Способ и устройство для плазменной обработки пористого тела - RU2402374C2
Код документа: RU2402374C2
Чертежи
Описание
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для плазменной обработки пористого тела, в частности к способу и устройству для плазменной обработки поверхностей и пор пористой полимерной пленки.
Уровень техники
Плазменную обработку проводят для придания гидрофильности гидрофобным материалам, таким как полимеры, стекло, керамические материалы, металлы, полупроводники и т.п. Например, в патентном документе US 5543017 A описан способ плазменной обработки полимерного материала с использованием тлеющего разряда при атмосферном давлении, включающий размещение в плазменном реакторе полимерного материала между парой электродов, по меньшей мере, один из которых изолирован; ввод в плазменный реактор смеси, состоящей из (а) аргона, аргона и гелия или аргона и водорода, и (b) приблизительно 18% насыщенного водяного пара или газообразной смеси водяного пара и кетона при предварительно заданной температуре, и приложение к электродам высокочастотного напряжения для того, чтобы инициировать тлеющий разряд при атмосферном давлении и тем самым генерировать плазму.
В патентном документе JP 11-128634 A описан способ придания гидрофильности гидрофобному нетканому волокну без его повреждения, включающий размещение нетканого волокна между парой электродов, покрытых диэлектрическим веществом, и генерирование плазмы между электродами в атмосфере газообразной смеси, содержащей инертный газ.
В патентном документе US 6399159 A раскрыт способ эффективной плазменной обработки ткани, покрытой полиолефином, включающий (а) подачу газа в зону обработки, (b) подвод высокого напряжения с частотой от 1/tc до 2 МГц к электроду, установленному в зоне обработки, или противоположному ему электроду для генерирования плазмы в зоне обработки, где 1/tc - время зарядки поверхности ткани, подверженной воздействию тока ионов, содержащихся в плазме, (с) пропускание упомянутой ткани через зону обработки и (d) генерирование обрабатывающим газом на полиолефиновом покрытии упомянутой ткани активных частиц.
В опубликованном отчете о научных исследованиях (Research Report №3 (2000) of the Tokio Metropolitan Industrial Technology Research Institute) описан способ придания долговременной гидрофильности полиэтилену или полипропилену, включающий размещение образца на нижнем из двух пластинчатых электродов, создание тлеющего высокочастотного разряда в атмосфере кислорода, обработку листа из полиэтилена или полипропилена полученной из кислорода плазмой и обработку его полярным растворителем. Однако любой способ из описанных выше не пригоден для плазменной обработки пор, имеющихся в пористом теле.
В патентном документе US 5403453 A раскрыт способ, включающий генерирование устойчивой однородной плазмы в виде тлеющего разряда, образованного между двумя электродами в газе, который поддерживают при атмосферном давлении; размещение мембраны из полимера, например, в виде нетканого волокна и т.п. в этой атмосфере в течение определенного периода времени для образования в плазме активных частиц; регулирование при этом давления в камере с помощью сильфона или подвижного поршня и пропускание активных частиц через полимерную мембрану. Однако даже с помощью этого способа трудно проводить плазменную обработку пор, имеющих размер в несколько микрон, в микропористой мембране, выполненной из термопластичного полимера.
В патентном документе JP 2003-7497 A описано устройство для плазменной обработки при атмосферном давлении, содержащее удлиненный высоковольтный электрод и полый цилиндрический заземляющий электрод, размещенный вокруг удлиненного высоковольтного электрода и отделенный от него сплошным трубчатым цилиндрическим изолятором, при этом в удлиненном высоковольтном электроде выполнено большое количество прямолинейных пазов, проходящих в продольном направлении по его периферийной поверхности до сужающегося конца электрода, причем указанные прямолинейные канавки закрыты сверху изолирующим кожухом для формирования каналов для прохода газа, выполняющих функцию разрядного промежутка. В этом устройстве для проведения плазменной обработки при атмосферном давлении в указанные каналы вводят газ при атмосферном давлении и к обоим электродам прикладывают напряжение высокой частоты для генерирования плазмы тлеющего разряда. Полученную плазму выпускают из большого количества выходных отверстий, расположенных в сужающемся конце электрода (торцы газовых каналов), так, что только необходимый участок обрабатываемого изделия детали может быть обработан надлежащим образом. Однако с помощью этого устройства трудно эффективно провести плазменную обработку пор пористого листа, имеющего большую поверхность.
Задача изобретения
В соответствии с изложенным задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы обеспечить способ и устройство для эффективной плазменной обработки поверхностей и пор пористого тела.
Раскрытие изобретения
В результате интенсивных исследований в связи со сформулированной выше задачей изобретатели обнаружили, что поверхности и поры пористого тела могут быть эффективно обработаны плазмой путем (а) подачи плазмы с желательным расходом к пористому телу или (b) осуществления просасывания пористого тела в атмосфере плазмообразующего газа. Настоящее изобретение выполнено на основании этих полученных данных.
В соответствии с изобретением способ плазменной обработки пористого тела включает стадии генерирования плазмы с использованием инертного газа или смеси газов, состоящей из инертного газа и активного газа, (а) подачу полученной плазмы к пористому телу с расходом, отнесенным к единице площади поверхности пористого тела, в интервале от 0,002 до 2 л/мин/см2, или (b) просасывание пористого тела в атмосфере плазмы, или (с) просасывание пористого тела с одновременной подачей к пористому телу плазмы с указанной величиной расхода, вынуждая тем самым плазму проходить через указанное пористое тело. Этот способ является подходящим для плазменной обработки пористой полимерной пленки, в частности микропористой полиолефиновой мембраны.
Для более эффективной плазменной обработки пористого тела способ плазменной обработки согласно изобретению предпочтительно удовлетворяет следующим условиям.
(1) Количество плазмы, направляемой к пористому телу, приходящейся на единицу поверхности пористого тела, предпочтительно составляет от 0,02 до 1,2 л/мин/см2.
(2) Давление в потоке плазмы, направляемой к пористому телу, предпочтительно составляет от 1 до 100 Па.
(3) Давление просасывания вышеуказанного пористого тела предпочтительно составляет от 1 до 100 Па.
