанесения тонкой полимерной пленки, покрывающей поверхность частиц. Такое покрытие обеспечивает стабильный порошок при более низких температурах, не оказывая отрицательного влияния на его высокую теплоту сгорания при более высоких температурах.
[0006] Раньше плазменную обработку поверхности использовали в качестве методики модификации поверхности для увеличения гидрофобности, гидрофильности, адгезии и устойчивости к коррозии большого количества подложек, включая полимерные пленки. Также она нашла широкое применение при чистке и травлении.
[0007] Были разработаны методики плазменного осаждения и плазменной полимеризации для нанесения тонких покрытий, например, полимерных пленок, на множество разнообразных подложек. Большинство этих методик работают при довольно низких давлениях (меньше чем 100 Па).
2
[0008] Ранее сообщалось, что покрытие тонкой пленкой изменяет свойства поверхности нанопорошков, уменьшая их агломерацию и улучшая их дисперсионные характеристики. О покрытии нанопорошков (~130 нм) диоксида циркония (ZrO) пленкой полиэтилена, используя высокочастотную (ВЧ) плазменную горелку (27 МГц), работающую при низком давлении (30 Па), сообщалось Хе (He) и др. (1).
2
3
[0009] О покрытии наночастиц (~10-150 нм) глинозема (AlO) пленкой полипиррола, используя высокочастотную (ВЧ) плазменную горелку (13,56 МГц), работающую при низком давлении (25 Па), сообщалось Shi и др. (2). Тонкую пленку полипиррола осаждали при мощности разряда в 10 Вт. Для введения нанопорошка глинозема использовали псевдоожиженный слой, находящийся под вакуумом (0,16 г/мин). Также Shi и др. сообщали об осаждении пленки полистирола на наноуглеродные трубки, используя подобный способ (3).
2
3
2
3
[0010] О покрытии наночастиц глинозема (AlO) полимерным слоем на основе этана с толщиной примерно 1,5 нм, используя высокочастотную (ВЧ) плазменную горелку (13,56 МГц), работающую при низком давлении (1 кПа), сообщалось Schallehn и др. (4). Покрытые наночастицы глинозема (AlO) получали со скоростью 0,5-1 г/ч и с выходами примерно 40%.
2
2
3
2
3
2
2
2
3
[0011] О микроволновой (МВ) плазменной горелке, работающей на высокой частоте (2,45 ГГц) и при низком давлении (1-5 кПа), для нанесения покрытия на нанопорошки оксидов, таких как диоксид циркония (ZrO), глинозем (AlO), оксид вольфрама (WO, WO), оксид гафния (HfO), оксид олова (SnO, SnO) и оксид железа (FeO), сообщалось Vollath и др. (5, 6). Покрытие пленкой достигали, используя метилметакрилат в качестве предшественника полимера. Мономер вводили на выходе разряда плазменной горелки и полимеризовали под действием УФ-излучения, испускаемого от плазмы.
2
4
[0012] О получении и покрытии наночастиц серебра полимерным слоем, используя МВ плазменную горелку, работающую на высокой частоте (2,45 ГГц) и при низком давлении, сообщалось Lik Hang Chau и др. (7). Тем же автором также сообщалось о получении и покрытии наночастиц кобальта слоем карбида кремния, используя МВ плазменную горелку (8). CoCl и SiCl/гексан были предшественниками соответственно для получения и нанесения покрытия.
[0013] Покрытие порошков мелкодисперсного кремнезема в диапазоне размеров от 30-80 нм, используя емкостную плазменную горелку (13,6 МГц), работающую при низком давлении (1-5 кПа), описано Kouprine и др. (9). Мощность плазменного разряда устанавливали на уровне 700-1500 Вт, а плазменный газ состоял из смеси аргона и метана или этана. Для введения подаваемого материала в виде порошка кремнезема использовали псевдоожиженный слой.
2
[0014] О синтезе и покрытии углеродом наночастиц железа с помощью лазерного пиролиза, используя CO лазер непрерывного действия, работающий при установленной мощности 120 Вт, длине волны (λ) 10,6 микрометра и давлении 700 мбар, сообщалось Dumitrache и др. (10). Карбонил железа и ацетилен были предшественниками соответственно при синтезе и покрытии порошка.
[0015] О синтезе и покрытии углеродом частиц алюминия, используя плазменную горелку дугового разряда постоянного тока (1-50 В; 30-150 А), работающую при атмосферном давлении, сообщалось Ermoline и др. (11). Как сообщалось, катод состоял из меди, в то время как анод состоял из расходуемого алюминиевого прутка. Абляцию анода проводили в импульсном режиме с получением покрытых частиц наноалюминия. Покрытие углеродом достигали, используя природный газ.
[0016] О покрытии пористых гранулированных частиц кремнезема (~150 мкм) тонкой пленкой полимеризованного в плазме тетрафторэтилена (TFE), используя тлеющий разряд атмосферного давления (APGD) в специально сконструированной горелке плазменного разряда (15 кГц; 100 кПа; 10 Вт), сообщалось Sawada и др. (12). Плазменный подаваемый газ состоял из гелия и TFE (1%). Сообщалось, что частицы кремнезема рециркулировали несколько раз через область плазмы.
in situ
[0017] О покрытии углеродом наночастиц меди, используя ДБР-горелку, работающую при атмосферном давлении, сообщалось Lei и др. (13). Наночастицы меди получали, используя метод потоковой левитации, при котором медную проволоку нагревали высокочастотными электромагнитными катушками. Полученные наночастицы меди впоследствии покрывали углеродом  с помощью ДБР-горелки, использующей аргон, водород и метан и работающей при атмосферном давлении.
[0018] Bretagnol и др. (19) изучили модификацию поверхности порошка полиэтилена низкой плотности (ПЭНП) в ВЧ плазме низкого давления, работая при 13,56 МГц и используя азот и аммиак в качестве технологического газа. Этот порошок рециркулировали в реактор с псевдоожиженным слоем. Были необходимы времена пребывания порядка 300 секунд для изменения смачиваемости частиц.
[0019] Порошки полиэтилена также обрабатывали так, как описано Leroy и др. (20). Плазменный разряд сопрягали с реактором с псевдоожиженным слоем и обрабатывали порошок в области послесвечения плазмы. Технологический газ представлял собой смесь кислорода и азота. Использовали микроволновую плазму с частотой 2450 МГц и работали при низких давлениях от 0,1 до 20 мбар.
[0020] Настоящее изобретение ссылается на ряд документов, содержание которых включено сюда путем ссылки во всей их полноте.
Сущность изобретения
[0021] Настоящее изобретение относится к способу получения микро- и/или наночастиц с обработанной поверхностью. В одном варианте осуществления настоящее изобретение относится к способу получения микро- и/или наночастиц с обработанной поверхностью, используя горелку диэлектрического барьерного разряда, работающую при атмосферных давлениях или в условиях низкого вакуума. В типичном варианте осуществления обработки поверхности настоящее изобретение относится к способу, в котором химию поверхности микро- и/или наночастиц модифицируют посредством реакции с плазменным разрядом. В еще одном типичном варианте осуществления обработки поверхности настоящее изобретение относится к способу, в котором химию поверхности микро- и/или наночастиц модифицируют посредством осаждения материала покрытия.
[0022] В одном варианте осуществления настоящее изобретение относится к способу получения покрытых микро- и наночастиц, в котором можно преимущественно контролировать толщину нанесенного покрытия (т.е. пленки). Толщина покрытия обычно находится в диапазоне от менее одного нанометра до сотен нанометров.
[0023] Более конкретно, как широко заявлено, настоящее изобретение относится к способу обработки поверхности частиц порошка посредством горелки диэлектрического барьерного разряда, работающей при атмосферных давлениях или в условиях низкого вакуума, содержащему: (а) введение порошкового подаваемого материала в горелку диэлектрического барьерного разряда; (b) модифицирование химии поверхности порошкового подаваемого материала посредством реакции с плазменным разрядом; и (c) сбор частиц с обработанной поверхностью.
