一种多源小功率低温等离子体聚合涂层装置及方法与流程

本发明属于等离子体技术领域，特别涉及一种低温等离子体聚合涂层装置及方法。

背景技术：

等离子体表面处理作为提升材料表面性能有效方法被广泛应用于航空航天、汽车制造、机械重工和五金工具制造等领域。等离子体聚合涂层是一种重要的表面处理方法。在等离子体聚合涂层过程中，需要在真空室中通入工艺气体和气态有机类单体，通过放电把有机类气态单体等离子体化，使其产生各类活性种，由这些活性种之间或活性种与单体之间进行加成反应形成聚合物。由于聚合物涂层一般不导电，通常必须使用高频放电源产生等离子体，而为了提高生产效率、降低成本，现有的等离子体聚合涂层装置尽可能增大放电源面积以能够同时处理更多基材。但大面积的高频放电源功率阈值大，产生的等离子体能量高、密度高，易将化学单体结构过度破坏，使形成的聚合物涂层质量不良。另外，大面积的高频放电源由于存在驻波效应，所产生的等离子体在空间分布不均匀，使批处理产品质量均一性不良。

理论上解决上述问题的可以用多个小面积、小功率的高频放电源组合起来代替单一的大面积、大功率高频放电源。但是实际上由于各不同高频放电源之间难以做到相位完全一致，存在相互之间的串扰，使各高频放电源工作不稳定，严重时可能烧坏供电电源。而为了减小各高频放电源相互之间的串扰，不得不拉开各高频放电源之间的距离，而各高频放电源之间距离的加大又会使所产生的等离子体空间分布不均匀。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有的等离子体聚合涂层装置使用大面积、大功率高频放电源所产生的等离子体在空间分布不均匀、批处理产品质量均一性不良、等离子体能量高、密度高，易将化学单体结构过度破坏，使形成的聚合物涂层质量不良的问题，以及多个小面积、小功率高频放电源的组合所存在的各高频放电源之间相互串扰，所产生的等离子体空间分布不均匀等问题提供一种多源小功率低温等离子体聚合涂层装置。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案如下：

在主真空室壁上相互靠近安装多个放电腔，在每个放电腔通往主真空室的开口处安装一个平面接地栅网以屏蔽各放电腔之间的相互串扰；在每个放电腔内靠近栅网处安装多孔电极板，多孔电极板与栅网平行并保持一个小间隙以消除它们之间的等离子体，避免各放电腔内的电磁波通过等离子体传播进入主真空室；多孔电极板上均匀分布的通孔供电中性的放电产物和活性基团通过经栅网进入主真空室；多孔电极板通过绝缘支架固定在放电腔壁上，通过导线连接小功率高频电源，每个放电腔内的多孔电极板连接一个小功率高频电源，使多孔电极板对放电腔壁放电，在放电腔内产生等离子体；载体气体管路和单体蒸汽管路分别连接到每个放电腔内，载体气体管路和单体蒸汽管路另一端分别连接到载体气体源和单体蒸汽源；真空排气管连接到主真空室内，真空排气管另一端连接到真空泵；待处理的基材放在主真空室内部，且位于放电腔外部，载体气体和单体蒸汽在各放电腔内发生放电，单体蒸汽发生聚合，聚合产物在载体气流带动下先后穿过多孔电极板上的小孔和栅网进入真空室并沉积在基材表面形成聚合物涂层。

所述放电腔为圆筒形，材质为金属，其直径范围是深度为30-150mm。

所述放电腔相邻轴线之间的间距为70～400mm。

所述多孔电极板与所述栅网之间的间隙小于8mm。

所述多孔电极板上分布的通孔直径是1～10mm，孔间距1～10mm。

所述的小功率高频电源功率为5～100W，频率为20kHz～300MHz。

所述的真空排气管连接在主真空室与放电腔相对的壁上。

一种利用上述所述的多源小功率低温等离子体聚合涂层装置进行涂层的方法，其特征在于：主要包括以下步骤：

(1)、在真空室内放置待处理的基材，开启真空泵将真空室内真空度抽到1Pa以下；

(2)、开启载体气体管路和单体蒸汽管路，通入载体气体和单体蒸汽，维持真空室内的真空度为2-30Pa；

(3)、开启小功率高频电源，多孔电极板对放电腔壁放电，单体蒸汽发生聚合，聚合产物在载体气流带动下先后穿过多孔电极板上的小孔和栅网进入真空室并沉积在基材表面形成聚合物涂层。

