一種多源小功率低溫等離子體聚合塗層裝置及方法與流程
2023-10-09 14:40:59
本發明屬於等離子體技術領域，特別涉及一種低溫等離子體聚合塗層裝置及方法。
背景技術：
等離子體表面處理作為提升材料表面性能有效方法被廣泛應用於航空航天、汽車製造、機械重工和五金工具製造等領域。等離子體聚合塗層是一種重要的表面處理方法。在等離子體聚合塗層過程中，需要在真空室中通入工藝氣體和氣態有機類單體，通過放電把有機類氣態單體等離子體化，使其產生各類活性種，由這些活性種之間或活性種與單體之間進行加成反應形成聚合物。由於聚合物塗層一般不導電，通常必須使用高頻放電源產生等離子體，而為了提高生產效率、降低成本，現有的等離子體聚合塗層裝置儘可能增大放電源面積以能夠同時處理更多基材。但大面積的高頻放電源功率閾值大，產生的等離子體能量高、密度高，易將化學單體結構過度破壞，使形成的聚合物塗層質量不良。另外，大面積的高頻放電源由於存在駐波效應，所產生的等離子體在空間分布不均勻，使批處理產品質量均一性不良。
理論上解決上述問題的可以用多個小面積、小功率的高頻放電源組合起來代替單一的大面積、大功率高頻放電源。但是實際上由於各不同高頻放電源之間難以做到相位完全一致，存在相互之間的串擾，使各高頻放電源工作不穩定，嚴重時可能燒壞供電電源。而為了減小各高頻放電源相互之間的串擾，不得不拉開各高頻放電源之間的距離，而各高頻放電源之間距離的加大又會使所產生的等離子體空間分布不均勻。
技術實現要素：
本發明的目的是針對現有的等離子體聚合塗層裝置使用大面積、大功率高頻放電源所產生的等離子體在空間分布不均勻、批處理產品質量均一性不良、等離子體能量高、密度高，易將化學單體結構過度破壞，使形成的聚合物塗層質量不良的問題，以及多個小面積、小功率高頻放電源的組合所存在的各高頻放電源之間相互串擾，所產生的等離子體空間分布不均勻等問題提供一種多源小功率低溫等離子體聚合塗層裝置。
本發明為實現上述目的所採用的技術方案如下：
在主真空室壁上相互靠近安裝多個放電腔，在每個放電腔通往主真空室的開口處安裝一個平面接地柵網以屏蔽各放電腔之間的相互串擾；在每個放電腔內靠近柵網處安裝多孔電極板，多孔電極板與柵網平行並保持一個小間隙以消除它們之間的等離子體，避免各放電腔內的電磁波通過等離子體傳播進入主真空室；多孔電極板上均勻分布的通孔供電中性的放電產物和活性基團通過經柵網進入主真空室；多孔電極板通過絕緣支架固定在放電腔壁上，通過導線連接小功率高頻電源，每個放電腔內的多孔電極板連接一個小功率高頻電源，使多孔電極板對放電腔壁放電，在放電腔內產生等離子體；載體氣體管路和單體蒸汽管路分別連接到每個放電腔內，載體氣體管路和單體蒸汽管路另一端分別連接到載體氣體源和單體蒸汽源；真空排氣管連接到主真空室內，真空排氣管另一端連接到真空泵；待處理的基材放在主真空室內部，且位於放電腔外部，載體氣體和單體蒸汽在各放電腔內發生放電，單體蒸汽發生聚合，聚合產物在載體氣流帶動下先後穿過多孔電極板上的小孔和柵網進入真空室並沉積在基材表面形成聚合物塗層。
所述放電腔為圓筒形，材質為金屬，其直徑範圍是深度為30-150mm。
所述放電腔相鄰軸線之間的間距為70～400mm。
所述多孔電極板與所述柵網之間的間隙小於8mm。
所述多孔電極板上分布的通孔直徑是1～10mm，孔間距1～10mm。
所述的小功率高頻電源功率為5～100W，頻率為20kHz～300MHz。
所述的真空排氣管連接在主真空室與放電腔相對的壁上。
