一種等離子體聚合塗層裝置的製作方法
2023-05-31 17:51:26
本發明屬於等離子體工程技術領域，涉及到一種等離子體塗層裝置。
背景技術：
等離子體聚合塗層處理是一種重要的表面處理方法，它是將需要處理的基材放在真空室內，在真空狀態下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，在基材表面形成聚合物薄膜。在疏水薄膜等一些應用中，納米尺度的等離子體聚合塗層具有優異的特性。但是由於納米聚合物塗層的膜層很薄，它對塗層的均勻性有很高的要求。現有的等離子體納米塗層裝置採用方形的真空室，在塗層處理過程中，治具及其上放置的基材在真空室內的位置是固定的，由於同一批處理的不同基材在真空室內的不同位置與電極、單體/載體氣體出口、真空排氣口等之間距離的差別，不可避免地會產生塗層均勻性的差別。為了減小這種批處理的不均勻性，現有的等離子體納米塗層裝置只能採用較小容積的真空室和較小的單次處理批量，這很大地降低了處理效率、增大了成本。而即使這樣，也仍然不能達到滿意的批處理均勻性。隨著目前納米聚合物塗層應用的快速拓展，加工需求和批量急劇增加，解決目前等離子體納米塗層加工現有技術存在的批量小、效率低、成本高、批處理均勻性差的問題十分現實和緊迫。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是提供一種等離子體納米塗層裝置，以解決現有等離子體納米塗層裝置採用方形真空室的容積小、單次處理批量小，處理效率低、成本高、批處理均勻性不良的問題。
本發明技術方案是：一種等離子體聚合塗層裝置，包括真空室，其特徵在於：所述真空室側部的室體內壁任一橫截面為相同直徑的圓或相同邊長的正多邊形，所述正多邊形邊數至少為6邊；
所述真空室內靠近真空室的內壁處安裝有多孔電極，所述多孔電極為與真空室內壁保持間距的多孔弧面結構，所述多孔電極與高頻電源連接，高頻電源的功率為15-1000W，多孔電極由高頻電源供電，放電時產生等離子體用於基材表面清潔和預處理；
所述真空室外壁上密封安裝有至少兩個放電腔；多孔電極與各放電腔可以根據工藝需要共同放電或分別獨立放電。
多孔電極產生等離子體用於清洗，即表面清潔：多孔電極較大功率連續放電產生較強等離子體，用於塗層前清洗基材表面的水氣、油汙等有機物雜質，還可以活化有機的基材，在其表面形成懸掛鍵，利於塗層的沉積，增強基材與塗層的結合力，多孔電極在塗層過程中不工作；
放電腔產生等離子體用於聚合：塗層過程中各放電腔內較小功率放電產生較弱等離子體，由金屬柵網控制斷續釋放進入真空室引發單體聚合併沉積在基材表面形成塗層。
所述放電腔與真空室內壁連接處設置有至少兩層金屬柵網，所述金屬柵網與真空室內壁絕緣，金屬柵網與脈衝電源連接，脈衝電源的作用是在金屬柵網上施加正脈衝偏壓，斷續釋放放電腔內的等離子體進入真空室，其中脈衝關斷期間等離子體被多層金屬柵網阻擋在放電腔內，脈衝施加期間等離子體穿過多層金屬柵網進入真空室以引發真空室內的單體蒸汽發生聚合反應。
所述放電腔內設有放電源，放電源連接供電源，所述放電腔連接有載體氣體管路，載體氣體管路另一端連接到載體氣體源，單體蒸汽管路連接到真空室內，且其出口位於放電腔前方，單體蒸汽管路另一端連接到單體蒸汽源；
所述真空室內的中心軸上豎直安裝有尾氣收集管，尾氣收集管一端伸出真空室後與真空泵連接，所述尾氣收集管的管壁上開孔；
所述真空室內設置有旋轉置物架，所述旋轉置物架的旋轉軸與真空室的中心軸同軸，旋轉置物架上放置待處理基材。