(4) Предпочтительно осуществлять просасывание указанного пористого тела, находящегося в контакте с пористой подложкой, и в то же время (а) подводить к нему плазму с расходом от 0,002 до 2 л/мин/см2, (b) осуществлять просасывание вышеупомянутой пористой подложки, (с) просасывать пористую подложку и в то же время подводить поток плазмы к пористому телу с расходом от 0,002 до 2 л/мин/см2, или (d) направлять плазму к пористой подложке.
(5) Пористая подложка, описанная выше в (4), предпочтительно имеет пористость от 20 до 80%.
(6) Пористая подложка, описанная выше в (4) или (5), предпочтительно выполнена в виде пластины или барабана.
(7) Предпочтительно проводить плазменную обработку пористого тела методом периодической обработки, используя плоскую пористую подложку, описанную в (6) выше, или методом непрерывной плазменной обработки пористого тела, перемещаемого с помощью пористой подложки, имеющей форму барабана, упомянутого выше в (6).
(8) В способе плазменной обработки, осуществляемом в соответствии с любым одним из условий (4)-(7), пористое тело и пористая подложка предпочтительно размещены вне зоны генерирования плазмы между высоковольтным электродом и заземляющим электродом средства генерирования плазмы.
(9) В способе плазменной обработки, осуществляемом в соответствии с любым одним из условий (4)-(7), пористая подложка предпочтительно является заземленным электродом средства генерирования плазмы для плазменной обработки пористого тела, находящегося в контакте с заземленным электродом (пористой подложкой).
(10) В способе плазменной обработки, описанном по любому из раскрытых выше условий (4)-(7), предпочтительно использовать два комплекта средства генерирования плазмы, при этом заземленный электрод одного из средств генерирования образован указанной пористой подложкой для обработки пористого тела в зоне генерирования плазмы, а другое средство генерирования плазмы направляет плазму к пористой подложке.
Первое устройство для плазменной обработки пористого тела в камере, соответствующее изобретению, содержит средство генерирования плазмы, трубопровод для подачи плазмообразующего газа, который представляет собой инертный газ или смесь газов, содержащую инертный газ и активный газ, к средству генерирования плазмы и пористую подложку, размещенную в камере в таком месте, что она воспринимает давление потока плазмы, подводимого от средства генерирования плазмы, при этом указанное давление потока плазмы приложено к пористому телу или пористой подложке, контактирующей с пористым телом. Кроме того, для более эффективной плазменной обработки это устройство предпочтительно включает средство для просасывания пористого тела или пористой подложки.
Второе устройство для плазменной обработки пористого тела в камере, соответствующее изобретению, содержит средство генерирования плазмы, трубопровод для подачи плазмообразующего газа, представляющего собой инертный газ или смесь газов, содержащую инертный газ и активный газ, к средству генерирования, при этом средство генерирования включает высоковольтный электрод и пористый заземляющий электрод, причем пористый заземленный электрод выполняет функцию подложки для пористого тела, изготовлен из пористого металла и покрыт или не покрыт пористым диэлектрическим телом; кроме того, устройство содержит средство просасывания пористого заземляющего электрода, при этом средство генерирования генерирует плазму, в то же время производится просасывание пористого заземляющего электрода, находящегося в контакте с пористым телом.
Третье устройство для плазменной обработки пористого тела в камере, соответствующее изобретению, содержит средство генерирования плазмы, трубопровод для подачи плазмообразующего газа, который представляет собой инертный газ или смесь газов, содержащую инертный газ и химически активный газ, к средству генерирования, при этом средство генерирования включает высоковольтный электрод и пористый заземленный электрод, причем пористый заземленный электрод выполняет функцию подложки для пористого тела, изготовлен из пористого металла и покрыт или не покрыт пористым диэлектрическим телом, при этом средство генерирования генерирует плазму, а плазмообразующий газ подают к пористому заземленному электроду, находящемуся в контакте с пористым телом.
Четвертое устройство для плазменной обработки пористого тела в камере, соответствующее изобретению, содержит первое и второе средства генерирования плазмы, трубопровод для подачи плазмообразующего газа, представляющего собой инертный газ или смесь газов, содержащую инертный газ и химически активный газ, к средствам генерирования, при этом первое средство генерирования включает высоковольтный электрод и пористый заземляющий электрод, причем пористый заземляющий электрод выполняет функцию подложки для пористого тела, изготовлен из пористого металла и покрыт или не покрыт пористым диэлектрическим телом, при этом первое средство генерирования генерирует плазму, а второе средство генерирования плазмы направляет плазму к пористому заземляющему электроду, находящемуся в контакте с пористым телом.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - схематичный чертеж, отображающий один пример устройства для плазменной обработки пористого тела.
Фиг.2 - схематичный чертеж, отображающий другой пример устройства для плазменной обработки пористого тела.
Фиг.3 - схематичный чертеж, отображающий следующий пример устройства для плазменной обработки пористого тела.
Фиг.4 - схематичный чертеж, отображающий еще один следующий пример устройства для плазменной обработки пористого тела.
Фиг.5 - схематичный чертеж, отображающий еще один пример устройства для плазменной обработки пористого тела.
Фиг.6 - схематичный чертеж, отображающий еще один пример устройства для плазменной обработки пористого тела.
Фиг.7 - схематичный чертеж, отображающий еще один пример устройства для плазменной обработки пористого тела.
Фиг.8 - схематичный чертеж, отображающий еще один пример устройства для плазменной обработки пористого тела.
Фиг.9 - схематичный чертеж, отображающий еще один пример устройства для плазменной обработки пористого тела.
Фиг.10 - схематичный чертеж, отображающий еще один пример устройства для плазменной обработки пористого тела.
Фиг.11 - схематичный чертеж, отображающий еще один пример устройства для плазменной обработки пористого тела.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
[1] Пористое тело
Материалы пористого тела, к которым может быть применен способ плазменной обработки согласно изобретению, включают полимеры, стекло, керамические материалы, металлы, полупроводники и т.п. Хотя это и не существенно, пористое тело предпочтительно находится в виде пленки или пластины. Предпочтительным пористым телом является пористая полимерная пленка, которая представляет собой микропористую мембрану, нетканый материал и т.п. изделие из термопластичного полимера. Термопластичные полимеры, из которых могут быть изготовлены микропористая мембрана и нетканый материал, включают полиолефины (например, полиэтилен, полипропилен и т.п.), полиэфиры, полиамиды, полиариленэфир, ароматический простой полиэфир, полиариленсульфид и т.п. Среди вышеуказанных полимеров предпочтительными являются полиолефины.