[0024] Более конкретно, как широко заявлено, настоящее изобретение относится к способу обработки поверхности частиц порошка, содержащему (а) подачу порошкового материала в виде частиц в горелку диэлектрического барьерного разряда в сборе; (b) модифицирование в полете свойств поверхности частиц в горелке диэлектрического барьерного разряда с получением частиц с обработанной поверхностью; и (c) сбор частиц с обработанной поверхностью. В варианте осуществления настоящего изобретения модифицирование в полете содержит реагирование поверхности частиц с плазменным разрядом. В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения модифицирование в полете содержит генерирование материала покрытия посредством инжекции предшественника материала покрытия в горелку диэлектрического барьерного разряда в сборе и осаждение материала покрытия на поверхность частиц, с получением покрытых частиц.
[0025] Более конкретно, как широко заявлено, настоящее изобретение относится к способу обработки поверхности частиц порошка посредством горелки диэлектрического барьерного разряда, работающей при атмосферных давлениях или в условиях низкого вакуума, содержащему: (а) введение порошкового подаваемого материала в горелку диэлектрического барьерного разряда; (b) введение по меньшей мере одного обрабатывающего поверхность материала в горелку диэлектрического барьерного разряда, причем этот материал дает частицы порошка с обработанной поверхностью; и (c) сбор частиц с обработанной поверхностью.
[0026] Более конкретно, как широко заявлено, настоящее изобретение относится к способу обработки поверхности частиц порошка посредством горелки диэлектрического барьерного разряда, работающей при атмосферных давлениях или в условиях низкого вакуума, содержащему: (а) введение по меньшей мере одного предшественника обрабатывающего поверхность материала в горелку диэлектрического барьерного разряда с получением вещества покрытия; (b) контактирование вещества покрытия с порошковым подаваемым материалом; и (c) сбор частиц порошка с обработанной поверхностью.
[0027] Более конкретно, как широко заявлено, настоящее изобретение относится к способу обработки поверхности порошков посредством горелки диэлектрического барьерного разряда, работающей при атмосферных давлениях или в условиях низкого вакуума, содержащему: (а) введение распыленного жидкого подаваемого материала, содержащего диспергированный порошок и по меньшей мере один предшественник обрабатывающего поверхность материала, в горелку диэлектрического барьерного разряда; и (c) сбор частиц порошка с обработанной поверхностью.
[0028] В одном варианте осуществления настоящее изобретение относится к устройству, содержащему горелку диэлектрического барьерного разряда, работающую при атмосферных давлениях или в условиях низкого вакуума, для получения микро- и/или наночастиц с обработанной поверхностью.
[0029] В одном варианте осуществления настоящее изобретение относится к устройству для обработки в полете поверхности частиц порошка, содержащему:
[0030] горелку диэлектрического барьерного разряда, включающую в себя: (i) первый впуск для подачи в горелку плазменного газа; (ii) второй впуск для подачи в горелку порошкового материала в виде частиц; и (iii) разрядную камеру для обработки порошкового материала в виде частиц, причем реакционная камера содержит расположенную на ее внешней поверхности электродную структуру; и
[0031] средства для сбора частиц с обработанной поверхностью;
[0032] в котором плазменный разряд создают путем пропускания плазмообразующего газа через разрядную камеру; этот плазменный разряд вызывает модификацию в полете свойств поверхности частиц.
[0033] Настоящее изобретение также относится к микро- и/или наночастицам с обработанной поверхностью. В одном варианте осуществления настоящее изобретение относится к микро- или наночастицам, содержащим органическое покрытие. В одном варианте осуществления настоящее изобретение относится к микро- или наночастицам, содержащим неорганическое покрытие. В одном варианте осуществления настоящее изобретение относится к микро- или наночастицам, содержащим металлическое покрытие. В типичном варианте осуществления настоящее изобретение относится к микро- или наночастицам, содержащим оксидное покрытие. В еще одном типичном варианте осуществления настоящее изобретение относится к микро- или наночастицам, содержащим нитридное покрытие. В еще одном типичном варианте осуществления настоящее изобретение относится к микро- или наночастицам, содержащим карбидное покрытие.
[0034] Настоящее изобретение также относится к микро- и наночастицам, содержащим покрытие, полученное посредством горелки диэлектрического барьерного разряда, работающей при атмосферных давлениях или в условиях низкого вакуума.
[0035] Настоящее изобретение также относится к микро- и/или наночастицам с обработанной поверхностью, в которых обработка поверхности достигнута посредством горелки диэлектрического барьерного разряда, работающей при атмосферных давлениях или в условиях низкого вакуума.
[0036] Настоящее изобретение также относится к горелке диэлектрического барьерного разряда, работающей при атмосферных давлениях или в условиях низкого вакуума, для обработки поверхности микро- и/или наночастиц. В одном варианте осуществления настоящее изобретение относится к горелке диэлектрического барьерного разряда, работающей при атмосферных давлениях или в условиях низкого вакуума, для модифицирования химии поверхности микро- и/или наночастиц. В одном варианте осуществления настоящее изобретение относится к горелке диэлектрического барьерного разряда, работающей при атмосферных давлениях или в условиях низкого вакуума, для покрытия микро- и/или наночастиц органическим покрытием. В одном варианте осуществления настоящее изобретение относится к горелке диэлектрического барьерного разряда, работающей при атмосферных давлениях или в условиях низкого вакуума, для покрытия микро- и/или наночастиц неорганическим покрытием. В одном варианте осуществления настоящее изобретение относится к горелке диэлектрического барьерного разряда, работающей при атмосферных давлениях или в условиях низкого вакуума, для покрытия микро- и/или наночастиц металлическим покрытием. В одном варианте осуществления настоящее изобретение относится к горелке диэлектрического барьерного разряда, работающей при атмосферных давлениях или в условиях низкого вакуума, для получения микро- и/или наночастиц, имеющих окисленную поверхность.
[0037] Наконец, в одном варианте осуществления настоящее изобретение относится к применению горелки диэлектрического барьерного разряда для обработки в полете поверхности частиц порошка.
[0038] Вышеизложенные и другие цели, преимущества и признаки настоящего изобретения станут более ясными при чтении следующего неограничительного описания иллюстративных вариантов его осуществления, приведенных лишь в качестве примера со ссылкой на сопутствующие чертежи.
Краткое описание чертежей
[0039] На приложенных чертежах:
[0040] ФИГ. 1 (а-j) иллюстрирует блок-схемы различных конфигураций для обработки поверхности и/или покрытия микро- и наночастиц в соответствии с настоящим изобретением.
[0041] ФИГ. 2 (а-d) иллюстрирует различные конфигурации электродов для генерации диэлектрических барьерных разрядов для обработки поверхности и/или покрытия микро- и наночастиц в соответствии с настоящим изобретением; (а) концентрическая конфигурация электродов; (b) соосная конфигурация электродов; (c) конфигурация с оболочечными электродами; и (d) конфигурация с многоступенчатыми электродами в шахматном порядке.
[0042] ФИГ. 3 показывает: (а) фотографию горелки диэлектрического барьерного разряда в сборе, имеющей концентрическую конфигурацию электродов, в работе для получения микро- или наночастиц, либо содержащих и оксидный слой, либо органическое покрытие, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения; (b) схематичный вид в вертикальном разрезе горелки диэлектрического барьерного разряда в сборе в соответствии с настоящим изобретением; и (c) схематичный вид в вертикальном разрезе наконечника горелки, иллюстрирующий центральный зонд инжекции предшественника обрабатывающего поверхность или порошок материала и высоковольтный и заземленный электроды.
[0043] ФИГ. 4 показывает: (а) фотографию горелки диэлектрического барьерного разряда в сборе, имеющей конфигурацию с охлаждаемыми водой многоступенчатыми оболочечными электродами в шахматном порядке, в работе, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения; (b) иллюстрацию горелки диэлектрического барьерного разряда в сборе, имеющей конфигурацию с охлаждаемыми водой многоступенчатыми оболочечными электродами в шахматном порядке, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения; и (c) схематичный вид в вертикальном разрезе горелки диэлектрического барьерного разряда в сборе, имеющей конфигурацию с охлаждаемыми водой многоступенчатыми оболочечными электродами в шахматном порядке, иллюстрирующий различные инжекционные отверстия и каналы водяного охлаждения.