所述真空室的頂蓋和底蓋為與真空室的側部室體內壁橫截面匹配的平板或球缺、正多邊形、橢圓形等的拱形結構。
所述多孔電極形狀為圓柱筒形狀或至少分成兩段圓柱弧面形狀，且所述多孔電極與真空室同軸，與真空室的內壁間距為1-6cm，所述多孔電極上布滿通孔，孔徑為2-30mm，孔間隔為2-30mm。
所述放電腔為圓筒形，材質是鋁、碳鋼或不鏽鋼，直徑為5-20cm，深度為3-15cm，相鄰放電腔軸線之間的間距為7-40cm。
所述金屬柵網層數為2-6層，材質是不鏽鋼或鎳，網孔大小為100-1000目，透過率為25％-40％。
所述脈衝電源輸出正脈衝，其參數為：峰值20-140V、脈寬2μs-1ms、重複頻率20Hz-10kHz。
所述放電源是燈絲或電極或感應線圈或微波天線，且其放電功率為2-500W。
所述單體蒸汽管路出口與放電腔之間的距離為1-10cm。
所述尾氣收集管內徑為25-100mm，其管壁上均勻開孔，孔徑為2-30mm，孔間隔為2-100mm。
所述旋轉置物架的旋轉軸與真空室的中心軸同軸，所述旋轉置物架可隨旋轉軸轉動，所述旋轉置物架上對稱固定設置2-8層置物臺，所述置物臺上放置待處理的基材。
所述旋轉置物架的旋轉軸與真空室的中心軸同軸，所述旋轉置物架可繞旋轉軸轉動，所述旋轉置物架上對稱設置2-8根行星旋轉軸，所述行星旋轉軸垂直於所述旋轉置物架並可自轉；
所述行星旋轉軸上設置2-8層旋轉置物臺，所述旋轉置物臺放置待處理的基材。
本發明的有益效果是：
1、採用中心軸對稱真空室結構保持空間聚合反應活性物種濃度的穩定性。
採用真空室側壁進氣、徑向輸運、中心軸向排氣的方式：
載體氣體管路在各放電腔內設置出口，載體氣體經由其管路送入各放電腔內，再通過多層金屬柵網擴散進入真空室；單體蒸汽管路在真空室內每個放電腔外前方設置出口，單體蒸汽經由其管路送入真空室內；在真空室軸線上與真空室共軸設置一個尾氣收集管，尾氣收集管縱向貫穿真空室，管端連通真空泵，管壁上均勻開孔，尾氣由尾氣收集管上的開孔進入尾氣收集管，再由真空泵排出真空室。
上述採用真空室側壁進氣、徑向輸運、中心軸向排氣的方式中氣體輸運過程是匯集的，這有利於提高空間聚合反應活性物種濃度的穩定性，活性物種分布更加均勻，其過程是：單體蒸汽在各放電腔附近受等離子體作用產生聚合反應活性物種；聚合反應活性物種在載體氣體帶動下沿徑向向真空室軸線方向輸運；在輸運過程中聚合反應活性物種的數量不斷消耗減少，但是另一方面聚合反應活性物種在輸運過程中不斷地匯集，補償了數量的減少，使其濃度保持穩定，真空室內活性物種的體積密度保持不變，批處理均勻性良好，現有塗層設備和技術同批處理基材塗層厚度差別大於30％，而本發明的同批處理基材塗層厚度差別小於10％。
2、採用旋轉置物架可以顯著提高各個基材塗層的均勻性
真空室內安裝有旋轉置物架；旋轉置物架上的置物臺真空室內旋轉或做行星旋轉運動，特別是行星旋轉運動是置物臺繞自身行星旋轉軸自轉，同時隨旋轉置物架的旋轉軸繞真空室同軸線公轉；置物臺上放置待處理的基材。行星旋轉使基材在塗層處理過程中所處的空間位置不斷變化，不同基材在一個完整的處理過程中所處的空間位置變化相同，從而消除現有技術中因不同基材所處的空間位置不同而造成的塗層效果的差別，使得各個基材處理程度相同，塗層效果基本一樣，各個基材之間的均勻性更好。
3、真空室體積可以大大增加，處理效率顯著提高
由於真空室結構和置物架的改進使得在大幅提高批處理塗層膜厚均勻性，真空室容積可以擴大到目前真空室的5-6倍，批處理數量和處理效率相應大幅提高。
