[发明专利]用于产生等离子体射流的方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于在大气压力下产生用于工件的表面处理的等离子体射流的方法，所述等离子体射流通过借助电弧电激发能够产生等离子体的介质来产生，所述电弧在被构造成喷嘴的阳极和阴极之间被周期性地点燃，并且所述等离子体射流向待处理的表面的方向被引导通过所述喷嘴。

另外，本发明还涉及一种用于在大气压力下产生用于工件的表面处理的等离子体射流的设备，所述设备具有用于能够产生等离子体的介质的供应线路、用于借助电弧来电激发所述能够产生等离子体的介质的装置，所述电弧在被构造成喷嘴的阳极和阴极之间被周期性地点燃。

背景技术

等离子体被理解意指气体，其包含自由电荷载流子，这就是为什么导电气体也经常提及。等离子体可以以不同的方式使用，这取决于温度和压力，例如取决于气体放电灯、材料沉积、用于分析、还有用于处理工件和用于消毒物体、身体部位或伤口的温度和压力。关于等离子体气体的压力，低压等离子体、常压等离子体或大气压力等离子体和高压等离子体之间是有区别的。本发明明确涉及在大气压力下在相对较低的温度产生等离子体射流并且主要考虑用于处理工件等的表面。使用在低压腔室中的等离子体处理工件的表面是一种已经完全确定并且是已知的方法，这种方法已经在工业上使用了很多年。低压等离子体由于良好的缝隙穿透性和高效性而突出。它们非常适合于处理小零件，并且也适合于处理散装材料(bulk material)。除了高投资成本之外，用于排放等离子体腔室所需的处理时间和缺少用于称为等离子体处理的在线执行的选项也是不利的。在低压等离子体的情况中，处理较大零件也因为需要大的真空室而很快变得不经济。

大气压力等离子体的用途主要限于独有的所谓热等离子体，所述热等离子体用于在数千℃的等离子体温度进行熔融加工(如焊接、锡焊、切割等)。最近的发展现在也可以实现被称为非热大气压力等离子体，这也允许在数十℃至数百℃的较低的等离子体温度使用。因此，为借助大气压力等离子体进行的表面处理，例如借助等离子体聚合进行的材料或涂层的清洁和激活乃至医疗用途如开放性伤口的消毒等打开了新的感兴趣应用领域。

一种特殊的气体(例如，处理过的空气、N₂、氦气、氩气)通常被用于生成大气压力等离子体，能够通过供应能量在等离子体燃烧器中使所述特殊的气体处在等离子体状态。该等离子体经由喷嘴而被吹在待处理的表面上，同时等离子体燃烧器以限定的间隔和速度在工件的上方移动。在这种情况下，所述等离子体与周围的空气相互作用(淬灭、因涡流而与空气分子混合)并且与待处理的表面相互作用。迄今为止，这个概念的最有说服力的优点是具有在线功能和将该方法集成到由此引起的现有生产链简单。当处理散装材料和小零件时受到限制，致使所述所述散装材料和小零件不能放在等离子体燃烧器前面令人满意的范围内。在有些用途中这些等离子体的氧化效果也是不希望的。

由于等离子体射流与工件的表面相互作用，因此工件的表面得到激活和/或清洁。清洁效果尤其是基于机械过程(这是因为利用受激发的分子、原子和离子对表面进行轰击的缘故)，并且也基于化学过程。在这种情况下，表面上的污染物与等离子体中的受激发的粒子反应而形成气态反应产物，所述气态反应产物最终通过气体流动而被移除。这种方法的用途见于超微清洁和油、脂、硅树脂、氧化物、纤维或薄涂层的移除。表面结构的目标变化(例如微结构化)也是可能的。

等离子体的激活效果是由表面化学反应来实现的。根据基础材料和等离子体的组成，自由基位置或化学活性基团(如羟基或羧基)在表面上形成。这些影响表面能的变化，并且作为结果，受处理工件的表面性能发生变化。因此，例如材料的润湿行为可以按目标方式受到影响。原本具有疏水性的表面(如聚丙烯)可以通过等离子体激活使其处于亲水性状态。这两种效果，即化学活性基团的形成和表面能的变化，可以显著地改善润湿行为、层形成和涂层的粘附性。

刚才描述的方法的多种用途见于在粘合、锡焊、焊接、粘合剂粘合、涂漆、印刷和涂布之前对材料进行的预处理。借助大气压力等离子体对材料的清洁和激活可以代替化学清洗方法和底漆的使用。和与之相关的溶剂或其他化学物质进行分配使等离子体技术在经济和生态上均引起关注。

举例来说，EP0 761 415B9涉及一种用于使用大气压力等离子体增加工件表面的润湿性的方法，所述等离子体借助在高频激发的电弧而产生，所述电弧不从等离子体燃烧器的喷嘴排出。

用于操作蒸汽等离子体燃烧器的方法和蒸汽切割设备已经可以从EP1922 908B1得知，从EP1 922 908B1中出现从发射模式到非发射模式的优化转换以得到优化的处理结果。