[0044] ФИГ. 5 показывает схематичный вид в вертикальном разрезе горелки диэлектрического барьерного разряда в сборе, содержащей множественные водоохлаждаемые оболочечные электроды, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. Горелка в сборе включает в себя входную секцию, содержащую пару модулей, предназначенных для зарядки микро- или наночастиц, и выходную секцию, содержащую последовательность модулей, предназначенных для нанесения покрытия на заряженные микро- или наночастицы.
[0045] ФИГ. 6 (а-c) показывает микрофотографии в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) порошка наночастиц кремнезема.
[0046] ФИГ. 7 (а-c) показывает микрофотографии в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) покрытых полиэтиленом наночастиц кремнезема, полученных с использованием горелки диэлектрического барьерного разряда в сборе в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения, показывающие по существу гомогенное полиэтиленовое покрытие, имеющее толщину примерно 10 нм.
[0047] ФИГ. 8 (а-b) показывает микрофотографии в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) покрытых полиизопреном наночастиц кремнезема, полученных с использованием горелки диэлектрического барьерного разряда в сборе в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения, показывающие по существу гомогенное полиизопреновое покрытие, имеющее толщину примерно 5 нм.
[0048] ФИГ. 9 (а-b) показывает микрофотографии в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) покрытых полибутадиеном наночастиц кремнезема, полученных с использованием горелки диэлектрического барьерного разряда в сборе в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения, показывающие по существу гомогенное полибутадиеновое покрытие, имеющее толщину примерно 5 нм.
[0049] ФИГ. 10 (а-c) показывает микрофотографии в сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) металлических макрочастиц алюминия.
x
y
z
[0050] ФИГ. 11 (а-c) показывает микрофотографии в сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) макрочастиц алюминия, содержащих кремнеземоподобное (SiOCH) покрытие (тетраэтилоксисиликан был предшественником этого покрытия), полученное с использованием горелки диэлектрического барьерного разряда в сборе в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения, показывающие по существу гомогенное кремнеземоподобное покрытие.
[0051] ФИГ. 12 (а-b) показывает микрофотографии в микроскопе с автоэмиссионной пушкой (FEG) наночастиц алюминия.
x
y
z
[0052] ФИГ. 13 (а-b) показывает микрофотографии в микроскопе с автоэмиссионной пушкой (FEG) наночастиц алюминия, содержащих кремнеземоподобное (SiOCH) покрытие (диэтилдиметилсилоксан был предшественником этого покрытия), полученное с использованием горелки диэлектрического барьерного разряда в сборе в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения, показывающие по существу гомогенное кремнеземоподобное покрытие.
[0053] ФИГ. 14 (а-b) показывает микрофотографии в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) наночастиц глинозема.
x
y
z
[0054] ФИГ. 15 (а-b) показывает микрофотографии в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) наночастиц глинозема, содержащих кремнеземоподобное (SiOCH) покрытие (диэтилдиметилсилоксан был предшественником этого покрытия), полученное с использованием горелки диэлектрического барьерного разряда в сборе в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения, показывающие по существу гомогенное кремнеземоподобное покрытие.
[0055] ФИГ. 16 (а-c) показывает микрофотографии с автоэмиссионной пушкой (FEG) наночастиц титаната бария.
2
3
[0056] ФИГ. 17 (а-c) показывает микрофотографии в микроскопе с автоэмиссионной пушкой (FEG) наночастиц титаната бария, содержащих неорганическое покрытие из оксида диспрозия (DyO), полученное с использованием горелки диэлектрического барьерного разряда в сборе в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения, показывающие по существу гомогенное покрытие из оксида диспрозия.
[0057] ФИГ. 18 (а-c) показывает микрофотографии в сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) магнитных металлических макрочастиц.
[0058] ФИГ. 19 (а-c) показывает микрофотографии в сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) магнитных металлических макрочастиц, содержащих железоподобное покрытие (ферроцен был предшественником этого покрытия), полученное с использованием горелки диэлектрического барьерного разряда в сборе в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения, показывающие по существу гомогенное железоподобное покрытие.
[0059] ФИГ. 20 показывает микрофотографию в сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) магнитных металлических макрочастиц, содержащих кобальтоподобное покрытие (кобальтоцен был предшественником покрытия), полученное с использованием горелки диэлектрического барьерного разряда в сборе в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения, показывающую по существу гомогенное кобальтоподобное покрытие.
[0060] ФИГ. 21 показывает энергодисперсионное спектральное (EDS) отображение покрытых кобальтом магнитных частиц, показывающее (голубым цветом) кобальтовое покрытие и (серым цветом) магнитные частицы.
[0061] ФИГ. 22 (а-b) показывает микрофотографии в сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) макрочастиц алюминия.
[0062] ФИГ. 23 (а-b) показывает микрофотографии в сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) макрочастиц алюминия, содержащих полиацетиленовое покрытие (ацетилен был предшественником этого покрытия), полученное с использованием горелки диэлектрического барьерного разряда в сборе в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0063] ФИГ. 24 показывает энергодисперсионное спектральное (EDS) отображение покрытых полиацетиленом макрочастиц алюминия, показывающее (красным цветом) алюминиевые частицы и (бело-зеленым цветом) полиацетиленовое покрытие.
[0064] ФИГ. 25 показывает график термического гравиметрического анализа (ТГА), иллюстрирующий потерю массы для покрытых полиэтиленом высокой плотности частиц алюминия, под атмосферой аргона, при температурах в диапазоне от примерно 100°C до примерно 800°C и увеличении температуры со скоростью 10°C/мин; потеря массы при температурах ниже 550°C по существу соответствует количеству полимерного покрытия, добавленного во время процесса нанесения покрытия; наблюдаемое увеличение веса при более высоких температурах соответствует нарастанию оксидного слоя.
[0065] ФИГ. 26 показывает графики термического гравиметрического анализа (ТГА), иллюстрирующие потерю массы для покрытых полиэтиленом (а), полибутадиеном (b) и полиизопреном (c) частиц кремнезема, под атмосферой воздуха, при температурах, находящихся в диапазоне от примерно 100°C до примерно 600°C; потеря массы по существу соответствует количеству полимерного покрытия, добавленного во время процесса нанесения покрытия; наблюдаемое увеличение веса при более высоких температурах соответствует нарастанию оксидного слоя.
Подробное описание иллюстративных вариантов осуществления
[0066] Для того чтобы обеспечить ясное и непротиворечивое понимание терминов, использованных в настоящем описании, ниже предусмотрен ряд определений. Более того, если не определено иное, все используемые здесь технические и научные термины имеют то же значение, которое обычно подразумевается средним специалистом в той области техники, к которой относится данное изобретение.
[0068] Используемые в данном описании и формуле изобретения слова «содержащий» (и любая форма от «содержащий», такая как «содержат» и «содержит»), «имеющий» (и любая форма от «имеющий», такая как «имеют» и «имеет»), «включающий в себя» (и любая форма от «включающий в себя», такая как «включают в себя» и «включает в себя») или «содержащий в своем составе» (и любая форма от «содержащий в своем составе», такая как «содержат в своем составе» и «содержит в своем составе») являются охватывающими или означающими открытое множество и не исключают дополнительных, неперечисленных элементов или стадий способа.
[0069] Термин «примерно» использован для того, чтобы указать, что значение включает разброс из-за ошибки, характерной для прибора или способа, используемого для определения этого значения.
[0070] Используемый в данном описании термин «атмосферные давления или условия низкого вакуума» относится к давлениям, находящимся в диапазоне от примерно 5 атмосфер вплоть до примерно 50 мм рт.ст.
[0071] Используемый в данном описании термин «более низкие частоты» относится к частоте 1 МГц или менее.