4、多層柵網對等離子體和單體都有阻滯作用
多層金屬柵網對載體氣體由放電腔向真空室的擴散具有阻滯作用，使放電腔內氣壓高於真空室內氣壓；多層金屬柵網對單體蒸汽由真空室向放電腔的反擴散具有阻滯作用，又由於放電腔內氣壓高於真空室內氣壓，使單體蒸汽不易反擴散由真空室進入放電腔，避免單體蒸汽被放電腔內的連續放電等離子體過度分解破壞，本發明的裝置可以有效的保護單體蒸汽不被分解破壞，從而獲得非常好質量的聚合物的塗層。
附圖說明
圖1為實施例1旋轉置物架上設置行星旋轉軸的等離子體聚合塗層裝置正面剖視結構示意圖。
圖2為圖1的俯視結構示意圖。
圖中，1、真空室，2、多孔電極，3、高頻電源，4、放電腔，5、多層金屬柵網，6、脈衝電源，7、放電源，8、供電源，9、載體氣體管路，10、單體蒸汽管路，11、尾氣收集管，12、旋轉置物架，13行星旋轉軸，14、旋轉置物臺，15、基材。
具體實施方式
下面結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的具體實施例。
實施例1
如圖1和圖2所述的一種等離子體聚合塗層裝置，包括真空室，真空室1側部的室體內壁任一橫截面為相同直徑的圓，即真空室的室體的內壁為圓柱體。
真空室1的頂蓋和底蓋為與真空室的側部室體內壁橫截面匹配的球缺。
真空室1內靠近真空室1的內壁處安裝有多孔電極2，多孔電極2為與真空室內壁保持間距的多孔弧面結構，多孔電極與高頻電源3連接，真空室外壁上密封安裝有八個放電腔4；
多孔電極2形狀為圓柱筒形狀，且所述多孔電極與真空室同軸，與真空室的內壁間距為1cm，多孔電極2上布滿通孔，孔徑為30mm，孔間隔為30mm；與多孔電極連接的高頻電源的功率是15W。
放電腔4為圓筒形，材質是鋁，直徑為5cm，深度為15cm，相鄰放電腔4軸線之間的間距為40cm。單體蒸汽管路10出口與放電腔4之間的距離為1cm。
放電腔與真空室內壁連接處設置有兩層金屬柵網5，金屬柵網與真空室內壁絕緣，金屬柵網與脈衝電源6連接，放電腔4內設有放電源7，放電源連接供電源8，放電腔連接有載體氣體管路9，載體氣體管路另一端連接到載體氣體源，單體蒸汽管路10連接到真空室內，且其出口位於放電腔4前方，單體蒸汽管路另一端連接到單體蒸汽源。
金屬柵網材質是不鏽鋼，網孔大小為100目，透過率為40％。
脈衝電源6輸出正脈衝，其參數為：峰值20V、脈寬1ms、重複頻率10kHz。
放電源7是燈絲且其放電功率為2W。
真空室內的中心軸上豎直安裝有尾氣收集管11，尾氣收集管一端伸出真空室後與真空泵連接，所述尾氣收集管的管壁上開孔；尾氣收集管11內徑為25mm，其管壁上均勻開孔，孔徑為2mm，孔間隔為2mm。
真空室內設置有旋轉置物架12，旋轉置物架12的旋轉軸與真空室的中心軸同軸，旋轉置物架可隨旋轉軸轉動，旋轉置物架上對稱設置4根行星旋轉軸13，行星旋轉軸垂直於旋轉置物架12並可自轉；
行星旋轉軸上設置4層旋轉置物臺14，所述旋轉置物臺放置待處理的基材15。
實施例2
一種等離子體聚合塗層裝置，包括真空室1，真空室側部的室體內壁任一橫截面為相同邊長的正六多邊形；
真空室1的頂蓋和底蓋為與真空室的側部室體內壁橫截面匹配的正六邊形的拱形結構。
真空室1內靠近真空室1的內壁處安裝有多孔電極2，多孔電極2為與真空室內壁保持間距的多孔弧面結構，多孔電極與高頻電源3連接，真空室外壁上密封安裝有兩個放電腔4；
