一種用於顆粒表面改性的等離子鍍膜裝置的製作方法

2023-06-07 08:19:31

專利名稱：一種用於顆粒表面改性的等離子鍍膜裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於材料表面改性技術領域，特別涉及一種用於顆粒表面改性的等 離子鍍膜裝置。
背景技術：
等離子體聚合鍍膜是一種在有機氣體中，或者單體與其它氣體的混合氣體中 進行輝光放電，使單體激發形成活性自由基後進行聚合反應形成了聚合物薄膜的 新型鍍膜方法。等離子體聚合是由荷能電子碰撞激勵單體引起的，並不要求存在 非飽和鍵或特定官能團，因此一些通常難以聚合或聚合速度很慢的單體變得易於 聚合，而且聚合速度可以很快。幾乎所有的有機氣體物質，甚至連無機氣態物質 都能被用作單體實現聚合。這種鍍膜方法與傳統聚合法相比，有著許多的優點。 等離子體聚合時，可以沉積在不同基體表面，包括金屬、合金塊、聚合薄膜、紙、 玻璃、多孔材料和顆粒材料；能量主要集中於材料表面，獲得的表面修飾(改性)
幾乎不改變基體的整體性質；薄膜厚度可以從幾納米到數微米；薄膜連續、無針
孔；薄膜與基體黏附性好；薄膜產物高度三維交聯；薄膜具有穩定的化學性能， 耐腐蝕；薄膜具有優異的電性能和機械性能。
由於等離子體聚合具有的這些優點，近幾年來等離子體有機聚合改性材料技 術發展較快。目前，等離子體聚合薄膜廣泛應用到防蝕防摩擦、光學、電子、反 滲透膜、傳感器、醫藥生物及航空航天等領域。等離子體聚合反應裝置是進行等 離子鍍膜的關鍵。對於不同的使用目的，等離子體聚合反應裝置的結構設計有多 種形式。但是現在絕大多數反應裝置都不適合顆粒表面等離子鍍膜。目前應用較 多的等離子鍍膜反應裝置是平行金屬板電極的鐘罩型等離子反應裝置，這種裝置 是將射頻電源的引線連接到反應室內的兩個平行金屬板上，通電後平行金屬板 之間產生放電，使單體電離，在平行板之間的基體表面上沉積生成聚合薄膜。
這種裝置的缺陷為1)基體只能為具有較大表面的物體，不適合細小顆粒 表面鍍膜。2)由於平行板之間的邊沿處的等離子放電與平行中間的等離子放電強度不一樣，以及基體固定地放置在平行板之間，因此生成的聚合薄膜均勻性較 差。

發明內容
本發明的目的在於提供一種能夠防止樣品顆粒受到汙染的等離子鍍膜裝置。 本發明進一步的目的是提供一種能夠實現顆粒表面均勻可控、薄膜成分多樣 化、薄膜厚度可控的等離子鍍膜裝置。
為實現上述發明目的，本發明提供的用於顆粒表面改性的等離子鍍膜裝置包 括反應室、射頻電源、單體蒸氣產生瓶、介質氣體瓶和真空泵；所述單體蒸氣產 生瓶、介質氣體瓶和真空泵分別通過管道與反應室連接，所述射頻電源連接一射 頻放電線圈，該射頻放電線圈纏繞在反應室容器的外壁上。
上述技術方案中，所述單體蒸氣產生瓶、介質氣體瓶與反應室連接的管道上 分別設有流量控制器。
上述技術方案中，所述反應室還連接一真空計。
上述技術方案中，所述反應室中的樣品顆粒靠反應氣體的流動而被吹起彌散 在反應室中。
在另一技術方案中，反應室中的樣品顆粒靠磁力攪拌器將顆粒攪拌起來彌散 在反應室中。
在又一述技術方案中，反應室為一橫放的大玻璃管，其樣品顆粒攪拌為一電 動機帶到葉片轉動方式，所述電動機密封在玻璃管內。在進行等離子鍍膜時，所 述反應室的樣品顆粒由電動機驅動的葉片攪拌並彌散在反應室中。
為實現上述發明目的，本發明還提供一種用於顆粒表面改性的等離子鍍膜的 方法，包括如下步驟
1) 首先將樣品顆粒置於反應室內；
2) 用真空泵對反應室降壓，然後將介質氣體瓶中的介質氣體和單體蒸氣產 生瓶中的單體蒸氣引入反應室；
