大氣等離子改性的氟基材料為主的基材與底材的接合方法
2023-12-06 18:15:46
專利名稱：大氣等離子改性的氟基材料為主的基材與底材的接合方法
技術領域：
本發明涉及ー種接合方法，特別是涉及ー種經大氣等離子改性的氟基材料為主的基材與底材的接合方法。
背景技術：
含氟基的高分子材料由於具有優異的耐熱性、耐酸鹼性、耐候性、高化學惰性及高阻氣性等優點，因而被廣泛應用於航空航天、エ業工程、特種保護塗層、紡織品整理、微電子等領域。雖然含氟基的高分子材料具有優良的耐熱性、耐候性及阻氣性，但是在將該含氟基的高分子材料進ー步製作成薄膜時，卻發現薄膜的延展性等機械性質無法符合需求，特別是無法符合包裝材料的需求。為解決含氟基高分子材料所製成的薄膜的強度不足問題，目前業界嘗試以製作復 合材的方法解決，也就是將含氟基材料為主的薄膜與ー底材接合。接合方式主要分為接著劑型及無接著劑型的接合製程，由於後者具備較佳的接合品質、耐熱性、接著強度及符合環保等優點，因此現今逐漸採用無接著劑型的製程，特別是無接著劑型的熱壓合製程。但此種無接著劑型的熱壓合過程的缺點在幹含氟基材料為主的薄膜表面具有疏水性，若未進行適當的處理，則需使用較高的熱壓合溫度，才能使複合材具有足夠的接合強度，但較高的熱壓合溫度容易導致材料變質，使成品率(product yield)下降。等離子處理是ー種目前相當熱門的高效率表面改性方法，含氟基材料為主的薄膜經過等離子表面處理後，除了因為受到離子轟擊的物理方式而除去表面汙物外，薄膜表面官能基又會與等離子所帯有的自由基發生化學反應，使薄膜具有較佳的親水性，從而利於後續的接合過程。等離子處理中所使用的等離子系統主要分為真空等離子與大氣等離子兩種。真空等離子系統設備昂貴，加工面積受限於設備尺寸，難以符合市場的大面積需求；另夕卜，整體過程需包含系統達到真空的時間，且全程需維持在低壓狀態。相對於真空等離子系統，大氣等離子系統的設備費用及運轉成本均較低，且過程時間較短，基材的尺寸較不受限制，是目前以等離子改性表面的過程最具有發展前景的方向。中國臺灣專利證號1275487公開ー種塑性基板的無膠接合方法，其包含下列步驟製造至少ー個第一塑性基板，其設有至少ー結合面；製造至少ー個第二塑性基板，其對應設有至少ー結合面；利用大氣等離子處理該第一及第ニ塑性基板的對應結合面，以進行表面改性；及壓合結合該第一塑性基板及第ニ塑性基板的結合面，以便將該第一塑性基板及第ニ塑性基板緊密結合成一體。該第一塑性基板及第ニ塑性基板由聚甲基丙烯酸甲酯〔polymethylmethacrylate, PMMA〕、聚碳酸酯塑料〔polycarbonate, PC)或聚ニ甲基娃氧燒(polydimethylsiloxane, PDMS)等材料製成。以此專利所採用的無接著劑型接合製程而言，大氣等離子表面處理的成敗將嚴重影響後續的接合製程，但此專利並未詳細就大氣等離子系統的配置及參數條件的設定進行公開。此外，當選用大氣等離子系統進行基材表面處理時，必須讓大氣等離子系統具備穩定的放電等離子、強度足夠的電壓源，及適當的電極結構，然而，對於使用寬幅大氣等離子系統進行基材表面處理時，除了需控制上述設備及條件，又會因為等離子系統各處受外界環境幹擾的程度不一(包括氣流、溼度等影響因素)，放電等離子的整體均勻度更不易控制，因此，如何精確掌握大氣等離子系統的各參數設定，是影響所製得的複合材的關鍵。
