ПЛАЗМОТРОН АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ
ATMOSPHERIC PRESSURE PLASMATRON

Область изобретения
[0001] Настоящее изобретение относится к установке для плазменной обработки, применяемой для плазменной очистки, модификации поверхности и нанесения поверхностного покрытия. В частности, настоящее изобретение относится к новаторскому плазмотрону.
Предпосылки изобретения
[0002] Из уровня техники известны плазмотроны атмосферного давления, например, подобные раскрытым в WO 98/35379 или в WO 99/20809. Эти плазмотронные устройства содержат два электрода, установленные коаксиально и определяющие пространство для плазменного разряда между наружным диаметром центрально установленного электрода и внутренним диаметром наружного электрода. На открытом конце устройства можно сгенерировать плазменную струю, подавая к закрытому концу устройства поток газа и создав между электродами достаточное напряжение. Между указанными электродами во избежание образования дуги может находиться диэлектрический материал. Струя плазмы может применяться для травления, очистки или нанесения покрытия на поверхность. В устройствах, известных из уровня техники, получить достаточно эффективную плазменную струю трудно вследствие ряда ограничений, имеющих место в известных устройствах. Например, в настоящее время из-за недостаточной выделяемой энергии невозможно в должной мере активировать каучук, используя существующий классический плазмотрон приемлемых размеров. Поэтому в большинстве плазмотронных устройств используют сопло для сужения плазменной струи, чтобы получить более высокие плотности плазмы. Однако недостатком данного решения является то, что обрабатываемый участок меньше по размеру и, следовательно, для обработки конкретной поверхности необходимо применять большее количество небольших устройств, затрачивать больше времени или применять более крупные устройства.
Цель заявленного изобретения
[0003] Целью заявленного изобретения является создание плазмотрона, более эффективного по сравнению с известными из уровня техники.
Сущность изобретения
[0004] Заявленное изобретение относится к плазмотрону атмосферного давления, содержащему устройство с двумя цилиндрическими электродами или устройство с тремя параллельными электродами. 2-электродное устройство может представлять собой трубчатое устройство, состоящее из центрального цилиндрического металлического электрода и наружного цилиндрического металлического электрода, причем указанные цилиндрические металлические электроды расположены коаксиально и образуют плазменный разрядный канал, при этом указанное устройство имеет открытый (ближний) конец и закрытый (дальний) конец, причем указанный плазменный разрядный канал на указанном открытом конце открывается в атмосферу, а на указанном закрытом конце имеет отверстие для подачи потока газа, а также содержит диэлектрический материал, размещенный между указанными центральным цилиндрическим металлическим электродом и наружным цилиндрическим металлическим электродом, при этом указанное устройство отличается тем, что указанный диэлектрический защитный слой радиально выступает на указанном открытом конце.
[0005] Один из вариантов исполнения «параллельного» устройства содержит один центральный плоский или имеющий особую форму металлический электрод и 2 наружных металлических электрода, причем указанные электроды, по существу, параллельны, то есть находятся на постоянном (±1 мм) расстоянии и образуют плазменный разрядный канал, указанное «параллельное» устройство имеет открытый (ближний) конец и закрытый (дальний) конец, причем указанный плазменный разрядный канал на указанном открытом конце открыт в атмосферу, а на указанном закрытом конце имеет отверстие для подачи газа, а также содержит диэлектрический материал, размещенный между указанными центральным цилиндрическим металлическим электродом и наружным цилиндрическим металлическим электродом, при этом указанное устройство отличается тем, что указанный диэлектрический защитный слой выступает наружу на указанном открытом конце. Согласно данному конкретному варианту исполнения наружные электроды соединены по бокам для формирования одного электрода, коаксиального с центральным электродом. Это исполнение и трубчатое исполнение являются, следовательно, двумя вариантами цилиндрического устройства с одним внутренним и одним наружным электродом.