3) 最後，開啟射頻電源，使得反應室中產生輝光放電，從而在樣品顆粒表 面形成均勻的薄膜。上述技術方案中，所述步驟3)中，在開啟射頻電源前，首先使得樣品顆粒 彌散在反應室中。
上述技術方案中，所述步驟2)中，通過控制反應室的工作壓力以及反應室 中介質氣體和單體蒸氣的濃度來實現薄膜厚度可控。
本發明能夠達到如下技術效果實現顆粒表面均勻可控的等離子鍍膜；薄膜 成分多樣化；薄膜厚度在幾納米到數微米之間可控；薄膜連續、無針孔、三維交 聯；能為特定用途的顆粒表面鍍上特定的薄膜，包括在顆粒表面鍍膜以改善顆 粒的表面性能吸附性能(包括親水性、疏水性、粘合性、潤滑性、耐磨性等)； 改善顆粒的電學性能(包括絕緣性、導電性、抗靜電等)；以及將鍍膜後的顆粒 用於醫學(如提高顆粒表面的抗血栓性、組織適應性，將顆粒用於藥物緩釋，耙 向藥物輸送等)。


圖1本發明裝置總體結構示意圖
圖2是採用顆粒自彌散小玻璃管方案的反應室4的結構示意圖 圖3是採用磁力攪拌直立圓筒狀玻璃管方案的反應室4的結構示意圖 圖4是採用電機攪拌臥式玻璃管方案的反應室4的結構示意圖 圖面說明
2、氬氣瓶
1、單體蒸氣產生瓶 4、反應室
7、真空泵 10、射頻線圈 13、氬氣入口 16、砂板 19、攪拌電機
5、射頻電源 8、真空泵接口
11、射頻電源接口 14、單體蒸氣入口
17、磁性攪拌葉片 20、攪拌器葉片
3、流量控制器 6、真空計
9、真空計接口 12、顆粒 15、棉花 18、磁力攪拌器
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步地描述。 實施例1如圖1所示，本實施例的裝置主要由反應室4、射頻電源5、單體蒸氣產生 瓶l、氬氣瓶2、流量控制器3、真空計6和真空泵7組成；所述單體蒸氣產生 瓶l、氬氣瓶2和真空泵7分別通過管道與反應室4連接，所述單體蒸氣產生瓶 1、氬氣瓶2與反應室4連接的管道上分別設有流量控制器3，所述射頻電源5 連接一射頻放電線圈，該射頻放電線圈纏繞纏繞在反應室4容器的外壁上。
本實施例的反應室4是一種採用顆粒自彌散小玻璃管方案的等離子聚合反 應室4。如圖2所示，本實施例的反應室4主體是一呈豎直狀態的細長玻璃管， 所述射頻放電線圈纏繞在該細長玻璃管上。樣品臺為一砂板16，置於所述細長 玻璃管底部。在細長玻璃管下方還具有一與其連通的球形玻璃容器，該球形玻璃 容器上設有真空泵接口 8和單體蒸氣入口 14。細長玻璃管頂部設置真空泵接口 8 和真空計接口 9 (此二接口也可合併為一個接口)，且位於細長玻璃管頂部的接 口均用棉花15堵住，防止顆粒12被吸入真空泵7。本實施例中的細長玻璃管直 徑為30mm長度為400mm。
本發明裝置的工作流程如下
先用真空泵7將反應室4壓力抽至2Pa以下，然後讓氬氣和單體蒸氣引入反 應室4，根據需要通過氣體/單體調節流量控制器3和真空泵7來控制反應室4 的工作壓力及氬氣和單體蒸氣的濃度。頻率為13.56MHz的射頻電源5放作為等 離子體薄膜沉積反應室4中輝光放電的電源，通過調節射頻電源5與射頻線圈 IO間的阻抗匹配，在沉積反應室4中產生輝光放電，氬氣電離激發後碰撞單體 蒸氣分子，使單體分子的化學鍵斷開重新在顆粒表面沉積，從而在顆粒表面形成 均勻的薄膜。根據各種特殊的化學官能團、薄膜厚度和其它化學和物理性質方面 的要求，通過控制聚合反應參數，如射頻電源5的頻率、功率、氬氣和單體蒸 氣的流量以及真空度等來定向設計聚合物薄膜。本實施例中射頻電源的頻率可在 300kHz-3GHz的範圍內選取。本發明中，氬氣還可以使用氦氣、氖氣、氪氣、 氙氣或氮氣替代。
