专利名称：一种用于颗粒表面改性的等离子镀膜装置的制作方法
技术领域：
本发明属于材料表面改性技术领域，特别涉及一种用于颗粒表面改性的等 离子镀膜装置。
背景技术：
等离子体聚合镀膜是一种在有机气体中，或者单体与其它气体的混合气体中 进行辉光放电，使单体激发形成活性自由基后进行聚合反应形成了聚合物薄膜的 新型镀膜方法。等离子体聚合是由荷能电子碰撞激励单体引起的，并不要求存在 非饱和键或特定官能团，因此一些通常难以聚合或聚合速度很慢的单体变得易于 聚合，而且聚合速度可以很快。几乎所有的有机气体物质，甚至连无机气态物质 都能被用作单体实现聚合。这种镀膜方法与传统聚合法相比，有着许多的优点。 等离子体聚合时，可以沉积在不同基体表面，包括金属、合金块、聚合薄膜、纸、 玻璃、多孔材料和颗粒材料；能量主要集中于材料表面，获得的表面修饰(改性)
几乎不改变基体的整体性质；薄膜厚度可以从几纳米到数微米；薄膜连续、无针
孔；薄膜与基体黏附性好；薄膜产物高度三维交联；薄膜具有稳定的化学性能， 耐腐蚀；薄膜具有优异的电性能和机械性能。
由于等离子体聚合具有的这些优点，近几年来等离子体有机聚合改性材料技 术发展较快。目前，等离子体聚合薄膜广泛应用到防蚀防摩擦、光学、电子、反 渗透膜、传感器、医药生物及航空航天等领域。等离子体聚合反应装置是进行等 离子镀膜的关键。对于不同的使用目的，等离子体聚合反应装置的结构设计有多 种形式。但是现在绝大多数反应装置都不适合颗粒表面等离子镀膜。目前应用较 多的等离子镀膜反应装置是平行金属板电极的钟罩型等离子反应装置，这种装置 是将射频电源的引线连接到反应室内的两个平行金属板上，通电后平行金属板 之间产生放电，使单体电离，在平行板之间的基体表面上沉积生成聚合薄膜。
这种装置的缺陷为1)基体只能为具有较大表面的物体，不适合细小颗粒 表面镀膜。2)由于平行板之间的边沿处的等离子放电与平行中间的等离子放电强度不一样，以及基体固定地放置在平行板之间，因此生成的聚合薄膜均匀性较 差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够防止样品颗粒受到污染的等离子镀膜装置。 本发明进一步的目的是提供一种能够实现颗粒表面均匀可控、薄膜成分多样 化、薄膜厚度可控的等离子镀膜装置。
为实现上述发明目的，本发明提供的用于颗粒表面改性的等离子镀膜装置包 括反应室、射频电源、单体蒸气产生瓶、介质气体瓶和真空泵；所述单体蒸气产 生瓶、介质气体瓶和真空泵分别通过管道与反应室连接，所述射频电源连接一射 频放电线圈，该射频放电线圈缠绕在反应室容器的外壁上。
上述技术方案中，所述单体蒸气产生瓶、介质气体瓶与反应室连接的管道上 分别设有流量控制器。
上述技术方案中，所述反应室还连接一真空计。
上述技术方案中，所述反应室中的样品颗粒靠反应气体的流动而被吹起弥散 在反应室中。
在另一技术方案中，反应室中的样品颗粒靠磁力搅拌器将颗粒搅拌起来弥散 在反应室中。
在又一述技术方案中，反应室为一横放的大玻璃管，其样品颗粒搅拌为一电 动机带到叶片转动方式，所述电动机密封在玻璃管内。在进行等离子镀膜时，所 述反应室的样品颗粒由电动机驱动的叶片搅拌并弥散在反应室中。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种用于颗粒表面改性的等离子镀膜的 方法，包括如下步骤
1) 首先将样品颗粒置于反应室内；
2) 用真空泵对反应室降压，然后将介质气体瓶中的介质气体和单体蒸气产 生瓶中的单体蒸气引入反应室；