Микропористые мембраны из полиолефинов изготавливают, например, с использованием способа, раскрытого в патентном документе JP 2132327. В соответствии со способом согласно упомянутому патентному документу JP 2132327 микропористая мембрана из полиэтилена может быть изготовлена путем (i) плавления и перемешивания полиэтиленовой композиции, содержащей полиэтилен со сверхвысоким молекулярным весом и полиэтилен с высокой плотностью, с мембранообразующим растворителем для приготовления раствора полиэтилена, (ii) экструдирования раствора полиэтилена через насадок фильеры и охлаждения полученного экструдата с получением гелеобразного листа, (iii) растягивания гелеобразного листа, (iv) удаления из растянутого листа мембранообразующего растворителя с помощью промывочного растворителя, и (v) высушивания полученной мембраны. Изготовленная таким образом микропористая полиэтиленовая мембрана обычно имеет средний размер пор от 0,005 до 1 мкм, пористость от 25 до 95%, проницаемость для воздуха (по стандарту JIS P8117) от 50 до 10000 секунд/100 мл (приведенную к толщине мембраны 25 мкм) и толщину от 5 до 200 мкм.
[2] Способ и устройство для плазменной обработки
Способ согласно настоящему изобретению включает (а) подачу плазмы к пористому телу с расходом от 0,002 до 2 л/мин/см2, отнесенным к единице поверхности пористого тела, (b) просасывание пористого тела в атмосфере плазмы или (с) просасывание пористого тела в атмосфере плазмы и направление в то же время к пористому телу потока плазмы с указанным расходом, производя тем самым плазменную обработку поверхностей и пор пористого тела.
Хотя это и не существенно, плазма предпочтительно генерируется между высоковольтным электродом и заземляющим электродом в атмосфере плазмообразующего газа (метод тлеющего разряда). Пористое тело может быть подвергнуто плазменной обработке в зоне генерирования плазмы между двумя указанными электродами (прямой метод) или вне зоны генерирования плазмы (не прямой метод). Плазменную обработку можно проводить в периодическом режиме или непрерывном режиме.
Плазму можно подавать к пористому телу с указанным расходом путем подвода плазмообразующего газа из резервуара высокого давления к средству генерирования плазмы, включающему высоковольтный электрод и заземляющий электрод, и последующего эжектирования плазмы из средства генерирования плазмы. Плазму, генерируемую в указанном средстве генерирования, предпочтительно вдувают с помощью сопла, воздуходувки и т.п.
При использовании указанного прямого метода или непрямого метода плазменную обработку можно производить при атмосферном или пониженном давлении. В случае плазменной обработки при пониженном давлении давление в системе предпочтительно составляет от 1 до 100 Па.
Плазмообразующий газ можно подходящим образом выбрать в зависимости от материала пористого тела, принимая во внимание, что использование инертного газа является необходимым. Плазмообразующим газом может быть не только инертный газ, но также и смесь газов, состоящая из инертного газа и химически активного газа. Используемый инертный газ включает Не, Ne, Ar, Хе, Kr и т.п., а химически активным газом может быть О2, Н2, N2 и т.п. Эти газы могут быть использованы по одиночке или в подходящей комбинации. Если пористое тело представляет собой микропористую полиолефиновую мембрану, в качестве плазмообразующего газа предпочтительно использовать инертный газ, такой как Не, Ar, или их смесь, или смесь газов, состоящую из Не, Ar, или смесь этих газов с О2, H2, или их смеси. Ниже со ссылкой на сопровождающие чертежи будет подробно рассмотрен выбранный для примера случай плазменной обработки пористого тела, представляющего собой пленку.
(1) Первое устройство
На фиг.1 представлен пример первого устройства для плазменной обработки согласно настоящему изобретению. В этом устройстве, относящемся к устройствам периодического действия, осуществляют плазменную обработку пористого тела 1 в виде пленки с использованием прямого метода. Устройство содержит (а) средство 2а генерирования плазмы, включающее пластинчатый высоковольтный электрод 20а и пластинчатый заземляющий электрод 21а, размещенные оппозитно друг другу в камере 4, (b) трубку 40 для подачи плазмообразующего газа к средству 2а генерирования, (с) вакуумный насос Р для откачки среды из камеры 4, (d) стол 41, установленный на днище камеры 4 с возможностью плоско-параллельного перемещения, (е) плоскую пористую подложку 3а с порами, сообщающимися как по толщине пленки, так и в направлении плоскости расположения пленки, которая размещена на столе 41, и (f) средство 43 вакуумирования, подсоединенное к пористой подложке 3а посредством трубопровода 42. Пластинчатый высоковольтный электрод 20а подключен к высоковольтному источнику 22 электрической энергии, а пластинчатый заземляющий электрод 21а соединен с землей 23.
Пористое тело 1 в виде пленки фиксируют на пористой подложке 3а и к средству 2а генерирования плазмы подводят плазмообразующий газ с расходом, регулируемым с помощью регулятора 44 массового расхода (M/F), и между двумя электродами 20а и 21а прикладывают высокочастотное напряжение для генерирования плазмы тлеющего разряда. Поскольку пористое тело 1, имеющее вид пленки, зафиксировано на пористой подложке 3а в месте подвода давления, создаваемого потоком плазмы, плазма может проходить через пористое тело 1, имеющее вид пленки, так, что все поверхности и поры пористого тела 1 в виде пленки могут быть подвергнуты плазменной обработке. Пористое тело 1 в виде пленки может быть зафиксировано на пористой подложке 3а с помощью рамной пластины, зажимов и т.п.
Средство 2а генерирования плазмы предпочтительно имеет выходную мощность от 100 до 30000 Вт и частоту от 10 кГц до 500 МГц. Если пористое тело 1 в виде пленки представляет собой микропористую полиолефиновую мембрану, расход плазмы, подводимой к единице поверхности мембраны, может находиться в интервале от 0,002 до 2 л/мин/см2 для надлежащей плазменной обработки пор. Предпочтительно этот расход составляет от 0,02 до 1,2 л/мин/см2. Если пористое тело 1 в виде пленки представляет собой микропористую полиолефиновую мембрану, давление в потоке плазмы, подводимой к пористому телу, предпочтительно находится в интервале от 1 до 100 Па, более предпочтительно от 5 до 50 Па. Давление в потоке плазмы измеряют с помощью датчика давления, размещенного в потоке плазмы. Расстояние d1 от отверстия для подачи плазмы к верхней поверхности пористого тела 1, имеющей вид пленки, предпочтительно составляет от 0,1 до 10 мм.