[0006] Настоящее изобретение относится, таким образом, к плазмотрону, применяемому для плазменной обработки изделий. Раскрываются цилиндрическая 2-электродная конфигурация и параллельная 3-электродная конфигурация. Цилиндрическое плазмотронное устройство сдержит:
- продолговатый центральный электрод,
- продолговатый цилиндрический наружный электрод, окружающий указанный центральный электрод и коаксиальный с указанным центральным электродом,
- электрический изолятор, расположенный коаксиально между указанным наружным электродом и указанным центральным электродом, при этом между указанным центральным электродом и указанным электрическим изолятором образован разрядный канал, имеющий дальний конец и ближний конец,
- подводящее отверстие, расположенное на указанном дальнем конце указанного разрядного канала, предназначенное для подачи плазмообразующего газа в указанный разрядный канал,
- источник питания для создания напряжения между указанным центральным электродом и указанным наружным электродом,
при этом указанный электрический изолятор на указанном ближнем конце выступает за пределы наружной поверхности указанного наружного электрода в виде радиально расположенного кольца. Электроды могут быть цилиндрическими и коаксиальными с круглым поперечным сечением, либо центральный электрод может быть плоским, имеющим форму пластины электродом, при этом наружный электрод будет иметь переднюю и заднюю стороны, по существу, параллельные центральному электроду. Вместо плоского электрода «параллельное» устройство может иметь центральный электрод с проходящим на ближнем конце по всей длине электрода круглым расширением, при этом передняя и задняя стороны наружного электрода остаются параллельными указанному центральному электроду.
[0007] Согласно предпочтительному варианту исполнения через центральный электрод проходит подводящий канал, предназначенный для введения химически активных соединений непосредственно в плазму послесвечения на ближнем конце.
[0008] 3-электродное параллельное плазмотронное устройство согласно настоящему изобретению содержит:
- центральный электрод, например плоский, выполненный в форме пластины,
- 2 наружных электрода, расположенных по обеим сторонам указанного центрального электрода и, по существу, параллельных указанному центральному электроду,
- 2 электрических изолятора, расположенных, по существу, параллельно между указанными наружными электродами и указанным центральным электродом, при этом между указанным центральным электродом и указанными электрическими изоляторами образован разрядный канал, имеющий дальний конец и ближний конец,
- подводящее отверстие, находящееся на указанном дальнем конце указанного разрядного канала, предназначенное для подачи плазмообразующего газа в указанный разрядный канал,
- предпочтительно, проходящий сквозь центральный электрод подводящий канал, предназначенный для введения химически активных соединений непосредственно в плазму послесвечения на ближнем конце,
- источник питания, предназначенный для создания напряжения между центральным электродом и наружными электродами,
при этом указанные электрические изоляторы на ближнем конце выступают наружу за пределы наружной поверхности наружного электрода.
[0009] В плазмотронной установке согласно настоящему изобретению предпочтительно электрический изолятор возле наружной поверхности наружного электрода дополнительно выступает в направлении дальнего конца. Преимущественно, расстояние между наружной поверхностью центрального электрода и внутренней поверхностью электрического изолятора находится в пределах от 0,1 до 10 мм. Предпочтительно, предусмотрен источник питания, предназначенный для создания напряжения переменного тока или напряжения прерывистого постоянного тока для трубчатой конфигурации - в пределах от 1 до 10 кВ, а для «параллельной» конфигурации - в пределах от 1 до 100 кВ.
[0010] Другой аспект настоящего изобретения относится к способу получения плазменной струи, содержащему следующие шаги:
- берут плазмотрон согласно настоящему изобретению,
- подают плазменный газ через подводящее отверстие,
- подают химически активное соединение (например, мономер) через подводящее отверстие и/или через центральный электрод, с вводом химически активного соединения в плазменный разряд на открытом конце плазмы,
- создают напряжение между центральным электродом и наружным электродом в пределах от 1 до 100 кВ.
Краткое описание чертежей
[0011] На фиг.1 представлена конструкция плазмотрона, известного из уровня техники.
[0012] На фиг.2 схематически представлено плазмотронное устройство согласно настоящему изобретению.
[0013] На фиг.3 схематически представлено «параллельное» плазмотронное устройство согласно настоящему изобретению.
[0014] На фиг.4 схематически представлен вариант исполнения с особой конфигурацией параллельных электродов.
[0015] На фиг.5 представлено несколько возможных поперечных сечений «параллельного» плазмотронного устройства согласно настоящему изобретению.
Подробное раскрытие заявленного изобретения
[0016] Существующие плазмотроны, подобные представленным на фиг.1, обычно содержат наружный электрод 11 и внутренний электрод 12, между которыми размещен диэлектрический материал 13.