3) 最后，开启射频电源，使得反应室中产生辉光放电，从而在样品颗粒表 面形成均匀的薄膜。上述技术方案中，所述步骤3)中，在开启射频电源前，首先使得样品颗粒 弥散在反应室中。
上述技术方案中，所述步骤2)中，通过控制反应室的工作压力以及反应室 中介质气体和单体蒸气的浓度来实现薄膜厚度可控。
本发明能够达到如下技术效果实现颗粒表面均匀可控的等离子镀膜；薄膜 成分多样化；薄膜厚度在几纳米到数微米之间可控；薄膜连续、无针孔、三维交 联；能为特定用途的颗粒表面镀上特定的薄膜，包括在颗粒表面镀膜以改善颗 粒的表面性能吸附性能(包括亲水性、疏水性、粘合性、润滑性、耐磨性等)； 改善颗粒的电学性能(包括绝缘性、导电性、抗静电等)；以及将镀膜后的颗粒 用于医学(如提高颗粒表面的抗血栓性、组织适应性，将颗粒用于药物缓释，耙 向药物输送等)。
图1本发明装置总体结构示意图
图2是采用颗粒自弥散小玻璃管方案的反应室4的结构示意图 图3是采用磁力搅拌直立圆筒状玻璃管方案的反应室4的结构示意图 图4是采用电机搅拌卧式玻璃管方案的反应室4的结构示意图 图面说明
2、氩气瓶
1、单体蒸气产生瓶 4、反应室
7、真空泵 10、射频线圈 13、氩气入口 16、砂板 19、搅拌电机
5、射频电源 8、真空泵接口
11、射频电源接口 14、单体蒸气入口
17、磁性搅拌叶片 20、搅拌器叶片
3、流量控制器 6、真空计
9、真空计接口 12、颗粒 15、棉花 18、磁力搅拌器
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。 实施例1如图1所示，本实施例的装置主要由反应室4、射频电源5、单体蒸气产生 瓶l、氩气瓶2、流量控制器3、真空计6和真空泵7组成；所述单体蒸气产生 瓶l、氩气瓶2和真空泵7分别通过管道与反应室4连接，所述单体蒸气产生瓶 1、氩气瓶2与反应室4连接的管道上分别设有流量控制器3，所述射频电源5 连接一射频放电线圈，该射频放电线圈缠绕缠绕在反应室4容器的外壁上。
本实施例的反应室4是一种采用颗粒自弥散小玻璃管方案的等离子聚合反 应室4。如图2所示，本实施例的反应室4主体是一呈竖直状态的细长玻璃管， 所述射频放电线圈缠绕在该细长玻璃管上。样品台为一砂板16，置于所述细长 玻璃管底部。在细长玻璃管下方还具有一与其连通的球形玻璃容器，该球形玻璃 容器上设有真空泵接口 8和单体蒸气入口 14。细长玻璃管顶部设置真空泵接口 8 和真空计接口 9 (此二接口也可合并为一个接口)，且位于细长玻璃管顶部的接 口均用棉花15堵住，防止颗粒12被吸入真空泵7。本实施例中的细长玻璃管直 径为30mm长度为400mm。
本发明装置的工作流程如下
先用真空泵7将反应室4压力抽至2Pa以下，然后让氩气和单体蒸气引入反 应室4，根据需要通过气体/单体调节流量控制器3和真空泵7来控制反应室4 的工作压力及氩气和单体蒸气的浓度。频率为13.56MHz的射频电源5放作为等 离子体薄膜沉积反应室4中辉光放电的电源，通过调节射频电源5与射频线圈 IO间的阻抗匹配，在沉积反应室4中产生辉光放电，氩气电离激发后碰撞单体 蒸气分子，使单体分子的化学键断开重新在颗粒表面沉积，从而在颗粒表面形成 均匀的薄膜。根据各种特殊的化学官能团、薄膜厚度和其它化学和物理性质方面 的要求，通过控制聚合反应参数，如射频电源5的频率、功率、氩气和单体蒸 气的流量以及真空度等来定向设计聚合物薄膜。本实施例中射频电源的频率可在 300kHz-3GHz的范围内选取。本发明中，氩气还可以使用氦气、氖气、氪气、 氙气或氮气替代。
