专利名称：一种常压等离子体改性船体钢表面的方法
技术领域：
本发明属于等离子体表面处理技术领域，涉及一种使用常压等离子体束改性处理 船体钢表面的方法，特别是一种有助于对有机涂料粘接的材料表面处理方法。
背景技术：
海洋环境是十分严酷的腐蚀环境，船舶长期处于这样的海洋环境中，腐蚀极其严 重，涂料与钢材表面的牢固结合是涂料发挥防腐功能的前提，钢材表面的锈、氧化皮、油污 等阻碍了涂料与钢材表面结合，因此在涂装之前必须对基材表面进行预处理。目前船体钢 表面预处理方式有溶剂清洗、喷砂、喷丸和磷化等，这些方式对于提高涂料结合力具有各自 的优势，但同时存在着不足之处，特别是难以满足船舶对涂料长期防护的要求，以及在处理 过程中产生废液和粉尘等污染环境并对操作人员身体造成严重威胁。常压等离子体技术 是在常压下击穿空气放电，产生的低温等离子体具有极强的化学活性，在室温下可以引起 多种化学反应或物理刻蚀，而基质材料的本体性能不受影响。通过低温等离子体表面处理 的材料表面会发生多种的物理和化学变化，或产生刻蚀而粗糙，或形成致密的交联层，或引 入含氧极性基团，使材料表面清洁和活化，改善材料表面的亲水性和粘结性等性能。由于 射流等离子体本身并不带电，和材料表面不产生电势差，因此，可以极其高效的清洗和活化 各种金属材料表面。中国专利CN1913928A记载了在钛、不锈钢等金属表面采用偶联剂处 理方式形成配位键，提高与聚合物的结合力，但是金属材料需要在氢氟酸中腐蚀，再在硝 酸中钝化，再经过蒸馏水清洗和干燥，过程复杂，难以大规模应用；中国专利CN101032802 记载了常压等离子体抛光方法，在硬脆性难加工材料表面实现超光滑加工，提高了加工效 率约10倍、不需要真空室，降低了设备成本并可扩大应用范围；中国专利CN101321614A 记载了常压等离子体处理复合材料结构体的方法，采用此项技术能够提高复合材料结构
寸胃—禾中g丰勾#白勺feft^Sit(Μ. C. Kim, Surfacetreatment of metals using an
atmospheric pressure plasma jetand their surface characteristics, Surface and CoatingsTechnology 174-175(2003)839-844)研究表明常压等离子体处理铝、铜、不锈钢 等金属表面能够高效的清除表面油污，并引入C-O基团。对钢材表面预处理是提高涂料结 合力的重要手段，因此，能够高效清除油污，提高表面活性和润湿性，以及降低处理成本是 研究的重点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种使用常压等离子体改 性处理船体钢表面的方法，通过气体放电在钢基底表面上产生氧化活性粒子，活化钢基底 材料，提高钢基底的表面能和润湿性，能够从被处理的表面除去使有机涂料粘接劣化的元 素，表面活化与清洁可提高有机涂料与钢基底材料之间的结合强度。为了实现上述目的，本发明采用干法改性，在大气压、室温和开放的环境条件下 一步直接完成船体钢表面的改性；先将常压等离子体改性处理用的喷枪对准待处理的船体钢工件部位，使喷枪距离工件表面10-20mm的位置相对工件勻速平行移动，在常压、 常温和开放环境下将等离子体束喷射至船体钢工件表面，喷枪功率为300W-700W，行进 速度0. 1-lOm/min，对船体钢工件表面进行常压等离子体改性处理；等离子体选自空气、 氩气、氮气或功能性气体中的一种或多种，其中氩气和氮气的纯度为99. 9%和摩尔比为 80% -99. 9%，功能性气体摩尔比为0. 1_20%，同时流经放电区域形成等离子体气氛；功能 性气体为氨气、氧气、硅烷、硅氧烷气体、丙烯酸和甲基丙烯酸的蒸汽的一种或两种以上组 合气体。本发明与现有技术相比，其改性方法工艺简单、流程短，可控性强，无需后处理，自 动化程度高，能耗低、连续运作易实现工业化大规模生产，环境污染小；处理船体钢表面活 性基团增多，表面能与润湿性增加，船体钢表面结构和强度不受影响。
图1为本发明使用的喷涂处理装置结构原理示意图，其中包括等离子体发生器1、 220V电源2、空气增压机3通过软管与等离子体发生器1相连接，等离子体喷嘴4、接地线 5、高压线6、传输气体的软管7与等离子体发生器1相连接，功能性气体8和船体钢工件9。图2的a和b分别为本发明对船体钢表面处理前和后的水滴形状示意图。
