СПОСОБ ОБРАБОТКИ ТЕРМИЧЕСКИ НЕСТОЙКИХ МАТЕРИАЛОВ ХОЛОДНОЙ ПЛАЗМЕННОЙ СТРУЕЙ
PROCEDURE FOR PROCESSING THERMALLY UNSTABLE MATERIAL WITH COLD PLASMA JET

Изобретение относится к области плазменной модификации поверхности термически нестойких материалов при атмосферном давлении и может быть использовано при гидрофилизации/гидрофобизации и повышении адгезионных свойств полимеров, текстиля, бумаги и т.д.
Сущность изобретения заключается в модификации поверхностей термически нестойких материалов при атмосферном давлении за счет использования холодных (близких к комнатной температуре), но химически активных плазменных струй в атмосферном воздухе.
Одним из эффективных способов плазмохимической обработки термически нестойких материалов при атмосферном давлении (например, полимерных пленок с целью придания им гидрофильных свойств, улучшающих качество печати) является их обработка неравновесной плазмой непосредственно в зоне разряда. При этом в газоразрядной плазме происходит возбуждение и диссоциация газообразных соединений с формированием различных радикалов, активно воздействующих на обрабатываемую поверхность.
Наиболее распространенный способ плазмохимической обработки (аналог) состоит в использовании барьерного разряда, при котором электрический ток проходит сквозь обрабатываемый материал (Патент США 5,403,453, кл. H05F 3/00 1995).
Общим недостатком известного и других ему подобных способов является невозможность обработки проводящих материалов, а также диэлектрических материалов с толщиной более 1 мм. Кроме того, прохождение электрического тока через тонкий обрабатываемый материал приводит к его электрическому пробою, что создает в материале большое число пор и приводит к его порче.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности (прототипом) является способ модификации поверхностей с использованием плазменной струи, создаваемой газоразрядной камерой, питаемой радиочастотным источником с частотой напряжения 13.56 МГц и прокачиваемой газовым потоком, содержащим большое количество гелия (J.Park, I.Henins, Н.W.Herrmann, et al., Discharge Phenomena of an Atmospheric Pressure Radio-Frequency Capacitive Plasma Source, "Journal of Applied Physics" 89, 20-28 (2001)).
Недостатком известного способа является невозможность создания холодной (с температурой, близкой к комнатной) неравновесной плазмы в потоке воздуха, что делает его непригодным для модификации термически нестойких поверхностей непосредственно в условиях атмосферного воздуха. Кроме того, гелий очень дорогой газ и его использование в известном способе приводит к сильному удорожанию процесса плазменной модификации.
Техническим результатом изобретения является упрощение и снижение стоимости способа холодной обработки термически нестойких материалов при атмосферном давлении за счет использования неравновесной плазменной струи, создаваемой газовым разрядом непосредственно в потоке воздухе.
Этот технический результат достигается путем усовершенствования известного способа обработки термически нестойких материалов холодной плазменной струей, которую формируют путем пропускания потока газа через зону электрического разряда с последующим ее выносом за зону разряда на обрабатываемую поверхность.
Усовершенствование изобретения заключается в том, что в качестве плазмообразующего газа используется атмосферный воздух, плазму получают в стационарном тлеющем разряде атмосферного давления, который создают на выходе потока газа из камеры в межэлектродных промежутках, образованных пластинчатыми анодами и штыревыми катодами, расположенными напротив кромок анодных пластин, обращенных к выходу камеры.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 указана схема обработки полимерной пленки, а на фиг.2 показана электродная система для создания холодной плазменной струи.
Газоразрядная камера выполнена в форме прямоугольного параллелепипеда, содержащего диэлектрические стенки 1, внутри которых размещена электродная система из секционированных катода 2 (фиг.2) и анода 3, нагруженных на балластные сопротивления 4. Секции анода выполнены в форме тонких пластин. Площадь анодных секций определяется сортом плазмообразующего газа. Секции катода выполнены в форме штырей или тонких игл, ориентированных перпендикулярно потоку и расположенных в плоскости, касающейся нижней по потоку границы анодных секций. Электроды установлены в камере таким образом, что их межэлектродные промежутки расположены непосредственно на выходе газового потока из камеры. Расстояние между катодными секциями не превышает межэлектродное расстояние. При подаче на клемму 5 высокого электрического напряжения между катодом и анодом формируется газовый разряд, плазма 6 которого выносится потоком из полости камеры.
Предложенный способ осуществляют следующим образом. Воздух при атмосферном давлении прокачивают между катодом 2 и анодом 3, на которые подают постоянное электрическое напряжение 15-35 кВ для возбуждения стационарного тлеющего разряда. За счет большой скорости воздушного потока, варьируемой в пределах 30-70 м/с, и особенностей геометрии предложенной конструкции электродной системы (штыри катода смещены к кромкам анодных пластин, обращенных к выходу потока воздуха из газоразрядной камеры) газоразрядная плазма выносится из межэлектродного промежутка, что приводит к созданию в свободном пространстве вне камеры струи химически активной, но холодной плазмы, направляемой на неподвижный или движущийся обрабатываемый материал 7. В результате воздействия химически активной плазменной струи на поверхность материала происходит его модификация. Струя плазмы 6 и/или обрабатываемый материал 7 перемещаются друг относительно друга с нужной скоростью. Длительность экспозиции материала плазменной струей определяется расчетным путем и зависит от свойств материала и типа модификации поверхности. Возможность использования окружающего атмосферного воздуха в качестве плазмообразующего газа является существенным преимуществом предложенного способа, позволяющим упростить процесс обработки и снизить его стоимость.