更具体地说，本实施例的反应室4采用颗粒自弥散方法。样品颗粒12放在 玻璃管中的砂板16上面，工作时，单体蒸气和氩气从下往上流入反应室4，把 砂板16上的颗粒12吹起，弥散在反应室4中。单体蒸气被射频电源5激发，被 打断化学键的单体分子，在颗粒物上表面聚合，达到颗粒镀膜的目的。此方案的特点是l)不用任何搅拌器，颗粒物就可以弥散在反应室4中，实现均匀镀膜。 2)结构简单、紧凑，工作功效小，节约能源，易于操作和清洗。
本实施例的方案适合用于小量的细小颗粒(纳米级)等离子镀膜。 本实施例的方案中，反应室4可采用的尺寸范围如下反应室4直径为 10~40mm,长度为:100 400mm 。
实施例2
本实施例的反应室4采用磁力搅拌直立圆筒状玻璃管方案，除反应室4外的 其余部分及各部分之间的连接关系均与实施例1一致，不再赘述。下面描述本实 施例中反应室4的结构。
如图3所示，本实施例反应室4为直径为100mm长度为600mm的直立玻 璃管，样品放在玻璃管的底部。玻璃管正下方设置一个磁力搅拌器。玻璃管内具 有磁性搅拌叶片17，该磁性搅拌叶片17安装在玻璃管底部。单体蒸气入口 14 位于玻璃管接近底面的侧壁上，玻璃管顶部具有氩气入口 13、真空泵接口 8和 真空计接口 9。射频线圈10缠绕在玻璃管的侧壁上。在具体实现中，可以把反 应室的玻璃管制作成两个部分，然后通过法兰21将这两个部分连接在一起以构 成一个完整的腔体。
本实施例的总体流程也与实施例1 一致。只是在反应器中采用磁力搅拌的方 法实现颗粒弥散。工作时，磁力搅拌器带动玻璃管内的磁性搅拌叶片17旋转， 将颗粒12搅拌起来弥散在反应室4中。单体蒸气被射频电源5激发，被打断的 化学键的官能团在颗粒物上表面聚合，达到颗粒镀膜的目的。本实施例的特点是 1)磁力搅拌可以搅拌起在1方案中不能被气体吹起的稍大颗粒。2)结构简单， 易于操作和清洗。
本实施例的方案适用于稍大颗粒(纳米级或微米级)等离子镀膜。
本实施例的方案中，反应室4可采用的尺寸范围如下反应室4直径为 5~15mm,长度为:200 500mm 。
实施例3
本实施例的反应室4采用电机搅拌卧式玻璃管方案，除反应室4外的其余部分及各部分之间的连接关系均与实施例1 一致，不再赘述。下面描述本实施例中 反应室4的结构。
如图4所示，本实施例中的反应室4是直径为15mm长度为1000mm的卧 式玻璃管，样品颗粒12放在玻璃管下侧的内壁面上。所述玻璃管内安装一横向 转轴，搅拌叶片安装在该横向转轴上。搅拌电机通过横向转轴驱动所述搅拌叶片 转动。所述搅拌电机、横向转轴和搅拌叶片均密封在所述玻璃管内。所述玻璃管 的上侧分别设置氩气入口 13、单体蒸气入口 14、真空计接口 9和真空泵接口 8。 所述射频线圈IO缠绕在玻璃管的侧壁上。在具体实现中，可以把反应室的玻璃 管制作成两个部分，然后通过法兰21将这两个部分连接在一起以构成一个完整 的腔体。
本实施例的总体流程也与实施例1 一致。只是在反应室4中采用电机搅拌的 方法实现颗粒弥散。工作时，密封在玻璃管内的电机带动的横向搅拌器，将颗粒 12搅拌起来弥散在反应室4中。单体蒸气被射频电源5激发，被打断的化学键 的官能团，在颗粒物上表面聚合，达到颗粒镀膜的目的。本实施例的特点是1) 反应室4的体积较大，可以进行大批量的颗粒镀膜处理。2)卧式反应室4内的颗 粒更容易被搅拌起来，颗粒弥散更均匀。本实施例适用于大批量的颗粒镀膜处理。