發明內容
因此，為了讓現有無膠接合基材與底材的方法所製得的複合材能有更穩定均一的品質，同時以大面積氟基材料作為基材，本申請發明人在多方試驗後，研發出ー種有效的改進方案，即通過運用大氣等離子系統，並在氟基材料為主的基材進行表面處理的過程中對等離子系統的特定參數進行設定，同時使用特定種類的氣體源，而得以讓後續所製成的大面積複合材的品質均一，且具有合乎需求的接合強度及良好機械性質。本發明的目的在於提供ー種經大氣等離子改性的氟基材料為主的基材與底材的接合方法，包含使該氟基材料為主的基材通過大氣等離子系統，以對該基材的至少ー表面進行表面處理，並獲得含有經處理的表面的基材；該大氣等離子系統含有兩個電極板，該兩個電極板間被施加頻率為20 60kHz且大小為12 20kV的電壓信號，以及該大氣等離子系統中通入氣體源；及使該基材的經處理的表面與該高分子底材接觸併疊置於該高分子底 材上方，再進行熱壓合處理，以讓該高分子底材與該基材接合而形成複合材。經本申請發明人多次實驗累積後，本發明嘗試通過控制處理基材表面的大氣等離子的特定參數，並使用特定氣體源，而讓該大氣等離子系統所產生的等離子具備穩定且均勻的特性，進而可快速且均勻地通過所述等離子處理該基材的表面，使該基材與該高分子底材經熱壓合處理後可以確實鍵結、緊密接合，製得品質穩定且不易剝離的複合材，可適於包裝材料，特別是作為生物醫用材料的包裝材料。根據本發明所述的經大氣等離子改性的氟基材料為主的基材與底材的接合方法，其特徵在幹，該熱壓合處理的溫度介於100 200°C之間。根據本發明所述的經大氣等離子改性的氟基材料為主的基材與底材的接合方法，其特徵在於，該大氣等離子系統的放電電流脈衝為IOns I μ S。根據本發明所述的經大氣等離子改性的氟基材料為主的基材與底材的接合方法，其特徵在幹，該基材的厚度介於I 100 μ m之間。根據本發明所述的經大氣等離子改性的氟基材料為主的基材與底材的接合方法，其特徵在於，該高分子底材為一可撓曲的膠材。根據本發明所述的經大氣等離子改性的氟基材料為主的基材與底材的接合方法，其特徵在於，該複合材能承受IOOOgf以上的剝離力。根據本發明所述的經大氣等離子改性的氟基材料為主的基材與底材的接合方法，其特徵在於，該氣體源為氮氣、潔淨乾燥空氣、N2 Ar = 95 5的氮氬混合氣或N2 H2 =95 : 5的氮氫混合氣。
圖I是一流程圖，說明本發明方法的ー較佳具體例的流程；圖2是ー立體分解圖，說明大氣等離子系統的配置方式；圖3是ー是立體圖，說明大氣等離子系統的組裝方式。
具體實施例方式如圖I所示，本發明經大氣等離子改性的氟基材料為主的基材與底材的接合方法，包含使該氟基材料為主的基材通過大氣等離子系統，以對該基材的至少ー表面進行表面處理，並獲得含有經處理的表面的基材；該大氣等離子系統含有兩個電極板，該兩個電極板間被施加頻率為20 60kHz且大小為12 20kV的電壓信號，以及該大氣等離子系統中通入氣體源；及使該基材的經處理的表面與該高分子底材接觸併疊置於該高分子底材上方，再進行熱壓合處理，以讓該高分子底材與該基材接合而形成複合材。當大氣等離子系統的電壓信號的頻率小於20kHz及大小小於12kV吋，該大氣等離子系統所產生的等離子可能無法與待處理的基材表面有效進行作用；當頻率大於60kHz及大小大於20kV吋，該大氣等離子系統所產生的等離子可能較不穩定。較佳地，該熱壓合處理的溫度介於100 200°C之間。當該熱壓合處理溫度低於100°C吋，該底材與該基材的接合強度不足；當該熱壓合處理溫度高於200°c時，有損傷底材與該基材的疑慮，恐引起變質。