所述载体气体为氩气或氦气中的一种或两种混合物。

本发明的上述技术方案与现有技术相比具有以下优点：

(1)由于真空室内安装多个放电腔，分开但相互靠近的多个放电腔避免了单一大面积放电源存在的驻波效应，使得真空室内等离子体的空间分布均匀，批处理产品质量均一性良好。

(2)与单一大面积电极放电源相比，各小功率放电腔放电功率阈值小，放电总功率小，产生的等离子体能量、密度较低，化学单体结构不易被过度破坏，形成的聚合物涂层质量良好。

(3)栅网接地且多孔电极板平行靠近栅网，消除它们之间的等离子体，有效阻挡各放电腔内的电磁波通过等离子体传播进入主真空室，避免各放电腔之间的相互干扰，使各放电腔能够靠近安装，真空室内等离子体的空间分布均匀，批处理产品质量均一性良好。

附图说明

图1为一种多源小功率低温等离子体聚合涂层装置示意图。

图2为图1中放电腔的结构示意图。

图中：1、主真空室，2、放电腔，3、栅网，4、多孔电极板，5、小功率高频电源，6、载体气体管路，7、单体蒸汽管路，8、真空排气管，9、基材，10、绝缘支架，11、导线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于具体实施例。

实施例1

一种多源小功率低温等离子体聚合涂层装置，该装置中，主真空室的壁上安装多个放电腔，放电腔为圆筒形，材质是金属，其直径范围是深度为150mm；相邻放电腔轴线之间的间距为70mm；放电腔通往主真空室的开口处安装一个平面接地栅网；在放电腔内靠近栅网处安装多孔电极板，多孔电极板上均匀分布通孔，通孔直径1mm，孔间距1mm；多孔电极板与栅网平行且间隙小于8mm；多孔电极板通过绝缘支架固定，通过导线连接小功率高频电源，小功率高频电源的功率为5W，频率为20kHz；载体气体管路和单体蒸汽管路连接到每个放电腔内，载体气体管路和单体蒸汽管路另一端分别连接到载体气体源和单体蒸汽源；真空排气管连接到主真空室与放电腔相对的壁上，真空排气管另一端连接到真空泵；待处理的基材放在主真空室内部，并位于放电腔外部。

实施例2

一种利用实施例1所述的多源小功率低温等离子体聚合涂层装置进行涂层的方法，其特征在于：主要包括以下步骤：

(1)、在真空室内放置待处理的基材，开启真空泵将真空室内真空度抽到1Pa；

(2)、通入载体气体，使载体气体经载体气体管路进入到放电腔及真空室，所述载体气体为氩气，维持真空室内的真空度为30Pa；通入单体蒸汽，使单体蒸汽经单体蒸汽管路进入真空室，所述单体蒸汽含有至少一个不饱和碳碳键，其中一个不饱和碳原子上不含取代基，所述单体的结构中可以含有卤素官能团或其他官能团，所述卤素官能团为F,Cl,Br,I中一种或多种，其他官能团为羟基，羧基，环氧基团，硅氧基团中一种或多种，例如单体为二甲基乙烯基乙氧基硅烷；

(3)、开启小功率高频电源，多孔电极板对放电腔壁放电，单体蒸汽发生聚合，聚合产物在载体气流带动下先后穿过多孔电极板上的小孔和栅网进入真空室并沉积在基材表面形成聚合物涂层。