本实施例的方案中，反应室4可采用的尺寸范围如下反应室4直径为 5 20mrn，长度为:200 1000mm 。
上述三个实施例的共同特点是
1) 进行产生辉光放电的电源都为射频电源，稳定性好，操作方便。
2) 射频放电线圈缠绕在玻璃容器外面，线圈上不会被镀上薄膜，也不会污
染要镀的颗粒。
权利要求
1、一种用于颗粒表面改性的等离子镀膜装置，包括反应室(4)、射频电源(5)、单体蒸气产生瓶(1)、介质气体瓶和真空泵(7)；所述单体蒸气产生瓶(1)、介质气体瓶和真空泵(7)分别通过管道与反应室(4)连接，所述射频电源(5)连接一射频放电线圈，该射频放电线圈缠绕在反应室(4)容器的外壁上；所述介质气体瓶中的介质气体是氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或氮气。
2、 按权利要求1所述的用于颗粒表面改性的等离子镀膜装置，其特征在于， 还包括使样品颗粒弥散在反应室(4)中的机构。
3、 按权利要求1所述的用于颗粒表面改性的等离子镀膜装置，其特征在于， 所述单体蒸气产生瓶(1)、介质气体瓶与反应室(4)连接的管道上分别设有流 量控制器(3)。
4、 按权利要求1所述的用于颗粒表面改性的等离子镀膜装置，其特征在于， 所述反应室(4)还连接一真空计(6)。
5、 按权利要求l、 2或3所述的用于颗粒表面改性的等离子镀膜装置，其特 征在于，在进行等离子镀膜时，所述反应室(4)中的样品颗粒靠反应气体的流 动吹起并弥散在反应室(4)中。
6、 按权利要求l、 2或3所述的用于颗粒表面改性的等离子镀膜装置，其特 征在于，在进行等离子镀膜时，所述反应室(4)中的样品颗粒靠磁力搅拌器将 颗粒搅拌并弥散在反应室(4)中。
7、 按权利要求l、 2或3所述的用于颗粒表面改性的等离子镀膜装置，其特 征在于，在进行等离子镀膜时，所述反应室(4)的样品颗粒由电动机驱动的叶 片搅拌并弥散在反应室(4)中。
8、 一种用于颗粒表面改性的等离子镀膜方法，包括如下步骤1) 首先将样品颗粒置于反应室(4)内；2) 用真空泵(7)对反应室(4)降压，然后将介质气体瓶中的介质气体和 单体蒸气产生瓶(1)中的单体蒸气引入反应室(4);3) 最后，开启射频电源(5)，使得反应室(4)中产生辉光放电，从而在样 品颗粒表面形成均匀的薄膜。
9、 按权利要求8所述的用于颗粒表面改性的等离子镀膜方法，其特征在于， 所述步骤3)中，在开启射频电源(5)前，首先使得样品颗粒弥散在反应室(4) 中。
10、 按权利要求8所述的用于颗粒表面改性的等离子镀膜方法，其特征在于， 所述步骤2)中，通过控制反应室(4)的工作压力以及反应室(4)中介质气体 和单体蒸气的浓度来实现薄膜厚度可控。
全文摘要
本发明涉及一种用于颗粒表面改性的等离子镀膜装置，包括反应室、射频电源、单体蒸气产生瓶、介质气体瓶和真空泵；所述单体蒸气产生瓶、介质气体瓶和真空泵分别通过管道与反应室连接，所述射频电源连接一射频放电线圈，该射频放电线圈缠绕在反应室容器的外壁上。本发明能够达到如下技术效果实现颗粒表面均匀可控的等离子镀膜；薄膜成分多样化；薄膜厚度在几纳米到数微米之间可控；薄膜连续、无针孔、三维交联；能为特定用途的颗粒表面镀上特定的薄膜。
文档编号C08J7/00GK101294279SQ20071009893
公开日2008年10月29日 申请日期2007年4月29日 优先权日2007年4月29日
发明者徐向东, 李来风, 蔡方硕, 黄传军, 黄荣进, 龚领会 申请人:中国科学院理化技术研究所