Для увеличения количества плазмы, проходящей через пористое тело 1, имеющей вид пленки, пористая подложка 3а предпочтительно просасывается с помощью средства 43 ваккумирования с достижением тем самым эффективной плазменной обработки пористого тела 1. Средство 43 вакуумирования может представлять собой отсасывающий вентилятор, вакуумный насос, воздуходувку и т.п. Давление всасывания может быть подходящим образом установлено в зависимости от пористости и т.п. характеристик пористого тела 1 в виде пленки. В том случае, если пористое тело 1 в виде пленки представляет собой микропористую полиолефиновую мембрану, давление всасывания предпочтительно составляет от 1 до 100 Па, более предпочтительно от 5 до 50 Па. Давление, при котором производится всасывание, измеряют с помощью датчика давления, установленного в трубопроводе 42. Количество плазмы, проходящей через пористое тело 1 в виде пленки, отнесенное к единице поверхности пленки, предпочтительно находится в интервале от 0,002 до 2 л/мин/см2, более предпочтительно от 0,02 до 1,2 л/мин/см2. Количество проходящей плазмы измеряют с помощью газового счетчика мокрого типа, установленного ниже по потоку от средства 43 вакуумирования. В рассматриваемом примере пористая подложка 3а просасывается с ее боковой стороны, но всасывание можно осуществлять и с нижней поверхности пористой подложки 3а. Если пористое тело 1 имеет форму пластины, то нижняя или боковая поверхность пористого тела 1 может просасываться полностью.
Материалы для пористой подложки 3а особенно не ограничены, но это могут быть металлы, такие как алюминий, керамические материалы, полимеры и т.д. Пористая подложка 3а предпочтительно имеет пористость в пределах от 20 до 80%. Если пористость составляет менее 20%, то для прохождения плазмы через пористое тело 1 в виде пленки необходим длительный период времени. В том случае, если пористость превышает 80%, пористая подложка 3а имеет небольшую контактную поверхность с пористым телом 1 в виде пленки и не может надежно поддерживать это пористое тело 1. Более предпочтительно, чтобы пористость находилась в интервале от 30 до 60%. Размеры и форма пористой подложки 3а могут быть надлежащим образом установлены в зависимости от размера и т.п. параметра пористого тела 1, имеющего вид пленки, подлежащего плазменной обработке.
Стол 41 для поддержания пористой подложки 3а предпочтительно выполнен с возможностью плоско-параллельного перемещения, так что горизонтально перемещаемое пористое тело 1 в виде пленки может быть равномерно обработано плазмой. Когда пористое тело 1 в виде пленки представляет собой микропористую полиолефиновую мембрану, скорость перемещения стола 41 предпочтительно находится в пределах от 1 до 2 мм/сек, при этом стол может приводиться в движение, например, с помощью линейного исполнительного механизма и т.п.
Фиг.2 иллюстрирует другой пример выполнения устройства для плазменной обработки согласно настоящему изобретению. Это устройство представляет собой устройство периодического действия и также позволяет производить плазменную обработку пористого тела 1 в виде пленки посредством непрямого метода. Устройство, иллюстрируемое на фиг.2, выполнено таким же, как и представленное на фиг.1, за исключением того, что вместо средства 2а для генерирования плазмы оно содержит средство 2b генерирования плазмы, установленное в верхней стенке камеры 4, при этом средство 2b генерирования плазмы включает удлиненный высоковольтный электрод 20b, подключенный к высокочастотному источнику 22 электрической энергии, и цилиндрический заземляющий электрод 21b, размещенный вокруг средства 2b генерирования плазмы с образованием газового канала 24, выполняющего функцию искрового промежутка. Внутренняя поверхность цилиндрического заземляющего электрода 21b обычно покрыта слоем изолятора (не показан). Трубопровод 40 для ввода плазмообразующего газа проходит сквозь цилиндрический заземляющий электрод 21b и сообщается с газовым каналом 24. В конце газового канала 24 находится сопло 25, расположенное вблизи сужающегося конца электрода 20b. При закрепленном на пористой подложке 3а пористом теле 1 в виде пленки в газовый канал 24 вводят плазмообразующий газ, прикладывая в то же время между двумя указанными электродами 20b, 21b высокочастотное напряжение, так что полученная плазма эжектируется из сопла 25. Рабочие характеристики этих средств 2b для генерирования плазмы, включающие выходную мощность и частоту, могут быть такими же, как для средства 2а генерирования плазмы, отображенного на фиг.1. Расход и давление плазмы, подводимой к пористому телу 1 в виде пленки, и пористость пористой подложки 3а могут быть такими же, как и указанные выше. В этом устройстве пористая подложка 3а также предпочтительно просасывается с помощью средств 43 вакуумирования. Давление всасывания и количество плазмы, проходящей через пористое тело 1 в виде пленки, могут быть таким же, как и указанные выше.
На фиг.3 представлен еще один пример выполнения первого устройства для плазменной обработки согласно изобретению. Это устройство представляет собой устройство периодического действия и также позволяет производить плазменную обработку пористого тела 1 в виде пленки посредством прямого метода обработки. Устройство содержит средство 2b для генерирования плазмы, установленное в днище камеры 4, и пористую подложку 3а, размещенную, по существу, напротив средства 2b генерирования плазмы.
После закрепления пористого тела 1 в виде пленки на пористой подложке 3а к нижней поверхности пористой подложки 3а направляют поток плазмы и в то же время осуществляют просасывание пористого тела 1 в виде пленки с помощью вышеуказанного средства 43 вакуумирования с прохождением потока через вытяжной колпак 45, в результате чего плазма может проходить через пористое тело 1 в виде пленки. Расход и давление плазмы, направляемой к пористому телу 1 в виде пленки, а также давление всасывания и количество плазмы, проходящей через пористое тело 1 в виде пленки, могут быть такими же, как и указанные выше. Пористость подложки 3а может быть такой же, как указана выше. Пористое тело 1 в виде пленки прикрепляют к пористой подложке 3а с созданием контактного напряжения, за счет чего пористое тело 1 в виде пленки может быть обработано, находясь в хорошем контакте с пористой подложкой 3а. Расстояние d2 от отверстия для подачи потока плазмы к нижней поверхности пористой подложки 3а предпочтительно составляет от 0,1 до 10 мм.