較佳地，該大氣等離子系統的放電電流脈衝為IOns I μ S。較佳地，該基材的厚度介於I 100 μ m之間。更佳地,該基材的厚度介於50 100 μ m之間，為目前市面上常見的範圍。較佳地，該大氣等離子系統的基材處理速度為2 5m/分鐘。該處理速度根據等離子源種類、流量等參數進行搭配調整，該處理速度太快，將使該基材的表面處理效果不佳；該處理度太慢，則耗費不必要的時間成本，不符合大量生產的目的。較佳地，該高分子底材為一可撓曲的膠材。該可撓曲的膠材與氟基材料為主的基材進行接合而形成複合材，該氟基材料為主的基材是用於隔絕外界空氣，該膠材是用來提升複合材的強度。更佳地，該高分子底材為橡膠。較佳地，該氟基材料為主的基材可例如但不限於聚四氟こ烯(Polytetrafluoroethene,簡稱PTFE)或こ烯-四氟こ烯共聚物(ethylene-tetraf luoro-ethylene,簡稱 ETFE)。較佳地，該氣體源為氮氣、潔淨乾燥空氣(Clean dry air)、N2 : Ar = 95 : 5的氮氬混合氣或N2 H2 = 95 5的氮氫混合氣。更佳地，該氣體源為氮氣。該潔淨乾燥空氣是將一般空氣過濾，去除油質、水分及雜質後獲得。值得ー提的是，當以氮氣做為氣體源時，氮氣在經過等離子後所產生的氮離子等離子可有效地打斷該氟基材料為主的薄膜表面上的C-F鍵結。本發明方法所製得的複合材適合作為包裝材料，特別適用於作為生物醫用材料的包裝材料。較佳地，該複合材能承受IOOOgf以上的剝離カ。中國臺灣專利公開申請第200952562號的所有公開內容在此被併入作為參考。較佳地，用於完成本發明方法的大氣等離子系統是如中國臺灣專利公開申請200952562號公開的大面積大氣等離子裝置。此裝置是ー種使用脈衝高壓電源、所產生的等離子低溫且無髮絲的等離子裝置。該等離子裝置的配置方式如圖2所示，包含一上単元I、一與該上單元I間隔設置的下単元3，及兩個設置在該上單元I上的氣體導板2。該上單元I包括ー上罩11、三個彈性兀件16、四個固定兀件12、一上電極板13、一上介電質板14及兩間隔片15 ;該上罩11具有ー長方形圍壁111及一由此長方形圍壁111所限定的一容室112，且該上電極板13、該上介電質板14及該兩間隔片15由上至下被堆疊於該容室112中，並通過所述彈性元件16及固定元件12而與該長方形圍壁111固定在一起。所述氣體導板2分別設置於該長方形圍壁111的兩長邊外側面上。該下單元3包括ー下罩31、一下電極板33、一下介電質板34、兩墊片32及八個球狀滾輪35 ;該下罩31具有ー長方形圍壁311、八個設置於該長方形圍壁311的兩長邊上緣的相反側且彼此間隔設置的凹槽312及一由該長方形圍壁311所限定的容室313，所述球狀滾輪35各自設置在所述凹槽312中，該下介電質板34及該下電極板33由上至下堆疊在該容室313內，該兩墊片32則分別固定在該長方形圍壁311的兩短邊上緣。該兩氣體導板2分別具有三個間隔設置的氣體通入孔22及八個固定件21。將該上単元I、該下單元3及該兩氣體導板2予以組合，如圖3所示，且該上単元I與該下單元3之間通過該兩間隔片15及兩墊片32設有一可供基材通過的間隙，該兩氣體導板2可將氣體均勻地導入該間隙，構成該大面積大氣等離子裝置。 