处理颗粒的方法、相关装置和颗粒的制作方法
【专利说明】处理颗粒的方法、相关装置和颗粒
[0001]本申请是名称为“用等离子体处理颗粒的方法和装置”、国际申请日为2010年6月9日、国际申请号为PCT/GB2010/001132、国家申请号为201080035273.X的发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及用于小颗粒的等离子体处理的方法和装置。
[0003]—方面，本发明公开的方法和装置具有特殊的应用，用于碳纳米管、碳纳米球以及其他纳米颗粒的等离子体处理。这些颗粒在先进材料应用中具有很大的潜在实用性，同时在处理和加工方面呈现独特的困难。
[0004]其他特殊方面涉及颗粒的等离子体处理，以备将它们结合进其他产品和材料中，特别是作为散布在基质粘合剂材料中的增充物或加强物、填料、结构填料、功能组分。
【背景技术】
[0005]CNT
[0006]已知碳纳米管(“CNTs”)的卓越性能接近20年。设计利用这些性能的许多重要使用涉及在基质或粘合剂材料中散布CNTs。因为CNTs具有高度化学惰性的性质，它们与其他物质例如溶剂或有机分子很少相互作用。它们也具有极高的纵横比。因此，它们趋向聚集在一起，并且在用于设计应用的所选材料中散布它们往往有不可逾越的障碍。
[0007]已有通过化学处理以功能化CNTs的建议，例如通过在酸中产生沸腾，产生更具化学活性的表面，使CNTs能够在溶剂或其他材料中散布。这已满足实验成功的测量标准，但是用于功能化颗粒的技术仍然非常低效且不方便，并且仅对小规模的或实验室目的最有用。
[0008]CNTs的等离子体处理已经作为一种提供CNT表面化学活性的方法提出。等离子体处理，通常利用介质阻挡放电，本身是激活或功能化表面的一种公知的方法，特别是工业中塑料基板的表面。然而，我们不知道此前已经提供了任何有效的方法或装置，能按实际上可用的量、整体活化程度、均匀性以及再现性配置等离子体处理，以表面激活或者表面处理亚微米颗粒，例如CNTs。
[0009]一般颗粒处理
[0010]在一般颗粒处理领域中，已经针对对包括聚合物颗粒的聚合物材料进行等离子体处理提出各种建议。它们包括根据材料的化学性质以及物理形式，使用各种不同类型的等离子体。JP-A-60/00365描述了在大气压力等离子体中对粉剂进行等离子体处理，在嵌套的金属筒之间的层状间隙内生成等离子体，当这些金属筒以一定倾斜度旋转时，粉剂沿着间隙运动。JP-A-2004/261747在鼓中旋转粉剂，通过鼓的中心引导电子束以在处理气体中产生等离子体。鼓容放在外部的真空室内。JP-A-2005/135736在转鼓中处理颗粒，转鼓附属于等离子体产生设备，其可以是高频电场或微波驱动器。
[0011]我们提出的一般方面涉及颗粒的等离子体处理方法，其中等离子体在转鼓中形成，并且当鼓旋转时，颗粒暴露在等离子体中。
[0012]关于这种方法，我们解决以下问题。
[0013]首先，考虑处理的强度以及均匀性。不难保证所有的颗粒暴露给某些等离子体处理，但是，比较需要提供一种足够均匀的处理程度，从而在许多领域具有较好的或更足够的性能。例如，如果颗粒将加入聚合物基质中，接触基质材料的外露表面的化学活性对获得好的产品性能是关键性的。如果占总体颗粒表面(考虑整个颗粒群体)很大百分比的表面已被过度处理或欠处理，相对于所有表面已经最佳处理的理想状况而言，产品性能缺陷将很大。