Фиг.4 иллюстрирует еще один пример выполнения устройства для плазменной обработки согласно настоящему изобретению. Это устройство представляет собой устройство непрерывного действия и также позволяет производить плазменную обработку пористого тела 1 в виде пленки не прямым методом. Устройство содержит пористый барабан 3b для транспортирования пористого тела 1 в виде пленки, размещенный, по существу, напротив средства 2b генерирования плазмы. Пористое тело 1 в виде пленки, разматываемое с бобины 10, проходит через направляющий цилиндр 47, и при транспортировании с помощью пористого барабана 3b повергается воздействию потока плазмы с вышеуказанным расходом, затем проходит другой направляющий цилиндр 47 и наматывается на бобину 11.
Пористый барабан предпочтительно выполняет функцию всасывания. Пористый всасывающий барабан 3b содержит (i) пористый цилиндрический корпус (пористую подложку) 30b, который имеет внутренний вакуумируемый объем 31b и большое количество пор в кольцевой стенке, обеспечивающих сообщение с внутренним объемом 31b, (ii) пару боковых дисков 32b, прикрепленных к боковым торцам цилиндрического корпуса 30b, по меньшей мере, один из которых имеет сквозное отверстие, сообщающееся с объемом 31b, и (iii) пару подшипников 33b со сквозным отверстием, сообщающимся со сквозным отверстием боковых дисков 32b. Подшипник 33b снабжен опорой (на показана) для поддерживания цилиндрического корпуса 30b с возможностью его вращения. Подшипник 33b пористого всасывающего барабана 3b поддерживается с помощью держателя 46. Внутренний объем 31b вакуумируется путем отсасывания с помощью средства 43 вакуумирования, сообщающегося с внутренним объемом через сквозное отверстие подшипника 33b и трубопровод 42, так что пористый барабан 3b, приводимый во вращение с помощью электродвигателя (не показан), может просасывать пористое тело 1 в виде пленки, присоединенной (за счет плотного контакта) к его окружной поверхности. Пористый всасывающий барабан 3b предпочтительно имеет диаметр от 15 до 60 см.
Скорость транспортирования с помощью пористого вращающегося барабана 3b предпочтительно составляет от 1 до 2 мм/сек. Расход и давление плазмы, направляемое к пористому телу 1 в виде пленки, находящемся на пористом всасывающем барабане 3b, а также давление всасывания и количество плазмы, проходящее через пористое тело 1 в виде пленки, могут быть такими же, как и указанные выше. Пористость всасывающего барабана 3b может быть такой же, как указана выше.
На фиг.5 представлен еще один пример выполнения устройства для плазменной обработки согласно настоящему изобретению. Представленное устройство непрерывного действия также позволяет производить плазменную обработку пористого тела 1 в виде пленки не прямым методом. В рассматриваемом устройстве средство 2b генерирования плазмы сообщается с внутренним объемом 31b пористого барабана 3b посредством трубопровода 48, сквозного отверстия в подшипнике 33b и сквозного отверстия в боковом диске 32b, что обеспечивает подачу плазмы к пористому барабану 3b, из которого он выходит.
При подаче плазмы из средства 2b генерирования к пористому телу 1 в виде пленки, транспортируемому с помощью пористого барабана 3b, и одновременном просасывании пористого тела 1, осуществляемом сверху с помощью средства 43 вакуумирования через отсасывающий колпак 45, плазма может проходит через пористое тело 1 в виде пленки. Скорость перемещения пленки пористым барабаном 3b, количество плазмы, пропускаемой через пористое тело 1 в виде пленки, и давление всасывания могут быть такими же, как и вышеуказанные. Контактное давление пористого тела 1 в виде пленки с пористым барабаном 3b регулируется надлежащим образом так, что пористое тело 1 в виде пленки транспортируется, находясь в контакте с пористым барабаном 3b.
(2) Второе устройство
На фиг.6 представлен пример выполнения второго устройства для плазменной обработки. Это устройство периодического действия осуществляет плазменную обработку пористого тела 1 в виде пленки с использованием прямого метода обработки. Устройство содержит средство 2с генерирования плазмы, включающее пластинчатый пористый заземляющий электрод 21с, который выполняет функцию подложки для пористого тела 1 в виде пленки.
Если обрабатываемое пористое тело 1 в виде пленки является токонепроводящим, пористый заземляющий электрод 21с (пористая подложка 3с) предпочтительно образован из пористого металла, покрытого пористым диэлектрическим телом. Пористым диэлектрическим телом может быть пористый полимер (например, лист вспененного полиуретана, пористая силиконовая резина), пористый керамический материал и т.п. В том случае, если обрабатываемое пористое тело 1 в виде пленки является токопроводящим, пористый заземляющий электрод 21с (пористая подложка 3с) предпочтительно выполняют из пористого металла. Пористость подложки 3с может быть такой же, как указана выше.
После закрепления пористого тела 1, имеющего вид пленки, на пористом заземляющем электроде 21с (на пористой подложке 3с) между электродами 20с и 21с в атмосфере плазмообразующего газа прикладывают напряжение высокой частоты, и пористый заземляющий электрод 21с просасывают с помощью средства 43 вакуумирования, так что пористое тело 1 в виде пленки может быть обработано при генерировании плазмы, и полученный плазма может проходить через пористое тело 1 в виде пленки. Давление всасывания, количество плазмы, проходящей через пористое тело 1 в виде пленки, выходная мощность и частота, присущие используемому средству 2с генерирования плазмы, могут быть такими же, как указаны выше.
На фиг.7 представлен другой пример выполнения второго устройства для плазменной обработки согласно настоящему изобретению. Это устройство непрерывного действия также обеспечивает обработку пористого тела 1 в виде пленки прямым методом обработки. Средство 2d генерирования плазмы в этом устройстве включает пластинчатый высоковольтный электрод 20d и заземляющий электрод 21d, образованный всасывающим барабаном 3d из пористого металла. Всасывающий барабан 3d из пористого металла расположен в камере 4, по существу, оппозитно пластинчатому высоковольтному электроду 20d. Конструкция всасывающего барабана 3d из пористого металла (включающая цилиндрический корпус 30d, внутренний объем 31d, боковые диски 32d и подшипники 33d) может быть такой же, как и конструкция пористого барабана 3b, представленного на фиг.4. Как отмечено выше, если обрабатываемое пористое тело 1 в виде пленки является непроводящим, всасывающий барабан 3d из пористого металла покрывают пористым диэлектрическим телом.