更具體地說，本實施例的反應室4採用顆粒自彌散方法。樣品顆粒12放在 玻璃管中的砂板16上面，工作時，單體蒸氣和氬氣從下往上流入反應室4，把 砂板16上的顆粒12吹起，彌散在反應室4中。單體蒸氣被射頻電源5激發，被 打斷化學鍵的單體分子，在顆粒物上表面聚合，達到顆粒鍍膜的目的。此方案的特點是l)不用任何攪拌器，顆粒物就可以彌散在反應室4中，實現均勻鍍膜。 2)結構簡單、緊湊，工作功效小，節約能源，易於操作和清洗。
本實施例的方案適合用於小量的細小顆粒(納米級)等離子鍍膜。 本實施例的方案中，反應室4可採用的尺寸範圍如下反應室4直徑為 10~40mm,長度為:100 400mm 。
實施例2
本實施例的反應室4採用磁力攪拌直立圓筒狀玻璃管方案，除反應室4外的 其餘部分及各部分之間的連接關係均與實施例1一致，不再贅述。下面描述本實 施例中反應室4的結構。
如圖3所示，本實施例反應室4為直徑為100mm長度為600mm的直立玻 璃管，樣品放在玻璃管的底部。玻璃管正下方設置一個磁力攪拌器。玻璃管內具 有磁性攪拌葉片17，該磁性攪拌葉片17安裝在玻璃管底部。單體蒸氣入口 14 位於玻璃管接近底面的側壁上，玻璃管頂部具有氬氣入口 13、真空泵接口 8和 真空計接口 9。射頻線圈10纏繞在玻璃管的側壁上。在具體實現中，可以把反 應室的玻璃管制作成兩個部分，然後通過法蘭21將這兩個部分連接在一起以構 成一個完整的腔體。
本實施例的總體流程也與實施例1 一致。只是在反應器中採用磁力攪拌的方 法實現顆粒彌散。工作時，磁力攪拌器帶動玻璃管內的磁性攪拌葉片17旋轉， 將顆粒12攪拌起來彌散在反應室4中。單體蒸氣被射頻電源5激發，被打斷的 化學鍵的官能團在顆粒物上表面聚合，達到顆粒鍍膜的目的。本實施例的特點是 1)磁力攪拌可以攪拌起在1方案中不能被氣體吹起的稍大顆粒。2)結構簡單， 易於操作和清洗。
本實施例的方案適用於稍大顆粒(納米級或微米級)等離子鍍膜。
本實施例的方案中，反應室4可採用的尺寸範圍如下反應室4直徑為 5~15mm,長度為:200 500mm 。
實施例3
本實施例的反應室4採用電機攪拌臥式玻璃管方案，除反應室4外的其餘部分及各部分之間的連接關係均與實施例1 一致，不再贅述。下面描述本實施例中 反應室4的結構。
如圖4所示，本實施例中的反應室4是直徑為15mm長度為1000mm的臥 式玻璃管，樣品顆粒12放在玻璃管下側的內壁面上。所述玻璃管內安裝一橫向 轉軸，攪拌葉片安裝在該橫向轉軸上。攪拌電機通過橫向轉軸驅動所述攪拌葉片 轉動。所述攪拌電機、橫向轉軸和攪拌葉片均密封在所述玻璃管內。所述玻璃管 的上側分別設置氬氣入口 13、單體蒸氣入口 14、真空計接口 9和真空泵接口 8。 所述射頻線圈IO纏繞在玻璃管的側壁上。在具體實現中，可以把反應室的玻璃 管制作成兩個部分，然後通過法蘭21將這兩個部分連接在一起以構成一個完整 的腔體。
本實施例的總體流程也與實施例1 一致。只是在反應室4中採用電機攪拌的 方法實現顆粒彌散。工作時，密封在玻璃管內的電機帶動的橫向攪拌器，將顆粒 12攪拌起來彌散在反應室4中。單體蒸氣被射頻電源5激發，被打斷的化學鍵 的官能團，在顆粒物上表面聚合，達到顆粒鍍膜的目的。本實施例的特點是1) 反應室4的體積較大，可以進行大批量的顆粒鍍膜處理。2)臥式反應室4內的顆 粒更容易被攪拌起來，顆粒彌散更均勻。本實施例適用於大批量的顆粒鍍膜處理。