[0072] Используемый в данном описании термин «обработка поверхности» относится либо к процессу, в котором поверхность частицы подвергают реакции с газообразной средой (т.е. плазменным разрядом), либо к процессу, в котором материал покрытия осаждают на поверхность частицы. Материал покрытия обычно имеет отличающийся от частицы химический состав. Неограничивающий пример процесса, в котором поверхность частицы подвергают реакции с газообразной средой, содержит процесс окисления. Такой процесс обычно приводит к образованию оксидного слоя. Процессы, в которых поверхность частицы подвергают реакции с газообразной средой, обычно приводят к изменениям в физических и химических свойствах поверхности. Неограничивающие примеры эффектов «обработки поверхности» включают в себя повышенную устойчивость к окислению и/или возгоранию (т.е. пассивацию поверхности), модифицированные гидрофильные и гидрофобные свойства и пониженную склонность к агломерации порошка.
[0073] Используемый в данном описании термин «металлический» относится ко всем содержащим в своем составе металл материалам. Он включает, но не ограничивается ими, чистые металлы, металлоиды, сплавы металлов и подобные комбинации, которые были бы очевидными для квалифицированного специалиста.
[0074] Используемый в данном описании термин «покрытие» относится ко всем типам покрытий. Он включает, но не ограничивается ими, пористые (например, содержащие полости, свободные от покрытия) и непористые покрытия. При непористом покрытии такое покрытие обычно наносят по всей поверхности частицы полностью непрерывным образом, в результате чего никакая первоначальная поверхность частицы не остается открытой. При пористом покрытии поверхность частицы покрыта по меньшей мере частично.
[0075] Взаимозаменяемо используемые в данном описании термины «по существу однородный» или «по существу гомогенный», при их использовании для описания покрытия, означают, что существует мало незначительных локальных вариаций в покрытии.
[0076] Настоящее изобретение относится к способу обработки поверхности частиц порошка посредством горелки диэлектрического барьерного разряда, работающей при атмосферных давлениях или в условиях низкого вакуума. В одном варианте осуществления настоящего изобретения частицы порошка содержат полимерные микро- и наночастицы, металлические микро- и наночастицы или их комбинации. В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения частицы порошка содержат микро- и наночастицы оксида металла. Обработка поверхности приводит к модификации химии поверхности этих микро- и наночастиц или, альтернативно, дает покрытые частицы, содержащие слой покрытия в диапазоне толщины от менее чем примерно 1 нм до примерно 50 нм. В одном варианте осуществления настоящего изобретения покрытие содержит полимерный материал. В еще одном дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения покрытие содержит металлическое, оксидное, нитридное или карбидное покрытие. Другие покрытия, не ограничиваясь кремнеземоподобными покрытиями, известны в данной области техники и находятся в рамках компетенции квалифицированного специалиста.
2
2
2
2
3
2
2
+
[0077] Диэлектрические барьерные разряды обычно характеризуются наличием по меньшей мере одного диэлектрического барьера (т.е. изолятора) и разрядного пространства, расположенных в промежутке между парой электродов. Более того, диэлектрические барьерные разряды ранее были описаны как способные разрушать химические связи, возбуждать атомные и молекулярные частицы и генерировать активные частицы, такие как свободные радикалы. Неограничивающие примеры активных частиц в рамках контекста настоящего изобретения включают атомы, такие как He, Ar и Ne, либо в их основном электронном состоянии, либо в возбужденном состоянии; молекулы, такие как N, либо в их основном электронном состоянии, либо в возбужденном состоянии, такие как N, N*, N ; и молекулярные фрагменты, такие как CH, CH, CH, NH и NH. Другие активные частицы известны в данной области техники и находятся в рамках компетенции квалифицированного специалиста. Диэлектрические барьерные разряды могут принимать множество различных форм, в диапазоне от структурированной (т.е. нитевидной структуры) до регулярной и по всей видимости гомогенной структуры (14, 15).
[0078] Горелки диэлектрического барьерного разряда классифицируют как нетермические системы (т.е. неравновесные системы) или системы с холодной плазмой. Термические плазмы имеют электроны и тяжелые частицы при одной и той же температуре (т.е. они находятся в тепловом равновесии друг с другом). Вместе с тем, нетермические плазмы обычно характеризуются как содержащие ионы и незаряженные частицы (тяжелые частицы) при более низких температурах, чем электроны. Поскольку температуры тяжелых частиц в плазме остаются относительно низкими, исключая любое нежелательное разложение полимера, горелки диэлектрического барьерного разряда были описаны как подходящие для процессов полимеризации и осаждения. Присущее горелкам диэлектрического барьерного разряда преимущество над другими обычными горелками с термической плазмой заключается в том, что условия нетермической плазмы можно легко установить при атмосферных давлениях или около них (т.е. атмосферных давлениях или условиях низкого вакуума). Работа при давлении выше или около атмосферного обеспечивает дополнительное преимущество, заключающееся в отсутствие нужды в каком-либо дорогом и сложном оборудовании для поддержания вакуума, особенно при работе в запыленных условиях.
[0079] Типичные примеры промышленных применений, содержащих технологию диэлектрического барьерного разряда, включают в себя генераторы озона и плазменные индикаторные панели (15-17). Рабочие частоты обычно находятся в диапазоне от частоты напряжения сети питания до нескольких ГГц, чаще всего от 1 кГц до 500 кГц.
[0080] Горелка диэлектрического барьерного разряда по настоящему изобретению работает при атмосферных давлениях или в условиях низкого вакуума и может быть легко интегрирована в процесс получения порошка. В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения электрический разряд инициируют в кольцевом пространстве между двумя концентрическими цилиндрическими кварцевыми (т.е. из плавленого кварца, кварцевого стекла) или керамическими трубками (пример ФИГ. 2a). В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения электрический разряд инициируют между парой коаксиальных электродов-втулок, расположенных на поверхности цилиндрической диэлектрической трубки (например, кварцевой или керамической трубки). В соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения электрический разряд инициируют в цилиндрической кварцевой или керамической трубке между парой полуцилиндрических оболочечных электродов. Керамические трубки являются особенно пригодными в качестве диэлектрических барьеров. В соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения электрический разряд инициируют между двумя параллельными кварцевыми (т.е. из плавленого кварца, кварцевого стекла) или керамическими пластинами. Другие конфигурации разряда находятся в рамках компетенции квалифицированного специалиста.
[0081] Электроды могут быть охлаждаемыми водой, в зависимости от варианта осуществления горелки диэлектрического барьерного разряда в сборе. Охлаждаемые водой электроды обычно используют для горелок диэлектрического барьерного разряда в сборе, производящих микро- или наночастицы, содержащие органическое покрытие. Охлаждаемый водой электрод обычно гарантирует хорошее охлаждение разряда и воспроизводимость испытания.
[0082] В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения внешний заземленный электрод обычно содержит металлическую пластину или фольгу, металлическую проволочную сетку или металлизированную краску (например, платиновую), наложенную или нанесенную на наружную поверхность внешней кварцевой или керамической трубки (в случае коаксиальной конфигурации) и прокаленную при температуре по меньшей мере 700°C. В соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения внешний заземленный электрод обычно содержит металлическую пластину или фольгу, металлическую проволочную сетку или металлизированную краску (например, платиновую), наложенную или нанесенную на наружную поверхность параллельных прозрачных кварцевых или керамических пластин (в случае параллельной конфигурации) и прокаленную при температуре по меньшей мере 700°C. Использование проволочной сетки обеспечивает преимущество прозрачности, но иногда привносит дополнительные разряды между этой сеткой и внешней кварцевой или керамической трубкой (в случае коаксиальной конфигурации) или между этой сеткой и параллельными пластинами. Использование металлизированной краски (например, платиновой) предотвращает такие дополнительные разряды и обеспечивает более однородный разряд. Металлизированную краску можно наносить с множеством различных рисунков, неограничивающие примеры которых включают непрерывный рисунок, спиралевидный рисунок или кольцеобразный рисунок. Другие рисунки находятся в рамках компетенции квалифицированного специалиста. В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения металлизированная краска представляет собой платиновую краску. Другие металлизированные краски, не ограничиваясь токопроводящими красками, такими как золотая или серебряная, известны в данной области техники и находятся в рамках компетенции квалифицированного специалиста. Применение особого рисунка металлизированной краски или рисунков окраски обеспечивает контроль над траекторией, по которой увлекаются порошки, а также контроль зарядки и покрытия порошков.