Пористое тело 1 в виде пленки, разматываемой с катушки 10, обрабатывается плазмой, проходящей через пленку в зоне генерирования плазмы. В процессе обработки пленка транспортируется пористым металлическим всасывающим барабаном 3d (заземляющим электродом 21d) и наматывается на катушку 11. Скорость транспортирования пленки пористым металлическим всасывающим барабаном 3d может быть такой же, как и указанная выше. Количество плазмы, проходящей через пористое тело 1 в виде пленки, пористость пористого металлического всасывающего барабана 3d и давление всасывания могут быть такими же, как и указанные выше.
(3) Третье устройство
Фиг.8 иллюстрирует пример третьего устройства для плазменной обработки согласно настоящему изобретению. Это устройство, относящееся к устройствам периодического действия, также осуществляет плазменную обработку пористого тела 1 в виде пленки с использованием прямого метода обработки. Это устройство может быть таким же, как и представленное на фиг.6, за исключением использования регулятора 44' массового расхода вместо средства 43 вакуумирования. При закрепленном пористом теле 1 в виде пленки на пористом заземляющем электроде 21с (на пористой подложке 3с) между электродами 20с и 21с подают плазмообразующий газ через регулятор 44 массового расхода. Кроме того, плазмообразующий газ направляют к пористому заземляющему электроду 21с через регулятор 44' массового расхода и в то же время между электродами 20с и 21с прикладывают напряжение высокой частоты. Полученная плазма может проходить через пористое в виде пленки тело 1. Всасывание предпочтительно производится с помощью вакуумного насоса Р, размещенного, по существу, напротив трубопровода 40. Расход плазмы, направляемой к пористому телу 1 в виде пленки, может быть таким же, как указанный выше. Расходы плазмообразующих газов, поступающих из трубопроводов 40 и 40', могут быть установлены подходящим образом. Хотя описанное устройство содержит регулятор 44 массового расхода и вакуумный насос Р, любой из этих элементов может быть исключен из конструкции устройства. В случае исключения вакуумного насоса Р в устройстве размещают отводящую трубу.
Фиг.9 иллюстрирует другой пример воплощения третьего устройства для плазменной обработки согласно изобретению. В этом устройстве непрерывного действия также осуществляется плазменная обработка пористого тела 1 в виде пленки прямым методом. Устройство может быть таким же, как и представленное на фиг.7, за исключением использования регулятора 44' массового расхода вместо средства 43 вакуумирования. При транспортировании пористого тела 1 в виде пленки с помощью пористого металлического барабана 3d (заземляющего электрода 21d) между электродами 20d и 21d подают плазмообразующий газ, поступающий через регулятор 44 массового расхода. Кроме того, плазмообразующий газ направляют к пористому металлическому барабану 3d через регулятор 44' массового расхода, при этом между электродами 20d и 21d прикладывают напряжение высокой частоты. Полученная плазма может проходить через пористое тело 1 в виде пленки. Просасывание пористого тела предпочтительно производится с помощью вакуумного насоса Р, размещенного напротив трубопровода 40. Расход плазмы, направляемой к пористому телу 1 в виде пленки, может быть таким же, как и указанный выше. Количество плазмы, подводимой к пористому телу 1 в виде пленки, может быть таким же, как и указанное выше. Расходы плазмообразующих газов, поступающих от трубопроводов 40 и 40', могут быть установлены подходящим образом. Хотя описанное устройство содержит регулятор 44 массового расхода и вакуумный насос Р, любой из этих элементов может быть исключен из конструкции устройства. В случае исключения вакуумного насоса Р в устройстве размещают отводящую трубу.
(4) Четвертое устройство
Фиг.10 иллюстрирует пример выполнения четвертого устройства для плазменной обработки согласно изобретению. В этом устройстве периодического действия также производится плазменная обработка пористого тела 1 в виде пленки прямым методом. Устройство содержит первое средство 2с генерирования плазмы, образованное пластинчатым высоковольтным электродом 20с и пластинчатым пористым заземляющим электродом 21с (пористой подложкой 3с), и второе средство 2b, установленное в днище камеры 4.
В этом устройстве пористое тело 1 в виде пленки, находящееся в контакте с пористой подложкой 3с, обрабатывается не только плазмой в зоне его генерирования между пластинчатым высоковольтным электродом 20с и пластинчатым пористым заземляющим электродом 21с (пористой подложкой 3с), но также и плазмой, направляемой из средства 2b генерирования к пористой положке 3с снизу и проходящей через пористое тело 1 в виде пленки. Предпочтительно плазменную обработку проводят с одновременным просасыванием с помощью вакуумного насоса Р, установленного в потолке камеры 4. Количество плазмы, подводимой к пористому телу 1 в виде пленки, а также материал и пористость пористого заземляющего электрода 21с могут быть такими же, как и указанные выше.
На фиг.11 представлен другой пример выполнения четвертого устройства для плазменной обработки согласно изобретению. В этом устройстве непрерывного действия также производится плазменная обработка пористого тела 1 в виде пленки непосредственным методом. Устройство содержит первые средства 2d генерирования плазмы, включающие пластинчатый высоковольтный электрод 20d и заземляющий электрод 21d (пористый металлический барабан 3d), и вторые средства 2b, служащие для подачи плазмы в объем 31d внутри пористого металлического барабана 3d.
В этом устройстве пористое тело 1 в виде пленки, транспортируемое с помощью пористого металлического барабана 3d, обрабатывается между пластинчатым высоковольтным электродом 20d и пористым металлическим барабаном 3d в зоне генерирования плазмы, и в то же время плазму, эмитируемую из барабана 3d, пропускают через пористое тело 1 в виде пленки. Просасывание предпочтительно осуществляется с помощью вакуумного насоса Р, установленного в потолке камеры 4. Скорость транспортирования барабаном 3d пористого тела 1 в виде пленки и количество направляемого к пленке плазмы могут быть такими же, как указаны выше.