一種利用上述所述的多源小功率低溫等離子體聚合塗層裝置進行塗層的方法，其特徵在於：主要包括以下步驟：
(1)、在真空室內放置待處理的基材，開啟真空泵將真空室內真空度抽到1Pa以下；
(2)、開啟載體氣體管路和單體蒸汽管路，通入載體氣體和單體蒸汽，維持真空室內的真空度為2-30Pa；
(3)、開啟小功率高頻電源，多孔電極板對放電腔壁放電，單體蒸汽發生聚合，聚合產物在載體氣流帶動下先後穿過多孔電極板上的小孔和柵網進入真空室並沉積在基材表面形成聚合物塗層。
所述載體氣體為氬氣或氦氣中的一種或兩種混合物。
本發明的上述技術方案與現有技術相比具有以下優點：
(1)由於真空室內安裝多個放電腔，分開但相互靠近的多個放電腔避免了單一大面積放電源存在的駐波效應，使得真空室內等離子體的空間分布均勻，批處理產品質量均一性良好。
(2)與單一大面積電極放電源相比，各小功率放電腔放電功率閾值小，放電總功率小，產生的等離子體能量、密度較低，化學單體結構不易被過度破壞，形成的聚合物塗層質量良好。
(3)柵網接地且多孔電極板平行靠近柵網，消除它們之間的等離子體，有效阻擋各放電腔內的電磁波通過等離子體傳播進入主真空室，避免各放電腔之間的相互幹擾，使各放電腔能夠靠近安裝，真空室內等離子體的空間分布均勻，批處理產品質量均一性良好。
附圖說明
圖1為一種多源小功率低溫等離子體聚合塗層裝置示意圖。
圖2為圖1中放電腔的結構示意圖。
圖中：1、主真空室，2、放電腔，3、柵網，4、多孔電極板，5、小功率高頻電源，6、載體氣體管路，7、單體蒸汽管路，8、真空排氣管，9、基材，10、絕緣支架，11、導線。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明，但本發明並不局限於具體實施例。
實施例1
一種多源小功率低溫等離子體聚合塗層裝置，該裝置中，主真空室的壁上安裝多個放電腔，放電腔為圓筒形，材質是金屬，其直徑範圍是深度為150mm；相鄰放電腔軸線之間的間距為70mm；放電腔通往主真空室的開口處安裝一個平面接地柵網；在放電腔內靠近柵網處安裝多孔電極板，多孔電極板上均勻分布通孔，通孔直徑1mm，孔間距1mm；多孔電極板與柵網平行且間隙小於8mm；多孔電極板通過絕緣支架固定，通過導線連接小功率高頻電源，小功率高頻電源的功率為5W，頻率為20kHz；載體氣體管路和單體蒸汽管路連接到每個放電腔內，載體氣體管路和單體蒸汽管路另一端分別連接到載體氣體源和單體蒸汽源；真空排氣管連接到主真空室與放電腔相對的壁上，真空排氣管另一端連接到真空泵；待處理的基材放在主真空室內部，並位於放電腔外部。
實施例2
一種利用實施例1所述的多源小功率低溫等離子體聚合塗層裝置進行塗層的方法，其特徵在於：主要包括以下步驟：
(1)、在真空室內放置待處理的基材，開啟真空泵將真空室內真空度抽到1Pa；
(2)、通入載體氣體，使載體氣體經載體氣體管路進入到放電腔及真空室，所述載體氣體為氬氣，維持真空室內的真空度為30Pa；通入單體蒸汽，使單體蒸汽經單體蒸汽管路進入真空室，所述單體蒸汽含有至少一個不飽和碳碳鍵，其中一個不飽和碳原子上不含取代基，所述單體的結構中可以含有滷素官能團或其他官能團，所述滷素官能團為F,Cl,Br,I中一種或多種，其他官能團為羥基，羧基，環氧基團，矽氧基團中一種或多種，例如單體為二甲基乙烯基乙氧基矽烷；
(3)、開啟小功率高頻電源，多孔電極板對放電腔壁放電，單體蒸汽發生聚合，聚合產物在載體氣流帶動下先後穿過多孔電極板上的小孔和柵網進入真空室並沉積在基材表面形成聚合物塗層。