[0083] Полагают, что частицы порошка, проходящие через область плазмы, претерпевают зарядку одного и того же знака. Частицы порошка будут, таким образом, отталкивать друг друга, разрушая уже существующие агломераты и исключая образование новых агломератов. Наиболее эффективное и гомогенное покрытие частиц достигается при разрушении и исключении образования агломератов. Твердые частицы, проходящие через область плазмы, имеют тенденцию становиться отрицательно заряженными, поскольку электроны сталкиваются с поверхностью частицы при намного более высокой скорости, чем положительно заряженные ионы. Горелка диэлектрического барьерного разряда по настоящему изобретению содержит множество инжекционных отверстий для введения предшественника обрабатывающего поверхность материала (например, мономера), гарантируя, что покрываемые частицы порошка проявляют пониженную агломерацию порошка до того, как будут подвергнуты процессу нанесения покрытия.
[0084] В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения горелка диэлектрического барьерного разряда может работать в режиме непрерывного разряда. В соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения горелка диэлектрического барьерного разряда может работать в режиме прерывистого разряда. При работе в режиме непрерывного разряда питание подают на горелку диэлектрического барьерного разряда без перебоя с тем, чтобы поддерживать разряд. При работе в режиме прерывистого разряда питание подают на горелку диэлектрического барьерного разряда на периодической основе (т.е. включают и выключают). Задержка по времени между последовательными зажиганиями может быть короткой, порядка нескольких миллисекунд, или, альтернативно, может растягиваться до нескольких секунд. Период «выключения» в каждом цикле необязательно должен быть такой же продолжительности, что и период «включения», и может быть установлен независимо до нескольких миллисекунд или растянут до нескольких секунд. Оба периода «выключения» и «включения» можно регулировать отдельно и независимо.
[0085] Работа горелки диэлектрического барьерного разряда по настоящему изобретению в режиме прерывистого разряда обеспечивает улучшенный контроль над процессом нанесения покрытия путем уменьшения энергетической нагрузки. Работа в режиме прерывистого разряда может обеспечить 10-кратное или более высокое понижение энергетической нагрузки по сравнению с работой в режиме непрерывного разряда. Более того, любое потенциально возможное повреждение, происходящее в результате испускания УФ-излучения из плазмы, будет также менее сильным при работе в режиме прерывистого разряда.
[0086] С использованием горелки диэлектрического барьерного разряда по настоящему изобретению могут быть осаждены различные полимерные покрытия (например, полимерные пленки). Неограничивающие примеры покрывающих мономеров (т.е. предшественников обрабатывающего поверхность материала), как предусмотрено настоящим изобретением, включают ацетилен, этилен, изопрен, гексаметилдисилоксан (HMDSO), тетраэтилоксисилан (TEOS), тетраэтилоксисиликан, диэтилдиметилсилоксан, 1,3-бутадиен, стирол, метилметакрилат, тетрафторэтилен (TFE), метан, этан, пропан, бутан, пентан, гексан, циклогексан, ацетилен, этилен, пропилен, бензол, изопрен, гексаметилдисилоксан, тетраэтилоксисилан, тетраэтилоксисиликан, диэтилдиметилсилоксан, 1,3-бутадиен, стирол, метилметакрилат, тетрафторэтилен, пиррол, циклогексан, 1-гексен, аллиламин, ацетилацетон, этиленоксид, глицидилметакрилат, ацетонитрил, тетрагидрофуран, этилацетат, ангидрид уксусной кислоты, аминопропилтриметоксисилан, аминопропилтриэтоксисилан, триэтоксивинилсилан, 1-октанол, акриловую кислоту, ферроцен, кобальтоцен, трикарбонил(циклооктатетраен) железа, дикарбонил(метилциклопентадиенил) железа, димер дикарбонил(дициклопентадиенил) железа, кобальтацетилацетонат циклопентадиенила кобальта, ацетилацетонат никеля, диметил-(2,4-пентан-дионат) золота(III), карбонил никеля, карбонил железа, ацетилацетонат олова, ацетилацетонат индия и тетраметилгептандионат индия. Следует понимать, что другие мономеры могут также быть использованы в рамках контекста настоящего изобретения и находятся в рамках компетенции квалифицированного специалиста. Более того, следует понимать, что толщина и молекулярный вес полимерного покрытия может изменяться и что параметры, регулирующие толщину и/или молекулярный вес полимерного покрытия, находятся в рамках компетенции квалифицированного специалиста. В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения покрытие представляет собой органическое покрытие. В соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения покрытие представляет собой неорганическое покрытие. Неограничивающие примеры предшественников неорганического покрытия включают чистые металлы, оксиды, нитриды, карбиды или их комбинации.
[0087] С использованием горелки диэлектрического барьерного разряда по настоящему изобретению могут быть покрыты различные частицы, находящиеся по размеру в диапазоне от нанометра до микрона. Полимерные покрытия (т.е. полимерные пленки) могут быть осаждены посредством предшественников, которые находятся либо в газообразном, либо в жидком, либо в твердом состоянии. Неограничивающие примеры газообразных предшественников включают ацетилен, этилен и бутадиен. Неограничивающие примеры жидких предшественников включают изопрен, изопропоксид диспрозия, тетраоксисилоксан (TEOS), диэтилдиметилсилоксан (DEDMS), гексаметилдисилоксан (HMDSO), метилметакрилат (MMA) и пиррол. Неограничивающие примеры твердых предшественников для осаждения металлического покрытия включают ферроцен и кобальтоцен.
[0088] ФИГ. 1 (а-j) иллюстрирует блок-схемы, показывающие различные конфигурации для приготовления микро- и наночастиц с обработанной поверхностью, используя горелку диэлектрического барьерного разряда в соответствии с настоящим изобретением. Как широко проиллюстрировано, способ содержит стадию подачи порошка, стадию зарядки и обработки поверхности и стадию сбора. Порошок (т.е. микро- и/или наночастицы) можно подавать в горелку диэлектрического барьерного разряда, используя обычный питатель порошка. Следует понимать, что и другие средства подачи, подходящие для доставки порошкообразного материала в плазменную горелку, могут быть использованы и находятся в рамках компетенции квалифицированного специалиста. В одном варианте осуществления настоящего изобретения порошок можно подавать в горелку диэлектрического барьерного разряда посредством распылительного зонда. В таком варианте осуществления подаваемый материал содержит жидкость, включающую в себя диспергированный порошок.
[0089] Порошкообразный материал можно подавать напрямую в основной разряд вместе с плазмообразующим газом (ФИГ. 1a, ФИГ. 1c, ФИГ. 1d и ФИГ. 1e) или, альтернативно, в находящееся ниже по ходу послесвечение (ФИГ. 1i) через одно или более инжекционных отверстий. В одном варианте осуществления настоящего изобретения одно или более инжекционных отверстий расположены в центральной кварцевой инжекционной трубке горелки диэлектрического барьерного разряда. В других вариантах осуществления порошкообразный материал можно подавать в горелку диэлектрического барьерного разряда в промежуточном месте (ФИГ. 1b, ФИГ. 1f и ФИГ. 1g) или, альтернативно, в промежутке между последовательными горелками диэлектрического барьерного разряда, работающими в тандеме (ФИГ. 1h). В дополнительных вариантах осуществления настоящего изобретения в горелку диэлектрического барьерного разряда посредством распылительного зонда может быть подан раствор, содержащий порошковый подаваемый материал (ФИГ. 1j). Этот раствор, содержащий порошковый подаваемый материал, может необязательно дополнительно содержать предшественник обрабатывающего поверхность материала.
[0090] В одном варианте осуществления настоящего изобретения мономер или предшественник материала покрытия может быть инжектирован в основной разряд вместе с плазмообразующим газом и порошкообразным материалом (ФИГ. 1c). В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения мономер или предшественник материала покрытия может быть инжектирован в основной разряд вместе с плазмообразующим газом (ФИГ. 1i). В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения мономер или предшественник материала покрытия может быть инжектирован в горелку диэлектрического барьерного разряда вместе с порошкообразным материалом в промежуточном месте (ФИГ. 1f). В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения мономер или предшественник материала покрытия может быть инжектирован в горелку диэлектрического барьерного разряда в промежуточном месте отдельно от порошкообразного материала (ФИГ. 1d и ФИГ. 1g), или же в промежутке между последовательными горелками диэлектрического барьерного разряда, работающими в тандеме (ФИГ. 1e и ФИГ. 1h).