[0017] Трубчатый вариант исполнения настоящего изобретения представлен на фиг.2 и относится к плазмотронам атмосферного давления с 2 коаксиальными цилиндрическими электродами (1, 2) и с одним, выполненным особым образом, электрическим изолятором в виде диэлектрического материала 3. Диэлектрический барьерный слой выступает на ближнем конце плазмотрона, предпочтительно в виде U-образной выступающей части 20. Плазмотрон работает при температуре от 30°С до 600°С и может использоваться для плазменной очистки, модификации поверхности и нанесения на поверхность покрытия. Для всех этих применений U-образная форма диэлектрического материала является наиболее предпочтительной. Для трубчатой конфигурации предпочтительным вариантом исполнения также является просто кольцо в виде радиального выступа (без обратного участка 21 у 'U'). На дальнем конце устройства имеется подводящее отверстие 6, предназначенное для введения плазменного газа в канал, сформированный между центральным электродом и диэлектрическим материалом 3. Предпочтительно, центральный электрод 2 соединяется с землей 8, тогда как наружный электрод подсоединяется к источнику напряжения 9. Также возможен вариант, когда электрод 1 заземляется, а электрод 2 подсоединяется к источнику напряжения. В данное изобретение также входит вариант, когда оба электрода подсоединяются к источнику напряжения. Через центральный электрод 2 может проходить подводящий канал 7, предназначенный для введения химически активных соединений непосредственно в плазму послесвечения на открытом конце. Расстояние 4 между наружной поверхностью центрального электрода и внутренней поверхностью электрического изолятора находится в диапазоне от 0,1 до 10 мм. Расстояние 5 - это диаметр зоны однородной плазмы. Расстояние 50 - это высота указанной зоны однородной плазмы, соответствующая высоте наружного электрода 1.
[0018] Центральный электрод 2 и наружный электрод 1 могут быть цилиндрическими с круглым поперечным сечением, то есть трубчатыми. Альтернативно, центральный электрод может быть плоским электродом 2, при этом наружный электрод 1 имеет переднюю и заднюю стороны 70, 71 (см. фиг.5А), соединенные по бокам 72 для формирования одного цилиндрического наружного электрода 1. Изолятор 3, следовательно, также имеет переднюю и заднюю стороны 73, 74, параллельные центральному электроду и соединенные по бокам 75 для формирования одного цилиндрического изолятора 3.
[0019] На фиг.3 представлено плазмотронное устройство согласно настоящему изобретению, оснащенное тремя параллельными электродами. Устройство содержит центральный электрод 15 и два параллельных электрода 16, 17, расположенные с каждой стороны центрального электрода. На чертеже изображено устройство в разрезе. Конечно же, реальное устройство закрыто с боковых сторон. Возможные поперечные сечения показаны на фиг.5В-5D. Устройства, показанные на фиг.5В-5D, закрыты с боковых сторон соответствующими изоляционными материалами (не показано). Устройство с «параллельной» конфигурацией, представленное на фиг.3, имеет два диэлектрических участка 18, 19, по существу, «параллельных электродам. На дальнем конце устройства имеется подводящее отверстие 6, предназначенное для введения плазменного газа в разрядный канал, сформированный между центральным электродом и изоляторами. Может иметься подводящий канал 7, проходящий через центральный электрод 15 и предназначенный для введения химически активных соединений непосредственно в плазму послесвечения на открытом конце. Центральный электрод 15 соединен с землей 8, тогда как наружные электроды 16, 17 подсоединены к источнику напряжения 9. Вариант исполнения, в котором наружные электроды 16, 17 заземлены, а центральный электрод 15 подсоединен к источнику напряжения, также входит в заявленное изобретение. Также, в заявленное изобретение входит вариант, в котором и центральный электрод 15, и наружные электроды 16, 17 подсоединены к источнику напряжения. На ближнем конце устройства диэлектрические участки выполнены в виде выступающего наружу участка 40, предпочтительно U-образной формы или в виде плоского, выступающего наружу участка, не имеющего, в этом случае, направленной в обратную сторону ножки 41 'U'. Расстояние 4 между наружной поверхностью центрального электрода и внутренней поверхностью электрического изолятора находится в диапазоне от 0,1 до 10 мм. Расстояние 5 - это ширина зоны однородной плазмы. Расстояние 60 - это высота указанной зоны однородной плазмы, соответствующая высоте наружных электродов. Расстояние 61 является длиной плазменной зоны, соответствующей длине (глубине) устройства.
[0020] На фиг.4 показана возможная особая конструкция устройства с параллельными электродами для получения плазменной струи согласно настоящему изобретению. В этой конструкции на указанном открытом конце плазмотрона по всей длине центрального металлического электрода 15 проходит круговое расширение 30. Как показано на фиг.4, и специальным образом сформированный диэлектрический материал (18, 19), и наружные металлические электроды (16, 17) имеют особую форму, гарантирующую постоянное (±1 мм) расстояние между наружной поверхностью центрального электрода и внутренней поверхностью электрического изолятора. Ссылка 60 указывает на высоту плазменной струи, 5 - ширину эффективной однородной плазмы послесвечения и 61 - на длину плазменной зоны в промежутке между параллельными электродами. Благодаря круглому расширению 30 концентрация послесвечения и, следовательно, плотность плазмы в период послесвечения увеличивается.