本實施例的方案中，反應室4可採用的尺寸範圍如下反應室4直徑為 5 20mrn，長度為:200 1000mm 。
上述三個實施例的共同特點是
1) 進行產生輝光放電的電源都為射頻電源，穩定性好，操作方便。
2) 射頻放電線圈纏繞在玻璃容器外面，線圈上不會被鍍上薄膜，也不會汙
染要鍍的顆粒。
權利要求
1、一種用於顆粒表面改性的等離子鍍膜裝置，包括反應室(4)、射頻電源(5)、單體蒸氣產生瓶(1)、介質氣體瓶和真空泵(7)；所述單體蒸氣產生瓶(1)、介質氣體瓶和真空泵(7)分別通過管道與反應室(4)連接，所述射頻電源(5)連接一射頻放電線圈，該射頻放電線圈纏繞在反應室(4)容器的外壁上；所述介質氣體瓶中的介質氣體是氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣或氮氣。
2、 按權利要求1所述的用於顆粒表面改性的等離子鍍膜裝置，其特徵在於， 還包括使樣品顆粒彌散在反應室(4)中的機構。
3、 按權利要求1所述的用於顆粒表面改性的等離子鍍膜裝置，其特徵在於， 所述單體蒸氣產生瓶(1)、介質氣體瓶與反應室(4)連接的管道上分別設有流 量控制器(3)。
4、 按權利要求1所述的用於顆粒表面改性的等離子鍍膜裝置，其特徵在於， 所述反應室(4)還連接一真空計(6)。
5、 按權利要求l、 2或3所述的用於顆粒表面改性的等離子鍍膜裝置，其特 徵在於，在進行等離子鍍膜時，所述反應室(4)中的樣品顆粒靠反應氣體的流 動吹起並彌散在反應室(4)中。
6、 按權利要求l、 2或3所述的用於顆粒表面改性的等離子鍍膜裝置，其特 徵在於，在進行等離子鍍膜時，所述反應室(4)中的樣品顆粒靠磁力攪拌器將 顆粒攪拌並彌散在反應室(4)中。
7、 按權利要求l、 2或3所述的用於顆粒表面改性的等離子鍍膜裝置，其特 徵在於，在進行等離子鍍膜時，所述反應室(4)的樣品顆粒由電動機驅動的葉 片攪拌並彌散在反應室(4)中。
8、 一種用於顆粒表面改性的等離子鍍膜方法，包括如下步驟1) 首先將樣品顆粒置於反應室(4)內；2) 用真空泵(7)對反應室(4)降壓，然後將介質氣體瓶中的介質氣體和 單體蒸氣產生瓶(1)中的單體蒸氣引入反應室(4);3) 最後，開啟射頻電源(5)，使得反應室(4)中產生輝光放電，從而在樣 品顆粒表面形成均勻的薄膜。
9、 按權利要求8所述的用於顆粒表面改性的等離子鍍膜方法，其特徵在於， 所述步驟3)中，在開啟射頻電源(5)前，首先使得樣品顆粒彌散在反應室(4) 中。
10、 按權利要求8所述的用於顆粒表面改性的等離子鍍膜方法，其特徵在於， 所述步驟2)中，通過控制反應室(4)的工作壓力以及反應室(4)中介質氣體 和單體蒸氣的濃度來實現薄膜厚度可控。
全文摘要
本發明涉及一種用於顆粒表面改性的等離子鍍膜裝置，包括反應室、射頻電源、單體蒸氣產生瓶、介質氣體瓶和真空泵；所述單體蒸氣產生瓶、介質氣體瓶和真空泵分別通過管道與反應室連接，所述射頻電源連接一射頻放電線圈，該射頻放電線圈纏繞在反應室容器的外壁上。本發明能夠達到如下技術效果實現顆粒表面均勻可控的等離子鍍膜；薄膜成分多樣化；薄膜厚度在幾納米到數微米之間可控；薄膜連續、無針孔、三維交聯；能為特定用途的顆粒表面鍍上特定的薄膜。
文檔編號C08J7/00GK101294279SQ20071009893
公開日2008年10月29日 申請日期2007年4月29日 優先權日2007年4月29日
發明者徐向東, 李來風, 蔡方碩, 黃傳軍, 黃榮進, 龔領會 申請人:中國科學院理化技術研究所