[0014]涉及的实际因素包括获得适合程度的颗粒运动或搅动，以及控制等离子体的难度。广泛用于工业中聚合物表面激活的大气压力等离子体(特别是“介质阻挡放电”等离子体)跨过小间隙产生，在该小间隙中不可能进行自由粒子运动，或者在靠近尖锐电极的区域产生(电晕放电)，其中活性区太小而不能用于处理大量颗粒。这些等离子体还倾向于为剧烈的(“热的”)，这样，处理时间和暴露的不均等将在粒子性能后处理中导致大的不均匀。低压等离子体更能遍布大部分区域，但依照处理空间的形状和传导率以及外罩结构，特别是在动态条件中(例如鼓的旋转、颗粒的运动、以及如果存在气体的流动)，倾向于不稳定，因此，出现不希望的流或电弧以及无等离子体区，并且处理是不成功的。
【发明内容】
[0015]第一方面:纳米颗粒
[0016]根据本申请的一个方面，我们提出了处理颗粒例如CNTs的新方法和装置，以及相应的新产品和系统。
[0017]将颗粒例如CNTs或其他纳米颗粒(此后用“颗粒”表示)放入容器，关闭容器，然后通过在容器内部产生等离子体而使颗粒经受等离子体处理。
[0018]等离子体处理涉及相对于容器内部空间在相对位置设置电极，以及在容器内部的区域中在电极之间产生等离子体。在一个优选的实施例中，电极例如作为中心或轴向电极延伸到容器的内部空间，由该空间围绕，而另一个电极是外部的或围绕的电极。理想地，容器的外壁是圆柱形或环形横截面。它可以是或包括反电极。理想地，容器是鼓的形式。
[0019]在一个特别优选的实施例中，内部例如轴向电极是容器壁的凹入部分或插口结构，或包括容器壁的凹入部分或插口结构，或位于容器壁的凹入部分或插口结构中。例如，容器壁的凹入部分可以作为中空结构轴向地延伸通过容器空间的中部。它可以是(或包括)介电的容器壁部分或导电的容器壁部分。为了产生等离子体，连接到电子驱动器上的中心电极可以连接到或插入到容器的该中心凹入电极或电极罩中。反电极设置在容器壁周围、外部或围绕容器壁。在电极之间应用电场在容器中产生等离子体。
[0020]特别优选地，等离子体处理借助于“辉光放电”型的低压等离子体进行，通常利用直流或低频RF (小于10kHz)。[替代地可使用微波，这种情况下可能不需要特定的电极结构。]容器内用于处理的压力期望地小于lOOOPa，更优选小于500Pa，小于300Pa以及最优选小于200Pa或小于lOOPa。
[0021]为了产生低压或辉光等离子体，容器内部需要排空。为此目的，可以设置排空端口，并且在本发明的方法中，排空端口经合适的过滤器连接到排空器件，该过滤器用于保留颗粒。过滤器的选择应考虑其孔径大小，以保留所述的颗粒，并且根据它的目的用途，考虑它的材料以承受处理条件并避免对产品的不需要的化学或物理污染。对于颗粒的保留，根据颗粒的尺寸，HEPA过滤器、陶瓷、玻璃或烧结过滤器可以是适合的。排空端口可以在主容器壁中或在盖子或罩中。
[0022]在等离子体处理期间，期望地，搅动或旋转容器以引起内部颗粒的相对运动。优选地，这包括颗粒通过等离子体区穿过容器空间落下的运动。在一个优选的实施例中，容器绕轴线旋转，该轴线例如为上述凹入的电极壁部分的轴线。容器壁可具有挡板、叶片或其它保留颗粒的结构，当容器旋转时，其拾起颗粒，然后使它们下落穿过形成等离子体的中心区域。这些结构可以与容器壁形成一体或固定到容器壁上。期望地，它们由不导电的(介电的)材料构成。
[0023]在低压等离子体处理系统中，期望地，与用于形成等离子体的气体进料相结合应用真空以使得可以控制处理气氛，以及，如果必要的话，在处理期间除去受污染的或用过的处理气体。再一次说，这种气体进料可以通过内置在容器壁内的颗粒保留过滤器进行。一个适于气体进料过滤器的位置是上述的凹入电极或电极罩部分。
[0024]为了制造的实用性，上述内部-伸出的电极部分，或其中插有外部电极的电极罩部分可以自身可拆地插入到容器主体中。这可以借助螺纹、磨口接头、插头配合或其他适合的密封连接实现。接头应能防止颗粒的逃逸。这些电极部分或电极罩部分可基本上是管状的。它可以是悬臂式的，或可以桥接在相对的壁之间。当为悬臂时，气体入口过滤器可位于它的末端。
[0025]容