[0021] В общем, применяя плазмотрон согласно настоящему изобретению, используют следующие рабочие характеристики:
- электрическая мощность для трубчатого устройства с высотой электрода 50, равной 10 см (отсюда и далее называемого трубчатым устройством): 20-750 Вт;
- электрическая мощность для «параллельного» устройства (включая «параллельное» устройство с одним наружным электродом), высота (50, 60) электродов которого составляет 10 см и длина (61) электродов - 10 см (отсюда и далее называемого «параллельным» устройством): 100-5000 Вт. Приложенная мощность зависит от применения.
- Электрическое напряжение (8): 1-100 кВ.
- Расход (6) плазменного газа: 1-400 л/мин для трубчатого устройства, 10-4000 л/мин для «параллельного» устройства.
- Температура предварительно нагретого плазменного газа: 20-400°С. (Это означает, что плазменный газ перед подачей в плазмотрон можно нагревать вплоть до температуры 400°С).
2
2
2
2
6
4
- Плазменные газы: N, воздух, Не, Ar, CO+ смесь этих газов с H, O, SF, CF, насыщенных и ненасыщенных углеводородными газами, фторированными углеводородными газами.
- Расход мономера: 1-2000 г/мин (через канал 7 в центральном электроде непосредственно в плазму послесвечения).
- Расход питающего газа: 0.1-30 л/мин (через канал 7 в центральном электроде непосредственно в плазму послесвечения).
- Расстояние внутреннего зазора (4): 0.1-10 мм (зависит от плазменного газа и применения).
- Диаметр (для трубчатого устройства) или ширина (5) (для «параллельного» устройства) зоны однородной плазмы: 6-80 мм.
- Длина эффективной плазмы послесвечения: 5-100 мм (зависит от применения).
[0022] Когда на один из электродов подается высокое напряжение переменного тока или напряжение прерывистого постоянного тока, в промежутке между диэлектриком и внутренним электродом происходит диэлектрический барьерный разряд. Находящиеся в плазме активные частицы выносятся из плазмотрона потоком плазменного газа. Это послесвечение направляется в сторону объекта, таким способом может выполняться плазменная обработка 3-D объектов. В случае применения напряжения прерывистого постоянного тока частота предпочтительно составляет от 1 до 200 кГц, и, преимущественно, от 50 до 100 кГц.
[0023] Преимущества от радиально или наружно выступающего диэлектрика, входящего в состав установки для получения плазменной струи согласно настоящему изобретению, можно обобщить, сводя их к следующим 3 понятиям: расстояние до источника плазмы, ширина активации и расход плазменных газов.
Расстояние до источника плазмы
[0024] Следует отметить, что в плазменном разряде радикалы и, в частности, ионы являются чрезвычайно короткоживущими и почти не могут перемещаться за пределы области разряда. С другой стороны, метастабильные частицы, образующиеся в плазме, имеют большее время жизни при атмосферном давлении, обычно порядка сотен миллисекунд. Большее время жизни позволяет им быть вынесенными из объема плазмы с потоком плазменного газа. Очевидно, что в первую очередь будут утрачены наиболее химически активные метастабильные частицы. Чем ближе к источнику плазмы, тем плазма послесвечения более химически активна. Применяя новаторский плазмотрон согласно настоящему изобретению, можно поднести образцы на расстояние до 2 мм от активного источника плазмы. Опыты показали, что стабильная активация некоторых полимеров возможна только при использовании плазмотрона раскрытой выше конфигурации, с диэлектриком, выступающим радиально или с наружной стороны.
Примеры
Плазменная активация каучука
[0025] Невозможно активировать каучук, используя классическую технологию: расстояние каучук/источник плазмы представляется слишком большим. Наиболее химически активные и в данном случае необходимые частицы плазмы утрачиваются прежде, чем они сталкиваются с образцом каучука.
[0026] Применяя U-образный диэлектрик, подобный представленному на фиг.2, получают более химически активную плазму послесвечения.
Параметры:
- Мощность: 400 Вт.
- Частота: 70 кГц.
- Плазменный газ: 65 л воздуха/мин.
- Прекурсор: нет.
- Температура плазмы послесвечения: 65°С.