Упомянутая выше плазменная обработка включает в себя обработку поверхностей и пор пористого тела 1. Если пористое тело 1 представляет собой микропористую полиолефиновую мембрану, в мембрану (для улучшения ее гидрофильности) могут быть введены функциональные группы кислородсодержащих веществ, такие как карбоксильная группа, карбонильная группа и т.п. Микропористые полиолефиновые мембраны, подвергнутые плазменной обработке в соответствии с настоящим изобретением, являются особенно подходящими для батарейных сепараторов, различных фильтров, различных технически необходимых носителей материала и т.п.
[3] Осуществление привитой сополимеризации мономера
После плазменной обработки пористого тела 1, выполненного из полимера, для повышения гидрофильности может быть осуществлена привитая сополимеризация мономера. Если пористое тело 1 представляет собой микропористую полиолефиновую мембрану, в качестве мономера предпочтительно использовать акриловый мономер. Привитая сополимеризация мономера обработанной плазмой микропористой полиолефиновой мембраны может быть осуществлена согласно способу, описанному в патентном документе JP 9-31226 A, в соответствии с которым прошедшая плазменную обработку микропористая полиолефиновая мембрана полимеризуется посредством проведения привитой сополимеризации с использованием акрилового мономера, такого как метакрилат. Такая привитая сополимеризация мономера обеспечивает получение микропористой полиолефиновой мембраны с повышенной гидрофильностью и химическим сродством для различных органических растворителей. Соответственно, микропористые олефиновые мембраны, прошедшие плазменную обработку и привитую сополимеризацию мономера, в соответствии с настоящим изобретением, демонстрируют исключительные свойства при их использовании для батарейных сепараторов, различных фильтров, различных технически необходимых носителей материала.
Изложенное выше описание настоящего изобретения со ссылками на сопровождающие чертежи не имеет своей целью ограничить изобретение, и, следовательно, могут быть осуществлены различные модификации, если они не выходят за пределы объема изобретения.
Изобретение более подробно будет объяснено со ссылками на приведенные ниже Примеры осуществления, которые не следует рассматривать как ограничивающие объем изобретения.
Пример 1
Используя устройство периодического действия, представленное на фиг.1, была подвергнута плазменной обработке при атмосферном давлении микропористая полиолефиновая мембрана (SETELA, производитель - Tonen Chemical Corporation) размером 5 см ×5 см ×30 мкм, имеющая пористость 63% и проницаемость для воздуха 80 сек/100 мл (параметр Guley). Обработку проводили следующим образом. Микропористую полиолефиновую мембрану 1 фиксировали на пористой подложке 3а, представляющей собой алюминиевую пластину с верхней пористой поверхностью, имеющей пористость 50%. Алюминиевая пластина была размещена на столе 41 на нижней поверхности камеры 4, и между высоковольтным электродом 20а и заземленным электродом 21а было приложено высокочастотное напряжение с частотой 13,56 МГц и электрической мощностью, равной 500 Вт, при этом между указанными электродами подавали гелий с расходом 3000 мл/мин. Полученную плазму (3 л/мин) подавали к микропористой полиолефиновой мембране 1 сверху с расстояния 1 мм. В то же время производили просасывание при давлении 28 Па с помощью отсасывающего устройства 43, подключенного к пористому участку подложки 3а, так что количество плазмы, проходящей через микропористую мембрану 1, составляло 3 л/мин, при этом стол 41 перемещали со скоростью 3 мм/сек.
Измерения, производимые после плазменной обработки микропористой полиэтиленовой мембраны 1 при атмосферном давлении на обеих ее поверхностях с помощью измерителя краевого угла смачивания (измеритель Drop Master, предлагаемый для использования компанией Kyowa Interface Science Co. Ltd), показали, что угол смачивания мембраны чистой водой (называемый просто "угол смачивания для воды") составлял 32° на верхней поверхности (со стороны расположения средства 2а для генерирования плазмы) и 48° на нижней поверхности (со стороны пористой подложки 3а). Измерения с помощью прибора FT-IR (инфракрасный Фурье-спектрометр), проведенные на обеих поверхностях микропористой полиэтиленовой мембраны после ее плазменной обработки, подтвердили, что преимущественно в обе поверхности была внедрена группа карбоновой кислоты, и показали, что даже нижняя поверхность была эффективно обработана плазмой.
Пример 2
Проведена плазменная обработка микропористой полиэтиленовой мембраны при атмосферном давлении таким же образом, как и в Примере 1, за исключением того, что микропористая полиэтиленовая мембрана не просасывалась. Измерения на обеих поверхностях полученной микропористой полиэтиленовой мембраны показали, что краевой угол смачивания для воды составлял 30° на верхней поверхности и 80° на нижней поверхности. Измерения с помощью прибора FT-IR на обеих поверхностях микропористой полиэтиленовой мембраны после ее плазменной обработки подтвердили, что преимущественно в обе поверхности была внедрена группа карбоновой кислоты, и показали, что даже нижняя поверхность была эффективно обработана плазмой.
Сравнительный Пример 1
Проведена плазменная обработка микропористой полиэтиленовой мембраны при атмосферном давлении таким же образом, как и в Примере 1, за исключением того, что в качестве подложки использовали непористую алюминиевую пластину, и микропористая полиэтиленовая мембрана не просасывалась. Измерения на обеих поверхностях полученной микропористой полиэтиленовой мембраны показали, что краевой угол смачивания для воды составлял 36° на верхней поверхности и 123° на нижней поверхности. Измерения с помощью прибора FT-IR на обеих поверхностях микропористой полиэтиленовой мембраны после ее плазменной обработки показали, что, несмотря на внедрение группы карбоновой кислоты преимущественно в обе поверхности мембраны, в показаниях прибора для нижней поверхности отсутствовали характерные пики, соответствующие химическим веществам, иным, чем полиэтилен, свидетельствуя о том, что плазменная обработка нижней поверхности не произошла.
Сравнительный Пример 2
Проведена плазменная обработка микропористой полиэтиленовой мембраны при атмосферном давлении таким же образом, как и в Примере 1, за исключением того, что в качестве плазмообразующего газа была использована газовая смесь, состоящая из гелия (расход 3000 мл/мин) и кислорода (расход 10 мл/мин), в качестве подложки использовали непористую алюминиевую пластину, и микропористая полиэтиленовая мембрана не просасывалась. Измерения на обеих поверхностях полученной микропористой полиэтиленовой мембраны показали, что краевой угол смачивания для воды составлял 52° на верхней поверхности и 127° на нижней поверхности. Измерения с помощью прибора FT-IR на обеих поверхностях микропористой полиэтиленовой мембраны после ее плазменной обработки показали, что, несмотря на то, что группа карбоновой кислоты была внедрена преимущественно в обе поверхности, в показаниях прибора для нижней поверхности отсутствовали характерные пики, соответствующие химическим веществам, иным, чем полиэтилен, свидетельствуя о том, что плазменная обработка нижней поверхности не произошла.