具体实施例方式下面通过实施例并结合附图作进一步说明。本实施例采用干法改性，在大气压和室温、开放的环境条件下一步直接完成船体 钢表面的改性；先将常压等离子体处理设备的喷枪对准待处理的船体钢工件部位；常压等 离子体处理设备的喷枪在距离工件表面10-20mm的位置相对工件勻速移动，在常压和开放 环境下，将等离子体束喷射至工件表面，处理功率为300W-700W，行进速度0. 1-lOm/min，对 工件表面进行常压等离子体改性处理；等离子体选自空气、氩气、氮气或功能性气体中的一 种或多种，其中氩气、氮气的纯度为99. 9%，其摩尔比为80% -99. 9%，功能性气体为0. 1 20%，同时流经放电区域形成等离子体气氛；功能性气体为氨气、氧气、硅烷、硅氧烷气体、 丙烯酸和甲基丙烯酸的蒸汽的一种或两种以上组合气体。本实施例将船体钢加工成尺寸50mm*120mm*3mm，然后用石英砂喷砂清除表面锈以 及油污，选取等离子体发生器功率500W，空气流量25m3/h，等离子体在内、外电极之间的区 域中产生，并由压缩空气吹出，射流火焰长度为15mm，直径为10mm，样品距离枪口 15mm，等 离子体喷枪以5m/min的速度行进，往复运动，处理时间3min。本实施例测试与评价时，应用到接触角的概念来衡量改性处理效果。接触角是评 价材料表面润湿性的重要指标，物理上有意义的接触角的范围是0° 180°，接触角为 0°时表示液体在固体表面上完全铺展开，直到形成一单分子薄层；接触角在0°到30°之 间表示液体对固体表面有很好的润湿性，能较好铺展开，这一范围对许多工艺过程都是很 重要的，如油漆、涂料、清洗、粘结等；接触角在30° 90°之间表示液体对固体表面有一 定的润湿性。金属表面的润湿性是影响涂层与金属表面结合的重要因素，一般认为金属表 面的接触角越小，即润湿性越好，则涂层树脂与金属界面的结合强度越高，接触角是评价材 料表面润湿性的直接指标。选用接触角测试机型号为KRiiSS -DSAC00,水滴为30 μ L，每个样品表面取5个点分别对本发明改性处理的船体钢表面测接触角，结果取平均值；图2的a 和b分别给出了船体钢样品表面射流等离子体处理前后水滴的形状，从图2a中看出，处理 前样品表面水滴呈半圆形，接触角为83. 7°，从图2b中看到，等离子体处理后，水滴均勻平 铺在样品表面，接触角为25. 2°，表明本实施例所采用的常压等离子体处理后，样品表面接 触角明显减小，实现液体对船体钢材料表面很好的润湿性。材料表面经等离子体改性后往 往不是立即进行下一步工艺(如涂装等)，因此改性效果的时效性对于后续工艺的品质以 及成本将产生重要影响，为了检测处理效果的时效性，将处理后的样品放置于空气中，每隔 1-2天测试接触角，效果良好。
权利要求
1. 一种常压等离子体改性船体钢表面的方法，其特征在于采用干法改性一步直接完成 船体钢表面的改性；先将常压等离子体改性处理用的喷枪对准待处理的船体钢工件部位， 使喷枪距离工件表面10-20mm的位置相对工件勻速平行移动，在常压、常温和开放环境下 将等离子体束喷射至船体钢工件表面，喷枪功率为300W-700W，行进速度0. 1-lOm/min，对 船体钢工件表面进行常压等离子体改性处理；等离子体选自空气、氩气、氮气或功能性气 体中的一种或多种，其中氩气和氮气的纯度为99. 9%和摩尔比为80% _99.9%，功能性气 体摩尔比为0. 1_20%，同时流经放电区域形成等离子体气氛；功能性气体为氨气、氧气、硅 烷、硅氧烷气体、丙烯酸和甲基丙烯酸的蒸汽的一种或两种以上组合气体。
全文摘要
本发明属于等离子体表面处理技术领域，涉及一种等离子体束改性处理船体钢表面的方法，采用干法改性一步直接完成船体钢表面的改性；先将常压等离子体改性处理用的喷枪对准待处理的船体钢工件部位，使喷枪距离工件表面10-20mm的位置相对工件匀速平行移动，在常压、常温和开放环境下将等离子体束喷射至船体钢工件表面，对船体钢工件表面进行常压等离子体改性处理；等离子体选自空气、氩气、氮气或功能性气体中的一种或多种；功能性气体为氨气、氧气、硅烷、硅氧烷气体、丙烯酸和甲基丙烯酸的蒸汽的组合气体；其工艺简单，流程短，可控性强，自动化程度高，能耗低，易实现工业化生产，环境污染小。
文档编号C21D1/09GK102080145SQ20111002995
公开日2011年6月1日 申请日期2011年1月22日 优先权日2011年1月22日
发明者刘峰, 李相波, 辛永磊 申请人:中国船舶重工集团公司第七二五研究所