[0091] Мономер или предшественник материала покрытия может быть, или в газообразной, или в парообразной, или в жидкой форме. В одном варианте осуществления настоящего изобретения процесс обработки поверхности происходит в горелке диэлектрического барьерного разряда вслед за зарядкой порошка. В одном варианте осуществления настоящего изобретения процесс обработки поверхности происходит в находящемся ниже по ходу послесвечении (ФИГ. 1j). Порошок с обработанной поверхностью в итоге собирают в обычном сборнике порошка или любом другом подходящем средстве сбора порошка.
[0092] ФИГ. 2 иллюстрирует различные конфигурации электродов для генерации диэлектрических барьерных разрядов для обработки поверхности и/или покрытия микро- и наночастиц в соответствии с настоящим изобретением. ФИГ. 2a иллюстрирует горелку 10 диэлектрического барьерного разряда, имеющую концентрическую конфигурацию электродов. Пара электродов разделена двумя концентрическими кварцевыми или керамическими трубками 16. Центральный электрод 12 обычно соединен с источником высокого напряжения (ВН), в то время как внешний электрод 14 обычно соединен с потенциалом земли. Плазмообразующий газ инжектируют (вдувают) в кольцеобразную область 18, ограниченную парой концентрических цилиндрических кварцевых или керамических трубок 16. Плазменный разряд, генерируемый при использовании концентрической конфигурации электродов, будет обычно иметь кольцеобразную форму. ФИГ. 2b иллюстрирует горелку 20 диэлектрического барьерного разряда, имеющую коаксиальную конфигурацию электродов. Пара электродов содержит цилиндрический проводник, и они соосно расположены на внешней поверхности кварцевой или керамической трубки 26. Один из электродов 22 обычно соединен с источником высокого напряжения, в то время как второй электрод 24 обычно соединен с потенциалом земли. Плазмообразующий газ инжектируют в цилиндрический объем 28, ограниченный кварцевой или керамической трубкой 26. Плазменный разряд, генерируемый при использовании соосной конфигурации электродов, будет заполнять цилиндрический объем кварцевых или керамических трубок 26. ФИГ. 2c иллюстрирует горелку 30 диэлектрического барьерного разряда, имеющую конфигурацию с электродами оболочечного типа. Оболочечный электрод 32 содержит пару полуцилиндрических электродов 34 и 36. В одном варианте осуществления настоящего изобретения эти полуцилиндрические электроды содержат пару металлических листов, расположенных на внешней поверхности кварцевой или керамической трубки 36. Следует понимать, что и другие проводящие электродные материалы могут также быть использованы в контексте настоящего изобретения и находятся в рамках компетенции квалифицированного специалиста. Один из полуцилиндрических электродов 34 обычно соединен с источником высокого напряжения, в то время как второй полуцилиндрический электрод 36 обычно соединен с потенциалом земли. Плазмообразующий газ инжектируют в цилиндрический объем 39, ограниченный кварцевой или керамической трубкой 36. Следует понимать, что на внешней поверхности кварцевой или керамической трубки 36 могут быть расположены несколько пар полуцилиндрических электродов. ФИГ. 2d иллюстрирует горелку 40 диэлектрического барьерного разряда, имеющую конфигурацию с множественными электродами оболочечного типа. Горелка 40 диэлектрического барьерного разряда содержит две пары электродов 42 и 44 оболочечного типа, расположенных в ступенчатой конфигурации в шахматном порядке по отношению друг к другу. В одном варианте осуществления настоящего изобретения полуцилиндрические электроды содержат пару металлических листов, расположенных на внешней поверхности кварцевой или керамической трубки 49. Следует понимать, что и другие проводящие электродные материалы могут также быть использованы в контексте настоящего изобретения и находятся в рамках компетенции квалифицированного специалиста. В одном варианте осуществления настоящего изобретения пара полуцилиндрических электродов 42 и 44 попарно расположены в шахматном порядке под углом 90 градусов по отношению друг к другу. Следует понимать, что и другие углы попарного расположения в шахматном порядке могут также быть использованы в контексте настоящего изобретения и находятся в рамках компетенции квалифицированного специалиста. Полуцилиндрические электроды 41 и 45 обычно соединены с источником высокого напряжения, в то время как полуцилиндрические электроды 43 и 46 обычно соединены с потенциалом земли. Плазмообразующий газ инжектируют в цилиндрический объем 48, ограниченный кварцевой или керамической трубкой 49. Угол расположения в шахматном порядке в 90 градусов между парой электродов оболочечного типа обеспечивает более однородное распределение плазмы внутри цилиндрической полости кварцевой или керамической трубки. Электроды в конфигурациях по ФИГ. 2 могут быть или охлаждаемыми водой, или охлаждаемыми воздухом, в зависимости от номинальной мощности разряда.
[0093] ФИГ. 3b показывает схематичный вид в вертикальном разрезе горелки 50 диэлектрического барьерного разряда в сборе в соответствии с настоящим изобретением. Горелка 50 в сборе содержит центральную корпусную часть, содержащую внешнюю кварцевую трубку 52, в которой расположен по меньшей мере один заземленный электрод 54, а также высоковольтный электрод 56. На этот высоковольтный электрод обычно подается переменный ток высокого напряжения с частотой примерно 20 кГц. В одном варианте осуществления настоящего изобретения поданное напряжение обычно находится в диапазоне от примерно 5 до примерно 15 кВ. Горелку в сборе по ФИГ. 3b обычно используют для получения микро- или наночастиц, или содержащих и оксидный слой, или органическое покрытие. В одном варианте осуществления настоящего изобретения высоковольтный электрод 56 может быть охлаждаемым водой. Кольцеобразный разрядный промежуток 57 определяет пространство между упомянутыми по меньшей мере одним заземленным электродом 54 и высоковольтным электродом 56. Разряд зажигают в кольцеобразном разрядном промежутке (т.е. пространстве между заземленным(и) электродом(ами) и высоковольтным электродом). В одном варианте осуществления настоящего изобретения разрядный промежуток может быть образован пространством между парой кварцевых трубок или параллельных кварцевых пластин, расположенных внутри корпуса горелки. Центральная инжекционная трубка 58 проходит по существу коаксиально внутри высоковольтного электрода 56. В одном варианте осуществления настоящего изобретения центральная инжекционная трубка 58 может быть выполнена с регулируемой длиной. Горелка 50 диэлектрического барьерного разряда в сборе дополнительно содержит корпус 59 горелки, через который проходит центральная инжекционная трубка 58, причем корпус горелки при работе прикреплен к верхнему концу кварцевой трубки 52 и содержит множество отверстий 60, выполненных с возможностью приема подачи плазменного газа, необязательно подачи защитного газа, ввода и вывода воды (т.е. в случае охлаждаемого водой высоковольтного электрода) и заземляющих и высоковольтных соединений.
[0094] Камера 62 сбора порошка, необязательно содержащая одно или более тангенциальных инжекционных отверстий 64, расположена на нижнем конце кварцевой трубки 52 для приема порошка с обработанной поверхностью. В одном варианте осуществления настоящего изобретения камера 62 сбора порошка установлена коаксиально нижнему концу кварцевой трубки 52, по существу на выходе плазменного разряда. Атмосферу на выходе разряда (т.е. в зоне непосредственно над камерой 62 сбора порошка) можно контролировать путем инжекции инертного или активного газа через упомянутые одно или более тангенциальных инжекционных отверстий 64.
[0095] В одном варианте осуществления настоящего изобретения горелка диэлектрического барьерного разряда содержит взаимозаменяемые кварцевые или керамические трубки, обеспечивающие варьирование конфигураций разрядного промежутка. Могут быть созданы разрядные промежутки, имеющие радиальную ширину в диапазоне от примерно 1 мм до примерно 10 мм. Большие разрядные промежутки находятся в рамках компетенции квалифицированного специалиста. Длина разряда определяется длиной внешнего заземленного электрода (концентрическая и оболочковая конфигурации). В случае коаксиальной конфигурации длина разряда определяется длиной высоковольтного электрода, заземленного электрода и зазора между ними. В случае конфигурации с множественными оболочечными электродами длина разряда определяется длиной оболочечных электродов и зазора между ними. В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения горелка диэлектрического барьерного разряда содержит пару параллельных кварцевых пластин (т.е. концентрическая конфигурация), разделенных зазором шириной в диапазоне от примерно 1 мм до примерно 10 мм. Большие ширины зазора между параллельными пластинами находятся в рамках компетенции квалифицированного специалиста.