該上介電質板14包覆上電極板13，該下介電質板34包覆下電極板33，上、下介電質板14、34是由絕緣體材料所製成，具有防止電弧功能，可幫助等離子系統在等離子放電時維持穩定，且可以防止電極受到蝕刻，延長等離子系統的使用壽命。較佳地，上、下介電質板14、34是由陶瓷製成。所述固定元件12與弾性元件16可以進行微調，以使上電極板13與下電極板33 的間距達到最佳化，避免大氣等離子系統受到外界環境影響，有不連續的放電現象或異常電場外漏發生，提升大面積薄膜表面改性的均勻度。較佳地，該間距為I 5mm。該間距大小是配合該基材的厚度來進行調整，以取得較佳的表面改性效果。該基材是由上単元I與下単元3間的間隙送入並通過所述滾輪35順暢地將該基材輸運至等離子裝置的另一端，藉以完成該基材的等離子表面處理，該基材在該等離子裝置中的移動速度是利用所述滾輪35進行調整。本發明將就以下實施例來作進ー步說明，但應了解的是，該實施例僅為例示說明用，而不應被解釋為本發明實施的限制。[實施例I]製備ETFE薄膜實施例I的基材是選用こ烯-四氟こ烯共聚物(ethylene-tetra-f luoro-ethylene,簡稱ETFE)材料為主的薄膜,購自於日本旭硝子公司(Asahi Glass Company,簡稱 AGC),商品名Fluon,膜厚為 75 μ m,幅寬為 37cm。大氣等離子表面改性將實施例I的基材送入如中國臺灣專利公開申請200952562號公開的大面積大氣等離子裝置進行表面改性，獲得含有經處理的表面的基材。該等離子裝置使用氮氣為氣體源，其他參數設定如下等離子頻率45kHz ；等離子電壓12kv;放電電流脈衝50ns ；
反應器處理間隙2_ ；處理速度2m/分鐘(視膜厚不同進行調整)。熱壓合處理實施例I的底材為橡膠材料所製成的膠材，厚度為3mm。將含有經處理的表面的基材與膠材，送入熱壓機中，熱壓溫度為180°C，處理時間為3分鐘，使實施例I的基材與膠材緊密接合，形成複合材。剝離カ測試
在該複合材的10個位置進行裁切，以均勻地取得10個樣品(表I的樣品I 10)，依CNS 5812測試標準，以T型剝離試驗片分別對上述所取得樣品進行剝離カ測試(peeltest)。將複合材的ETFE膜固定，挾持膠材，施加一分離該ETFE膜與膠材的力量，該カ量大小即為剝離力。測試結果詳列於表I。〈比較例〉[比較例I]比較例I與實施例I所用的基材和底材相同，也使用該大面積大氣等離子裝置進行基材表面改性。不同處在幹，比較例I的等離子裝置的氣體源使用氮氫混合氣體，氫氣的摩爾體積佔5%，氮氣的摩爾體積佔95% ;等離子處理速度為Im/分鐘。將比較例I經處理的表面的基材與膠材，送入熱壓機中進行熱壓合處理，以180°C處理3分鐘後，使該基材與膠材緊密接合而分別形成比較例I的複合材後。再對比較例I的複合材的9個不同位置進行裁切，以取得9個樣品(表I的樣品I 9)，再依CNS5812測試標準，使用T型剝離試驗片進行剝離カ測試，測試結果詳列於表I。[比較例2]比較例2與實施例I所用的基材和底材相同，也使用該大面積大氣等離子裝置進行基材表面改性。不同處在幹，比較例2的等離子裝置使用氧氣為氣體源，等離子處理速度為Im/分鐘。將比較例2經處理的表面的基材與膠材，送入熱壓機中進行熱壓合處理，以180°C處理3分鐘後，使該基材與膠材緊密接合而形成比較例2的複合材。