实施例3

一种多源小功率低温等离子体聚合涂层装置，该装置中，主真空室的壁上安装多个放电腔，放电腔为圆筒形，材质是金属，其直径范围是深度为30mm；相邻放电腔轴线之间的间距为400mm；放电腔通往主真空室的开口处安装一个平面接地栅网；在放电腔内靠近栅网处安装多孔电极板，多孔电极板上均匀分布通孔，通孔直径10mm，孔间距10mm；多孔电极板与栅网平行且间隙小于8mm；多孔电极板通过绝缘支架固定，通过导线连接小功率高频电源，小功率高频电源的功率为100W，频率为300MHz；载体气体管路和单体蒸汽管路另一端分别连接到载体气体源和单体蒸汽源；真空排气管连接到主真空室与放电腔相对的壁上，真空排气管另一端连接到真空泵；待处理的基材放在主真空室内部，并位于放电腔外部。

实施例4

一种利用实施例3所述的多源小功率低温等离子体聚合涂层装置进行涂层的方法，其特征在于：主要包括以下步骤：

(1)、在真空室内放置待处理的基材，开启真空泵将真空室内真空度抽到0.5Pa以下；

(2)、通入载体气体，使载体气体经载体气体管路进入到放电腔及真空室，所述载体气体为氦气，维持真空室内的真空度为12Pa；通入单体蒸汽，使单体蒸汽经单体蒸汽管路进入真空室，所述单体蒸汽含有至少一个不饱和碳碳键，其中一个不饱和碳原子上不含取代基，所述单体的结构中可以含有卤素官能团或其他官能团，所述卤素官能团为F,Cl,Br,I中一种或多种，其他官能团为羟基，羧基，环氧基团，硅氧基团中一种或多种，例如单体为为甲基丙烯酸三氟乙酯；

(3)、开启小功率高频电源，多孔电极板对放电腔壁放电，单体蒸汽发生聚合，聚合产物在载体气流带动下先后穿过多孔电极板上的小孔和栅网进入真空室并沉积在基材表面形成聚合物涂层。

实施例5

一种多源小功率低温等离子体聚合涂层装置，该装置中，主真空室的壁上安装多个放电腔，放电腔为圆筒形，材质是金属，其直径范围是深度为90mm；相邻放电腔轴线之间的间距为200mm；放电腔通往主真空室的开口处安装一个平面接地栅网；在放电腔内靠近栅网处安装多孔电极板，多孔电极板上均匀分布通孔，通孔直径5mm，孔间距5mm；多孔电极板与栅网平行且间隙小于8mm；多孔电极板通过绝缘支架固定，通过导线连接小功率高频电源，小功率高频电源的功率为50W，频率为100MHz；载体气体管路和单体蒸汽管路另一端分别连接到载体气体源和单体蒸汽源；真空排气管连接到主真空室与放电腔相对的壁上，真空排气管另一端连接到真空泵；待处理的基材放在主真空室内部，并位于放电腔外部。

实施例6

一种利用实施例3所述的多源小功率低温等离子体聚合涂层装置进行涂层的方法，其特征在于：主要包括以下步骤：

(1)、在真空室内放置待处理的基材，开启真空泵将真空室内真空度抽到0.06Pa；

(2)、通入载体气体，使载体气体经载体气体管路进入到放电腔及真空室，所述载体气体为氩气和氦气，维持真空室内的真空度为2Pa；通入单体蒸汽，使单体蒸汽经单体蒸汽管路进入真空室，所述单体蒸汽含有至少一个不饱和碳碳键，其中一个不饱和碳原子上不含取代基，所述单体的结构中可以含有卤素官能团或其他官能团，所述卤素官能团为F,Cl,Br,I中一种或多种，其他官能团为羟基，羧基，环氧基团，硅氧基团中一种或多种，例如单体为为甲基丙烯酸和甲基丙烯酸-2-羟乙酯；

(3)、开启小功率高频电源，多孔电极板对放电腔壁放电，单体蒸汽发生聚合，聚合产物在载体气流带动下先后穿过多孔电极板上的小孔和栅网进入真空室并沉积在基材表面形成聚合物涂层。