[0096] В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения внешний заземленный электрод обычно содержит металлическую пластину или фольгу, металлическую проволочную сетку или металлизированную краску (например, платиновую), наложенную или нанесенную на наружную поверхность внешней кварцевой или керамической трубки (например, коаксиальная конфигурация). Металлизированная краска может быть нанесена с множеством рисунков и форм, неограничивающие примеры которых включают непрерывный рисунок, спиралевидный рисунок или кольцеобразный рисунок.
[0097] Со ссылкой на ФИГ. 3b, центральная инжекционная трубка 58, проходящая по существу коаксиально внутри высоковольтного электрода 56, может быть регулируемой высоты, так чтобы можно было управлять местоположением инжекции порошкообразного материала и/или мономера в горелку диэлектрического барьерного разряда (т.е. либо непосредственно в основной разряд вместе с основным потоком газа, либо в некотором промежуточном месте, либо на выходе из разрядного промежутка). В одном варианте осуществления настоящего изобретения горелка диэлектрического барьерного разряда содержит внешнюю трубку 52, отделяющую выход разряда от атмосферы. Такая конфигурация обеспечивает введение дополнительного газа, обычно благородного газа.
[0098] ФИГ. 3c показывает иллюстративный вариант осуществления контура охлаждения для высоковольтного электрода горелки 70 диэлектрического барьерного разряда. В этом конкретном варианте осуществления в системе охлаждения полностью запаян внутри цилиндр 71 из нержавеющей стали, расположенный внутри внутренней кварцевой трубки 72 горелки 70 диэлектрического барьерного разряда. Ввод и вывод воды обозначены соответственно номерами 74 и 76. Высоковольтный и заземленный электроды обозначены соответственно номерами 77 и 78. Пара внешних коаксиальных кварцевых трубок обозначена номерами 79 и 80. Промежуточная кварцевая трубка 79 действует в качестве диэлектрика. Внешняя кварцевая трубка 80 изолирует разряд от атмосферы. Конфигурация с охлаждением обеспечивает эффективное охлаждение высоковольтного электрода и разрядного промежутка, так что применение токов высокого напряжения возможно без достижения типично высоких температур плазмы (холодная плазма). В одном варианте осуществления настоящего изобретения система охлаждения работает с помощью воды в качестве охладителя. В еще одном дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения система охлаждения содержит замкнутую систему, работающую с помощью деионизированной воды в качестве охладителя. Другие охладители (т.е. синтетическое масло или полиолы) известны в данной области техники и находятся в рамках компетенции квалифицированного специалиста. Более высокие температуры плазменного разряда могут быть достигнуты с помощью синтетического масла в качестве охладителя для высоковольтного электрода. Более высокие температуры плазменного разряда обеспечивают полимерное покрытие порошков с использованием мономерного исходного материала (т.е. предшественника покрытия), требующего более высоких температур испарения, одновременно исключая конденсацию мономерного исходного материала в инжекционной трубке.
[0099] ФИГ. 4 (а-b) показывает иллюстративный вариант осуществления горелки диэлектрического барьерного разряда в сборе, обычно сконструированной для получения органического покрытия на металлических и/или металлоксидных микро- или наночастицах. Такую конфигурацию можно также использовать для получения неорганических покрытий. Горелка диэлектрического барьерного разряда содержит систему охлаждения, которая полностью герметизирована и расположена внутри кварцевой трубки с двойными стенками.
[00100] ФИГ. 4c показывает схематичный вид в вертикальном разрезе горелки 90 диэлектрического барьерного разряда в сборе, имеющей конфигурацию с охлаждаемыми водой многоступенчатыми оболочечными электродами в шахматном порядке, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. Горелка 90 диэлектрического барьерного разряда в сборе включает в себя входной модуль 92, содержащий пару концентрических кварцевых трубок 94 и 96. Один из электродов соединен с источником высокого напряжения, в то время как другой электрод соединен с потенциалом земли. Плазмообразующий газ вводят в разрядную полость с помощью инжекционного отверстия 98. Плазму генерируют внутри кварцевой трубки 96, в промежутке между парой полуцилиндрических электродов, составляющих первый оболочечный электрод и расположенных на поверхности кварцевой трубки 96. Секция 100 определяет зазор, отделяющий входной модуль 92 от выходного модуля 102. Выходной модуль 102 содержит дополнительный оболочечный электрод идентичной конструкции, что и первый оболочечный электрод, но расположенный в шахматном порядке относительно него. Плазменные разряды в камере 104, расположенной ниже по ходу относительно модуля 102. Камера 104 содержит инжекционное отверстие 106 для введения транспортирующего порошок газа. Этот транспортирующий газ обеспечивает перенос продукта в виде частиц в модуль сбора через отверстие 108. Оба модуля 92 и 102 снабжены каналами водяного охлаждения (не показаны), расположенными в кольцевом пространстве между концентрическими кварцевыми трубками 94 и 96. Вода вводится с помощью впускного отверстия 112 и выходит через отверстие 110. Микро- и/или наночастицы можно подавать в горелку 90 диэлектрического барьерного разряда в сборе с плазмообразующим газом через инжекционное отверстие 98. Обрабатывающий поверхность материал можно подавать в горелку 90 диэлектрического барьерного разряда в сборе через отверстие 114, расположенное между модулями 92 и 102. Инжекционное отверстие 110 обеспечивает введение дополнительного плазменного газа или, альтернативно, защищающего стенку газа. Следует понимать, что горелка 90 диэлектрического барьерного разряда в сборе может быть модифицирована без отклонения от ее замысла и сути и что такие модификации находятся в рамках компетенции квалифицированного специалиста.
[00101] ФИГ. 5 показывает схематичный вид в вертикальном разрезе горелки 120 диэлектрического барьерного разряда в сборе, имеющей конфигурацию с охлаждаемыми водой многоступенчатыми оболочечными электродами в шахматном порядке (пять модулей оболочечных электродов), в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. Горелка 120 диэлектрического барьерного разряда в сборе содержит входную секцию 122, содержащую пару модулей 124 оболочечных электродов. Оболочечные электроды 128 расположены на поверхности кварцевой или керамической трубки 126. Модули 124 оболочечных электродов окружены композиционным материалом 130 с полимерной матрицей, в который встроены оболочечные электроды 128. Модули 124 оболочечных электродов снабжены каналами водяного охлаждения (не показаны). Вода вводится с помощью впускного отверстия 132 и выходит через отверстие 134. Инжекционные отверстия 136 обеспечивают введение защитного газа вокруг внутреннего периметра внутренней стенки кварцевой или керамической трубки 126. Плазмообразующий газ вводят в разрядную полость с помощью инжекционного отверстия 138. Микро- и/или наночастицы можно подавать в горелку 120 диэлектрического барьерного разряда в сборе с плазмообразующим газом через инжекционное отверстие 138. Горелка 120 диэлектрического барьерного разряда в сборе дополнительно включает в себя выходную секцию 140, содержащую три модуля 142 оболочечных электродов идентичной конструкции, что и первая пара модулей 124 оболочечных электродов, но расположенных ступенчато в шахматном порядке относительно них. Оболочечные электроды 142 расположены на поверхности кварцевой или керамической трубки 126 и снабжены каналами водяного охлаждения (не показаны). Вода вводится с помощью впускного отверстия 144 и выходит через отверстие 146. Инжекционные отверстия 148 обеспечивают введение дополнительного защитного газа вокруг внутреннего периметра внутренней стенки кварцевой или керамической трубки 126. Плазменный разряд поступает в модуль сбора (не показан) через выходное отверстие 150. Использование конфигурации с множественными модулями оболочечных электродов обеспечивает технологическую гибкость, поскольку число модулей может быть или повышено, или понижено, в зависимости от технологических требований. В одном варианте осуществления настоящего изобретения входную секцию 122 можно использовать исключительно для зарядки микро- и/или наночастиц, поверхность которых необходимо обработать, в то время как выходную секцию 140 можно использовать исключительно для обработки поверхности. В находящемся выше по ходу относительно секции 122 местоположении может быть расположен трубчатый нагреватель для управления температурой порошка, поскольку нагрев является определяющим параметром при зарядке частицы. В еще одном дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения и входную секцию 122, и выходную секцию 140 можно использовать для обработки поверхности микро- и/или наночастиц подаваемого материала. Этот последний вариант осуществления обеспечивает более продолжительные времена контакта между подаваемыми частицами и плазменным разрядом.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
[00102] Ниже приведен ряд примеров, иллюстрирующих эффективность горелки диэлектрического барьерного разряда по настоящему изобретению при плазменной обработке поверхности микро- и/или наночастиц.