實施例3
一種多源小功率低溫等離子體聚合塗層裝置，該裝置中，主真空室的壁上安裝多個放電腔，放電腔為圓筒形，材質是金屬，其直徑範圍是深度為30mm；相鄰放電腔軸線之間的間距為400mm；放電腔通往主真空室的開口處安裝一個平面接地柵網；在放電腔內靠近柵網處安裝多孔電極板，多孔電極板上均勻分布通孔，通孔直徑10mm，孔間距10mm；多孔電極板與柵網平行且間隙小於8mm；多孔電極板通過絕緣支架固定，通過導線連接小功率高頻電源，小功率高頻電源的功率為100W，頻率為300MHz；載體氣體管路和單體蒸汽管路另一端分別連接到載體氣體源和單體蒸汽源；真空排氣管連接到主真空室與放電腔相對的壁上，真空排氣管另一端連接到真空泵；待處理的基材放在主真空室內部，並位於放電腔外部。
實施例4
一種利用實施例3所述的多源小功率低溫等離子體聚合塗層裝置進行塗層的方法，其特徵在於：主要包括以下步驟：
(1)、在真空室內放置待處理的基材，開啟真空泵將真空室內真空度抽到0.5Pa以下；
(2)、通入載體氣體，使載體氣體經載體氣體管路進入到放電腔及真空室，所述載體氣體為氦氣，維持真空室內的真空度為12Pa；通入單體蒸汽，使單體蒸汽經單體蒸汽管路進入真空室，所述單體蒸汽含有至少一個不飽和碳碳鍵，其中一個不飽和碳原子上不含取代基，所述單體的結構中可以含有滷素官能團或其他官能團，所述滷素官能團為F,Cl,Br,I中一種或多種，其他官能團為羥基，羧基，環氧基團，矽氧基團中一種或多種，例如單體為為甲基丙烯酸三氟乙酯；
(3)、開啟小功率高頻電源，多孔電極板對放電腔壁放電，單體蒸汽發生聚合，聚合產物在載體氣流帶動下先後穿過多孔電極板上的小孔和柵網進入真空室並沉積在基材表面形成聚合物塗層。
實施例5
一種多源小功率低溫等離子體聚合塗層裝置，該裝置中，主真空室的壁上安裝多個放電腔，放電腔為圓筒形，材質是金屬，其直徑範圍是深度為90mm；相鄰放電腔軸線之間的間距為200mm；放電腔通往主真空室的開口處安裝一個平面接地柵網；在放電腔內靠近柵網處安裝多孔電極板，多孔電極板上均勻分布通孔，通孔直徑5mm，孔間距5mm；多孔電極板與柵網平行且間隙小於8mm；多孔電極板通過絕緣支架固定，通過導線連接小功率高頻電源，小功率高頻電源的功率為50W，頻率為100MHz；載體氣體管路和單體蒸汽管路另一端分別連接到載體氣體源和單體蒸汽源；真空排氣管連接到主真空室與放電腔相對的壁上，真空排氣管另一端連接到真空泵；待處理的基材放在主真空室內部，並位於放電腔外部。
實施例6
一種利用實施例3所述的多源小功率低溫等離子體聚合塗層裝置進行塗層的方法，其特徵在於：主要包括以下步驟：
(1)、在真空室內放置待處理的基材，開啟真空泵將真空室內真空度抽到0.06Pa；
(2)、通入載體氣體，使載體氣體經載體氣體管路進入到放電腔及真空室，所述載體氣體為氬氣和氦氣，維持真空室內的真空度為2Pa；通入單體蒸汽，使單體蒸汽經單體蒸汽管路進入真空室，所述單體蒸汽含有至少一個不飽和碳碳鍵，其中一個不飽和碳原子上不含取代基，所述單體的結構中可以含有滷素官能團或其他官能團，所述滷素官能團為F,Cl,Br,I中一種或多種，其他官能團為羥基，羧基，環氧基團，矽氧基團中一種或多種，例如單體為為甲基丙烯酸和甲基丙烯酸-2-羥乙酯；
(3)、開啟小功率高頻電源，多孔電極板對放電腔壁放電，單體蒸汽發生聚合，聚合產物在載體氣流帶動下先後穿過多孔電極板上的小孔和柵網進入真空室並沉積在基材表面形成聚合物塗層。