對比較例2的複合材的3個不同位置進行裁切，以取得3個樣品(表I的樣品10 12)，再依CNS 5812測試標準，使用T型剝離試驗片進行剝離カ測試，測試結果詳列於表I。[比較例3]比較例3與實施例I所用的基材和底材相同，也使用該大面積大氣等離子裝置進行基材表面改性，且該等離子裝置以氮氣為氣體源，不同處在於大氣等離子裝置的參數設定等離子頻率19kHz ；等離子電壓IOkv ;放電電流脈衝20 μ s ;反應器處理間隙2mm ；處理速度1m/分鐘。將比較例3經處理的表面的基材與膠材，送入熱壓機中進行熱壓合處理，以180°C處理3分鐘後，使該基材與膠材緊密接合而形成比較例3的複合材。對比較例3的複合材的10個不同位置進行裁切，以取得10個樣品(表I的樣品13 22)，再依CNS 5812測試標準，使用T型剝離試驗片進行剝離カ測試，測試結果詳列於表I。表I
權利要求
1.ー種經大氣等離子改性的氟基材料為主的基材與底材的接合方法，其特徵在幹， 使該氟基材料為主的基材通過大氣等離子系統，以對該基材的至少ー表面進行表面處理，並獲得含有經處理的表面的基材，該大氣等離子系統含有兩個電極板，該兩個電極板間被施加頻率為20 60kHz且大小為12 20kV的電壓信號，以及該大氣等離子系統中通入氣體源； 使該基材的經處理的表面與該高分子底材接觸併疊置於該高分子底材上方，再進行熱壓合處理，以讓該高分子底材與該基材接合而形成複合材。
2.根據權利要求I所述的經大氣等離子改性的氟基材料為主的基材與底材的接合方法，其特徵在幹，該熱壓合處理的溫度介於100 200°C之間。
3.根據權利要求I所述的經大氣等離子改性的氟基材料為主的基材與底材的接合方法，其特徵在於，該大氣等離子系統的放電電流脈衝為IOns I μ S。
4.根據權利要求I所述的經大氣等離子改性的氟基材料為主的基材與底材的接合方法，其特徵在幹，該基材的厚度介於I 100 μ m之間。
5.根據權利要求I所述的經大氣等離子改性的氟基材料為主的基材與底材的接合方法，其特徵在幹，該高分子底材為一可撓曲的膠材。
6.根據權利要求I所述的經大氣等離子改性的氟基材料為主的基材與底材的接合方法，其特徵在於，該複合材能承受IOOOgf以上的剝離力。
7.根據權利要求I所述的經大氣等離子改性的氟基材料為主的基材與底材的接合方法，其特徵在於，該氣體源為氮氣、潔淨乾燥空氣、N2 Ar = 95 5的氮氬混合氣或N2 H2=95 5的氮氫混合氣。
全文摘要
本發明提供一種經大氣等離子改性的氟基材料為主的基材與底材的接合方法，包含使該氟基材料為主的基材通過大氣等離子系統，以對該基材的至少一表面進行表面處理，並獲得含有經處理的表面的基材；該大氣等離子系統含有兩個電極板，該兩個電極板間被施加頻率為20～60kHz且大小為12～20kV的電壓信號，以及該大氣等離子系統中通入氣體源；及使該基材的經處理的表面與該高分子底材接觸併疊置於該高分子底材上方，再進行熱壓合處理，以讓該高分子底材與該基材接合而形成複合材。本發明方法所製得的複合材適用作為包裝材料。
文檔編號B32B37/10GK102689484SQ201110081049
公開日2012年9月26日 申請日期2011年3月25日 優先權日2011年3月25日
發明者林博鏞, 陳宏易, 黃俊銘 申請人:韶陽科技股份有限公司