Источник питания
[00103]
[00104] В одном варианте осуществления источником питания, использованным в связи с горелкой диэлектрического барьерного разряда по настоящему изобретению, был генератор Corona от 3DTSOFTAL (Polydyene 1 Corona Generator). Основные характеристики этого источника питания суммированы ниже в Таблице 1.
[00105]
<u>Таблица 1</u>
Характеристики источника питания
Мощность (Вт)
500 (максимум)
Напряжение (кВ)
15
Регулировка высокого напряжения (кВ)
5-15
Частота (кГц)
~20-25
Время прерывистого режима процесса (с)
0,2-25
Рабочие условия
[00106]
[00107] Условия работы горелки диэлектрического барьерного разряда по настоящему изобретению могут изменяться в зависимости от природы порошка, желаемой обработки поверхности, желаемого покрытия и обрабатывающего поверхность материала (т.е. мономера). Управление временем пребывания обрабатывающего поверхность материала является существенным для управления толщиной наносимого пленочного покрытия. Репрезентативные рабочие условия суммированы ниже в Таблице 2.
[00108]
<u>Таблица 2</u>
Рабочие параметры
Мощность (Вт)
Защитный илиплазменныйгаз
Газ для инжекции порошка
Не и/или мономер, Ar, N<sub>2</sub>, O<sub>2</sub>, воздух (л/мин) при стандартных условиях (STP)
Не и/или мономер, Ar, N<sub>2</sub>, O<sub>2</sub>, воздух (л/мин) при стандартных условиях (STP)
Порошок (г/мин)*
От 50 до 500
От 0,2 до 30
От 0,2 до 3
От 0,2 до 6
*Время пребывания порошка составляет порядка примерно 1 секунды.
[00109] Цифровой прибор Tekronix (TEK TDS 1002-TDS2MEM) и зонд высокого напряжения Tekronix (75 МГц, 40 кВ) использовали для отслеживания напряжения и тока. Ток интегрировали с тем, чтобы позволить отображать фигуры Лиссажу заряда-напряжения, которые впоследствии использовали для определения мощности разряда (15-18). Репрезентативные электрические характеристики разряда суммированы ниже в Таблице 3.
[00110]
Таблица 3
Электрические характеристики разряда
№ образца
Мощность (Вт)
Температура газа в разрядном промежутке (Т<sub>г</sub> (°С))
060310-02
80
225
060315-01
139
360
Результаты покрытия для порошков металлов и оксидов металлов
[00111]
[00112] Представлены микрофотографии в сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) покрытых порошков (ФИГ. 10, 11, 18-20, 22 и 23). Также представлены физические характеристики покрытых порошков, такие как удельная площадь поверхности порошка (измеренная с использованием метода «Брунауэра-Эмметта-Теллера» (БЭТ)). Затабулированы результаты рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) по количествам углерода, добавленного на поверхность порошков во время процесса нанесения покрытия. Этот анализ дает точный количественный анализ концентрации (%) присутствующих элементов (атомный состав). Более того, показаны результаты энергодисперсионного спектрального (EDS) отображения, дающие информацию о расположении покрытия на поверхности порошка (ФИГ. 21 и 24). Наконец, показаны результаты термогравиметрического анализа (ТГА), дающие количественную информацию о количестве покрытия (т.е. полимера), осажденного на порошки (ФИГ. 25 и 26).
[00113] Проверили удельную площадь поверхности (БЭТ) до и после покрытия для нанопорошка кремнезема, и результаты проиллюстрированы ниже в Таблице 4. Значительное изменение в удельной площади поверхности является явным показателем значительной деагломерации, имеющей место во время процесса нанесения покрытия.
[00114]
<u>Таблица 4</u>
Результаты по удельной площади поверхности для кремнезема и покрытых кремнеземом наночастиц
№ образца
БЭТ (м<sup>2</sup>/г)
Исходный нанопорошок кремнезема
120,9
060613-01
227,3
060613-02
175,1
060613-03
170,5
b
[00115] Результаты рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) до и после покрытия для порошков алюминия проиллюстрированы здесь ниже в Таблицах 5 и 6. Энергия связывания E зависит от степени окисления и химических связей вокруг того атома, где двигался электрон. Определяются только электроны, образовавшиеся около поверхности, вплоть до глубины 100 Å или менее. Медленное сканирование атома углерода дает информацию о его типе связывания.
[00116]
<u>Таблица 5</u>
Результаты XPS, полученные для порошков глинозема и глинозема с покрытием
№ образца
Атомные %
% С
% О
% Al
% Si
Valimet H10 (исходные порошки алюминия)
15,7
55,4
28,9
060315-01
49,2
36,0
14,8
060413-03
46,0
38,6
15,4
Исходные наночастицы кремнезема (высокодисперсный SiO<sub>2</sub> от Cabot)
0
68,3
0
31,2
Покрытые бутадиеном (060810-02)
11,9
59,3
0
28,8
Покрытые изопреном (060914-01)
11,1
61,2
0
27,7
Исходные макрочастицы алюминия
15,7
55,4
28,9
0
Покрытые SiO<sub>x</sub>C<sub>y</sub>H<sub>z</sub> (060720-02)
11,4
59,7
13,7
14,5
Исходные наночастицы алюминия
3,2
61,7
35
0
Покрытые SiO<sub>x</sub>C<sub>y</sub>H<sub>z</sub> (060803-01)
12,1
54,7
27,5
5,7
Исходные наночастицы глинозема
4,3
59,4
36,2
0
Покрытые SiO<sub>x</sub>C<sub>y</sub>H<sub>z</sub> (060913-02)
3,8
56,8
31,9
7,5
[00117]
<u>Таблица 6</u>
Результаты XPS для типа связывания атома углерода
Фотопик
Пик (эВ)
Отнесение
С 1s
285
С-Н/С-С
С 1s
286,3-286,7
С-О
С 1s
287,8-288,2
С=О
[00118] В случае порошков алюминия ТГА-анализ проиллюстрировал потерю массы, не превышающую 0,5%, указывая на наличие тонкой пленки. При примерно 300°C частичное терморастрескивание небольшого количества покрытого полиэтиленом высокой плотности алюминиевого порошка вызывает непрерывное уменьшение массы. При температурах, находящихся в диапазоне от примерно 370°C до примерно 500°C, уменьшение массы соответствует полному пиролизу цепочек полиэтилена высокой плотности. Наблюдаемое увеличение массы при более высоких температурах указывает на окисление порошков алюминия. Типичный график ТГА, полученный с покрытым полиэтиленом высокой плотности порошком алюминия, представлен на ФИГ. 25.
[00119] Следует понимать, что изобретение не ограничено в своем применении теми подробностями конструкции и деталей, которые описаны здесь выше. Изобретение допускает другие варианты осуществления и пригодно к осуществлению на практике разными путями. Следует также понимать, что используемые здесь фразеология или терминология предназначены для цели описания, а не ограничения. Следовательно, хотя настоящее изобретение было описано здесь выше с помощью иллюстративных вариантов его осуществления, оно может быть модифицировано без отступления от сущности, объема и характера рассматриваемого изобретения, определенных в прилагаемой формуле изобретения.