- Расстояние каучук/источник плазмы: 4 мм.
- Поверхностная энергия перед активацией плазмы: ±20 дин.
- Поверхностная энергия после активации плазмы: >75 дин.
- Поверхностная энергия через 1 неделю после активации плазмы: 62 дины.
Плазменная активация поливинилхлорида (ПВХ)
[0027] ПВХ термочувствителен. Активация, выполненная посредством классической технологии, нестабильна во времени. По прошествии нескольких часов активация полностью утрачивается.
[0028] При применении U-образного диэлектрика получают более химически активную плазму послесвечения.
- Мощность: 300 Вт.
- Частота: 32 кГц.
2
- Плазменный газ: 60 л N/мин.
- Прекурсор: нет.
- Температура плазмы послесвечения: 60°С.
- Расстояние ПВХ/источник плазмы: 5-7 мм.
- Поверхностная энергия перед активацией плазмы: 45 дин.
- Поверхностная энергия после активации плазмы: >75 дин.
- Поверхностная энергия через 1 неделю после активации плазмы: 64 дины.
- Поверхностная энергия через 1 месяц после активации плазмы: 56 дин.
- Поверхностная энергия через 4 месяца после активации плазмы: 54 дины.
Ширина активации
[0029] Если плоские образцы поднести близко к плазме послесвечения, активные частицы плазмы послесвечения распространяются на определенном пространстве в промежутке между плазмотроном и образцами. Это означает, что активированное пятно может быть намного шире диаметра плазмотрона. Чем ближе образцы подносятся к источнику активной плазмы, тем шире будет активированное пятно. Опыты подтвердили, что для одинаковых состояний плазмы активированное пятно с применением плазмотрона согласно настоящему изобретению (с U-образным диэлектриком) будет намного шире, чем при использовании классической технологии.
Примеры
Плазменная активация полиэтилена
[0030] При увеличении ширины активированного пятна снижаются общие эксплуатационные расходы на использование (мульти-)плазмотрона. Применяя плазмотрон согласно настоящему изобретению, получают более химически активную плазму послесвечения и распространение активных частиц на более широком пространстве.
- Мощность: 200 Вт.
- Частота: 50 кГц.
2
- Плазменный газ: 50 л N/мин.
- Прекурсор: нет.
- Температура плазмы послесвечения: 65°С.
- Диаметр плазмотрона: 15 мм.
- Поверхностная энергия перед активацией плазмы: 32 дины.
- Поверхностная энергия после активации плазмы: 62 дины.
Расстояние образец/источник плазмы (мм):
Ширина однородного активированного пятна (мм) (62 дины):
2,5
45
4
41
6
25
8
22
10
22
12,5
22
15
22
20
18
30
7
35
3
[0031] При использовании классической технологии ширина однородного активированного пятна составляла максимум 32 мм при расстоянии образец/плазмотрон 1,5 мм.
Плазменная активация полипропилена
[0032] При увеличении ширины активированного пятна снижаются общие эксплуатационные расходы на использование (мульти-)плазмотрона. Применяя плазмотрон согласно настоящему изобретению, достигается более химически активная плазма послесвечения и активные изотопы распространяются на более широком пространстве.
- Мощность: 200 Вт.
- Частота: 50 кГц.
- Плазменный газ: 50 л воздуха/мин.
- Прекурсор: нет.
- Температура плазмы послесвечения: 65°С.
- Диаметр плазмотрона: 15 мм.
- Поверхностная энергия перед активацией плазмы: 36 дин.
- Поверхностная энергия после активации плазмы: 70 дин.
Расстояние образец/источник плазмы (мм):
Ширина однородного активированного пятна (мм) (70 дин):
2,5
48
4
45
6
26
8
22
10
22
12,5
22
15
22
20
20
30
12
35
4
[0033] При использовании классической технологии ширина однородного активированного пятна составляла максимум 33 мм при расстоянии образец/плазмотрон 1,5 мм.
Расход плазменних газов/энергии плазмы
[0034] Вследствие того что образцы можно поднести ближе к зоне активной плазмы, в послесвечении будет потеряно меньше химически активных частиц. Так, по сравнению с классическим плазмотроном можно получить тот же эффект, расходуя меньше газа и/или энергии. Это последнее преимущество может рассматриваться как косвенный результат двух прежних преимуществ.
[0035] Экспериментально доказано, что для достижения одинакового эффекта плазменной активации требуется меньший расход газов и/или энергии. Подобные опыты могут быть проведены специалистами в данной области техники.