Сравнительный Пример 3
Проведена плазменная обработка микропористой полиэтиленовой мембраны при атмосферном давлении таким же образом, как и в Примере 1, за исключением того, что в качестве плазмообразующего газа была использована газовая смесь, состоящая из гелия (расход 2500 мл/мин) и аргона (расход 500 мл/мин), в качестве подложки использовали непористую алюминиевую пластину, и микропористая полиэтиленовая мембрана не просасывалась. Измерения на обеих поверхностях полученной микропористой полиэтиленовой мембраны показали, что краевой угол смачивания для воды составлял 30° на верхней поверхности и 129° на нижней поверхности. Измерения с помощью прибора FT-IR на обеих поверхностях микропористой полиэтиленовой мембраны после ее плазменной обработки показали, что, несмотря на то, что преимущественно в обе поверхности была внедрена группа карбоновой кислоты, в показаниях прибора для нижней поверхности отсутствовали характерные пики, соответствующие химическим веществам, иным, чем полиэтилен, свидетельствуя о том, что плазменная обработка нижней поверхности не произошла.
Пример 3
Используя устройство периодического действия, представленное на фиг.6, была проведена плазменная обработка микропористой полиолефиновой мембраны при атмосферном давлении с использованием подложки 3с, полученной путем покрытия всей верхней поверхности пористой подложки такой же, как и в Примере 1 (алюминиевая пластина с пористой верхней поверхностью, пористость которой равна 50%), листом вспененного полиуретана. На покрытой верхней поверхности пористой подложки 3с была зафиксирована такая же микропористая полиолефиновая мембрана 1. Пористая подложка 3с была размещена на столе 41, установленном на нижней поверхности устройства, так что пористая подложка 3с выполняла функцию заземляющего электрода 21с. При подаче гелия с расходом 3000 мл/мин между высоковольтным электродом 20с и микропористой полиэтиленовой мембраной 1 высокочастотное напряжение с частотой 13,56 МГц и электрической мощностью, равной 500 Вт было приложено между указанными высоковольтным электродом 20с и заземленным электродом 21с (подложкой 3с) для генерирования плазмы. В то же время с помощью отсасывающего устройства 43, подключенного к пористому участку подложки 3а, производили просасывание при давлении 28 Па так, что количество плазмы, проходящей через микропористую мембрану 1, составляло 3 л/мин, при этом стол 41 перемещали со скоростью 3 мм/сек.
Измерения, проведенные на обеих поверхностях микропористой полиэтиленовой мембраны 1 после плазменной обработки при атмосферном давлении, показали, что краевой угол смачивания для воды составлял 29° на верхней поверхности и 37° на нижней поверхности. Измерения с помощью прибора FT-IR на обеих поверхностях микропористой полиэтиленовой мембраны после ее плазменной обработки подтвердили, что преимущественно в обе поверхности была внедрена группа карбоновой кислоты, и показали, что даже нижняя поверхность была эффективно обработана плазмой.
Пример 4
Полученная в Примере 3 после проведения плазменной обработки при атмосферном давлении микропористая полиэтиленовая мембрана была тотчас же погружена в раствор, содержащий 1 объем. % метакрилата в воде и метаноле с объемным отношением этих компонент 50:50, при температуре 50°С в течение 30 минут и затем промыта водой. Измерения, проведенные с высушенной микропористой полиэтиленовой мембраной с помощью прибора FT-IR, показали, что полиметилакрилат был образован в мембране посредством привитой сополимеризации. Вычисленное по увеличению массы микропористой полиэтиленовой мембраны количество метакрилата, полученного в результате привитой полимеризации, составляло 11 мас.%. Измерения в микропористой полиэтиленовой мембране с привитой полимеризацией на обеих поверхностях показали, что краевой угол смачивания для воды составлял 25° на верхней поверхности и 28° на нижней поверхности.
Сравнительный пример 4
Проведена плазменная обработка микропористой полиэтиленовой мембраны при атмосферном давлении таким же образом, как и в Примере 3, за исключением того, что в качестве подложки использовали непористую алюминиевую пластину, и микропористая полиэтиленовая мембрана не просасывалась. Измерения, проведенные на обеих поверхностях полученной микропористой полиэтиленовой мембраны, показали, что краевой угол смачивания для воды составлял 31° на верхней поверхности и 114° на нижней поверхности. Измерения с помощью прибора FT-IR, проведенные на обеих поверхностях микропористой полиэтиленовой мембраны после ее плазменной обработки, показали, что хотя группа карбоновой кислоты, в основном, была внедрена в верхнюю поверхность, в показаниях прибора для нижней поверхности отсутствовали характерные пики, соответствующие химическим веществам, иным, чем полиэтилен, свидетельствуя о том, что на нижней поверхности плазменная обработка не произошла.
Результат, достигаемый в изобретении
В соответствии с настоящим изобретением пористое тело может быть эффективно обработано плазмой не только на поверхности тела, но также и в его порах. Изобретение является в особенности эффективным для плазменной обработки микропористой полиэтиленовой мембраны, имеющей большую площадь поверхности и размеры пор в несколько микрон или менее. Микропористая полиэтиленовая мембрана, подвергнутая плазменной обработке согласно изобретению и в результате гидрофильная на обеих поверхностях и в порах, является подходящей для использования в батарейных сепараторах, в различных фильтрах, различных носителях функциональных материалов и т.п.
Реферат
Способ плазменной обработки пористого тела включает стадии генерирования плазмы с использованием инертного газа или газовой смеси, состоящей из инертного газа и химически активного газа, подачи полученной плазмы к пористому телу с расходом, отнесенным к единице площади поверхности пористого тела и составляющим от 0,002 до 2 л/мин/см2, просасывания пористого тела в атмосфере плазмы или просасывания пористого тела при подаче плазмы к пористому телу с указанным расходом, производя тем самым эффективную плазменную обработку поверхностей и пор пористого тела. 5 н. и 1 з.п. ф-лы, 11 ил.