多孔電極2形狀為分成兩段圓柱弧面形狀，且所述多孔電極與真空室同軸，與真空室的內壁間距為3cm，多孔電極2上布滿通孔，孔徑為18mm，孔間隔為15mm；與多孔電極連接的高頻電源的功率是500W。
放電腔4為圓筒形，材質是碳鋼，直徑為20cm，深度為8cm，相鄰放電腔4軸線之間的間距為20cm。單體蒸汽管路10出口與放電腔4之間的距離為6cm。
放電腔與真空室內壁連接處設置有四層金屬柵網5，金屬柵網與真空室內壁絕緣，金屬柵網與脈衝電源6連接，放電腔4內設有放電源7，放電源連接供電源8，放電腔連接有載體氣體管路9，載體氣體管路另一端連接到載體氣體源，單體蒸汽管路10連接到真空室內，且其出口位於放電腔4前方，單體蒸汽管路另一端連接到單體蒸汽源。
金屬柵網材質是鎳，網孔大小為600目，透過率為32％。
脈衝電源6輸出正脈衝，其參數為：峰值86V、脈寬0.1ms、重複頻率700Hz。
放電源7是電極且其放電功率為280W。
真空室內的中心軸上豎直安裝有尾氣收集管11，尾氣收集管一端伸出真空室後與真空泵連接，所述尾氣收集管的管壁上開孔；尾氣收集管11內徑為60mm，其管壁上均勻開孔，孔徑為16mm，孔間隔為55mm。
真空室內設置有旋轉置物架12，旋轉置物架12的旋轉軸與真空室的中心軸同軸，旋轉置物架可隨旋轉軸轉動，旋轉置物架上對稱設置2根行星旋轉軸13，行星旋轉軸垂直於旋轉置物架12並可自轉；
行星旋轉軸上設置8層旋轉置物臺14，所述旋轉置物臺放置待處理的基材15。
實施例3
一種等離子體聚合塗層裝置，包括真空室1，真空室側部的室體內壁任一橫截面為相同邊長的正九多邊形；
真空室1的頂蓋和底蓋為與真空室的側部室體內壁橫截面匹配的正九邊形平板。
真空室1內靠近真空室1的內壁處安裝有多孔電極2，多孔電極2為與真空室內壁保持間距的多孔弧面結構，多孔電極與高頻電源3連接，真空室外壁上密封安裝有兩個放電腔4；
多孔電極2形狀為分成四段圓柱弧面形狀，且所述多孔電極與真空室同軸，與真空室的內壁間距為6cm，多孔電極2上布滿通孔，孔徑為30mm，孔間隔為30mm；與多孔電極連接的高頻電源的功率是1000W。
放電腔4為圓筒形，材質是不鏽鋼，直徑為12cm，深度為3cm，相鄰放電腔4軸線之間的間距為7cm。單體蒸汽管路10出口與放電腔4之間的距離為10cm。
放電腔與真空室內壁連接處設置有五層金屬柵網5，金屬柵網與真空室內壁絕緣，金屬柵網與脈衝電源6連接，放電腔4內設有放電源7，放電源連接供電源8，放電腔連接有載體氣體管路9，載體氣體管路另一端連接到載體氣體源，單體蒸汽管路10連接到真空室內，且其出口位於放電腔4前方，單體蒸汽管路另一端連接到單體蒸汽源。
金屬柵網材質是鎳，網孔大小為1000目，透過率為25％。
脈衝電源6輸出正脈衝，其參數為：峰值140V、脈寬2μs、重複頻率20Hz。
放電源7是微波天線且其放電功率為500W。
真空室內的中心軸上豎直安裝有尾氣收集管11，尾氣收集管一端伸出真空室後與真空泵連接，所述尾氣收集管的管壁上開孔；尾氣收集管11內徑為100mm，其管壁上均勻開孔，孔徑為30mm，孔間隔為100mm。
真空室內設置有旋轉置物架12，旋轉置物架12的旋轉軸與真空室的中心軸同軸，旋轉置物架可隨旋轉軸轉動，旋轉置物架上對稱設置8根行星旋轉軸13，行星旋轉軸垂直於旋轉置物架12並可自轉；
行星旋轉軸上設置2層旋轉置物臺14，所述旋轉置物臺放置待處理的基材15。
實施例4
一種等離子體聚合塗層裝置，包括真空室1，真空室側部的室體內壁任一橫截面為相同邊長的正十二多邊形；
