способ обработки термически нестойких материалов холодной плазменной струей

Формула изобретения

Способ обработки термически нестойких материалов холодной плазменной струей, включающий формирование плазменной струи путем пропускания потока газа через зону электрического разряда, при этом в качестве плазмообразующего газа используют атмосферный воздух, плазму получают в стационарном тлеющем разряде атмосферного давления, который создают посредством системы электродов в потоке газа в межэлектродных промежутках, отличающийся тем, что полученную холодную плазменную струю выносят за зону разряда на обрабатываемую поверхность, при этом для создания плазмы используют систему из секционированных катода и анода, в которой секции анода выполнены в форме тонких пластин, а секции катода выполнены в форме штырей или тонких игл, ориентированных перпендикулярно потоку газа и расположенных в плоскости, касающейся нижней по потоку границы анодных секций, а межэлектродные промежутки расположены непосредственно на выходе газового потока из газоразрядной камеры.

Описание изобретения к патенту

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.