真空室1的頂蓋和底蓋為與真空室的側部室體內壁橫截面匹配的正十二邊形拱形結構。
真空室1內靠近真空室1的內壁處安裝有多孔電極2，多孔電極2為與真空室內壁保持間距的多孔弧面結構，多孔電極與高頻電源3連接，真空室外壁上密封安裝有兩個放電腔4；
多孔電極2形狀為分成五段圓柱弧面形狀，且所述多孔電極與真空室同軸，與真空室的內壁間距為5cm，多孔電極2上布滿通孔，孔徑為12mm，孔間隔為18mm；與多孔電極連接的高頻電源的功率是260W。
放電腔4為圓筒形，材質是不鏽鋼，直徑為16cm，深度為6cm，相鄰放電腔4軸線之間的間距為26cm。單體蒸汽管路10出口與放電腔4之間的距離為4cm。
放電腔與真空室內壁連接處設置有六層金屬柵網5，金屬柵網與真空室內壁絕緣，金屬柵網與脈衝電源6連接，放電腔4內設有放電源7，放電源連接供電源8，放電腔連接有載體氣體管路9，載體氣體管路另一端連接到載體氣體源，單體蒸汽管路10連接到真空室內，且其出口位於放電腔4前方，單體蒸汽管路另一端連接到單體蒸汽源。
金屬柵網材質是鎳，網孔大小為360目，透過率為28％。
脈衝電源6輸出正脈衝，其參數為：峰值115V、脈寬160μs、重複頻率380Hz。
放電源7是燈絲且其放電功率為130W。
真空室內的中心軸上豎直安裝有尾氣收集管11，尾氣收集管一端伸出真空室後與真空泵連接，所述尾氣收集管的管壁上開孔；尾氣收集管11內徑為85mm，其管壁上均勻開孔，孔徑為18mm，孔間隔為38mm。
旋轉置物架的旋轉軸與真空室的中心軸同軸，所述旋轉置物架可繞旋轉軸轉動，所述旋轉置物架上對稱固定設置2層置物臺，所述置物臺上放置待處理的基材。
實施例5
一種等離子體聚合塗層裝置，包括真空室1，真空室側部的室體內壁任一橫截面為相同直徑的圓，即真空室的室體的內壁為圓柱體。
真空室1的頂蓋和底蓋為與真空室的側部室體內壁橫截面匹配的圓形平板。
真空室1內靠近真空室1的內壁處安裝有多孔電極2，多孔電極2為與真空室內壁保持間距的多孔弧面結構，多孔電極與高頻電源3連接，真空室外壁上密封安裝有兩個放電腔4；
多孔電極2形狀為分成八段圓柱弧面形狀，且所述多孔電極與真空室同軸，與真空室的內壁間距為2cm，多孔電極2上布滿通孔，孔徑為5mm，孔間隔為12mm；與多孔電極連接的高頻電源的功率是120W。
放電腔4為圓筒形，材質是碳鋼，直徑為11cm，深度為8cm，相鄰放電腔4軸線之間的間距為20cm。單體蒸汽管路10出口與放電腔4之間的距離為7cm。
放電腔與真空室內壁連接處設置有三層金屬柵網5，金屬柵網與真空室內壁絕緣，金屬柵網與脈衝電源6連接，放電腔4內設有放電源7，放電源連接供電源8，放電腔連接有載體氣體管路9，載體氣體管路另一端連接到載體氣體源，單體蒸汽管路10連接到真空室內，且其出口位於放電腔4前方，單體蒸汽管路另一端連接到單體蒸汽源。
金屬柵網材質是鎳，網孔大小為640目，透過率為30％。
脈衝電源6輸出正脈衝，其參數為：峰值58V、脈寬620μs、重複頻率55Hz。
放電源7是感應線圈且其放電功率為480W。
真空室內的中心軸上豎直安裝有尾氣收集管11，尾氣收集管一端伸出真空室後與真空泵連接，所述尾氣收集管的管壁上開孔；尾氣收集管11內徑為45mm，其管壁上均勻開孔，孔徑為24mm，孔間隔為58mm。
旋轉置物架的旋轉軸與真空室的中心軸同軸，所述旋轉置物架可繞旋轉軸轉動，所述旋轉置物架上對稱固定設置8層置物臺，所述置物臺上放置待處理的基材。