06低壓等離子納米涂層技術應用于氣體和液體過濾介質的最新進展比利時europlasma

1、低壓等離子納米涂層技術應用于氣體和液體過濾介質的最新進展北京燕京電子有限公司編譯比利時europlasma 公司filip legein等離子體是電離了的“氣體”，在真空狀態(tài)下，射頻發(fā)生器提供能量使氣體發(fā)生輝光放電，電離成等離子態(tài)（物質的第四態(tài)）。它呈現(xiàn)出高度激發(fā)的不穩(wěn)定態(tài)，包括處于高速運動狀態(tài)的電子、處于激活狀態(tài)的中性原子、分子、原子團（自由基）、離子化的原子、分子、分子解離反應過程中生成的紫外線、以及未反應的分子、原子等，但物質在總體上仍保持電中性狀態(tài)。這些高能粒子和活性粒子與材料表面發(fā)生物理或化學的反應，從而達到材料表面清潔、激活、蝕刻、親水性、疏水性、拒油性、低摩擦、易粘接、涂覆等各種

2、表面改性的目的。近年來，低壓等離子體技術通過物質單體聚合作用，使沉積在材料表面的納米級涂層，達到非常高級別的疏水性或拒油性。經(jīng)過低壓等離子處理，可以實現(xiàn)在氣體過濾介質中永久的疏水或拒油性涂層，以及液體過濾介質、電池隔離膜等中永久的親水性涂層。 通過低壓等離子技術對過濾介質進行表面改性，由于其干式、環(huán)保的特點，越來越被人們廣泛應用。用低壓等離子體技術對氣體和液體過濾介質進行處理，可提高過濾介質的質量，由于能量和化學品消耗很少，因此可降低生產成本。關鍵詞：過濾介質，表面改性，納米涂層，低壓等離子體，親水性，疏水性，拒油性， 等離子激活，等離子涂層引言：從上世紀80年代起，低壓真空等離子體技術已在工

3、業(yè)上應用，起初是作為清潔和刻蝕方法應用，在印刷電路板上對其進行去污。后來，等離子體技術應用到硬塑料上，用潔凈氣體如氧氣來激活聚合物，激活作用使聚合物外層分子鏈產生功能團，增加塑料表面的能量，從而增加了與油漆的黏結性或與油墨的黏結力，并能從三維方位對任何復雜形狀的材料進行激活。這種對表面進行功能化的改性技術開辟了等離子體表面處理應用的新領域，如醫(yī)療器械、汽車內外飾件和電氣消耗品等經(jīng)等離子體處理后，具有高質量低成本的優(yōu)勢，且符合生態(tài)和環(huán)保要求。因此，等離子體表面激活技術被廣泛應用，能代替打底漆、火焰處理或電暈處理等方法。europlasma公司于15年前開始制造卷對卷(rollto-rol1)低壓

4、等離子體處理設備，應用于柔性材料的等離子體激活。此后，很多機械制造廠都探索用低壓等離子體表面處理技術對紡織品進行表面改性。在過濾介質產業(yè)上，等離子體涂層技術的應用得到了發(fā)展和突破。此工藝是用等離子體來聚合材料的單體，納米級涂層沉積在材料表面，獲得新的性能并具有持久的功能。采用創(chuàng)新的等離子體新工藝得到的沉積涂層具有高等級拒水和拒油效果；也可用于制造氣體過濾產品或具有持久親水效果的液體過濾產品以及電池隔板等。1 低壓等離子體技術給物質增加能量可以使物質從固態(tài)轉換為液態(tài)，從液態(tài)轉換為氣態(tài)，從氣態(tài)轉換為等離子體態(tài)(即稱為物質第四態(tài))。等離子體技術是工藝氣體經(jīng)電磁放電在低壓(低溫)狀態(tài)下，建立穩(wěn)定有效的

5、等離子體。在該條件下，工藝氣體部分分解成基團和原子，并部分電離化。這些活性物質能夠與材料的表面發(fā)生作用，在自然界中該作用表現(xiàn)為化學反應和物理過程。在等離子體處理設備中，與真空泵組相連接的工作箱體可以抽真空，內部充滿工藝氣體。為了有效地發(fā)揮等離子體作用，工作箱體中加入純工藝氣體，工作前的基礎壓力為（ pa），一般工作壓力為 pa)。在工作箱體中有一組電極，頻率為40 khz、 mhz或 ghz。材料進行等離子體表面處理的模式有兩種：一是被加工物質暴露在初級等離子體接地與動力電極之間；二是被加工物質暴露在電極外面的次級等離子體中，此處等離子體的腐蝕性較小。工藝氣體可從氣體先驅物或從液體或固體單體中

6、得到，單體供給裝置保證被控制的工藝氣體能進入箱體。2 低壓等離子體涂層設備由于裝載系統(tǒng)的不同，等離子體系統(tǒng)有多種外形。裝載系統(tǒng)可以是一組托盤，置放硬件；也可以是一組卷繞系統(tǒng)，裝載軟性物質，如、薄膜和機織物等。處理過濾介質大部分采用卷對卷裝載系統(tǒng)的低壓等離子體涂層設備。圖1是典型的卷對卷裝載設備，被處理材料的卷芯是 75塑料筒，其寬度可達1 800 mm，卷裝外徑可達1 000 mm。圖2是較小型的卷對卷裝載設備，其卷裝最大寬度為650 mm，卷裝外徑可達450 mm。圖 1: europlasma cd1800/1000 卷對卷設備圖 2: europlasma cd650/450 卷對卷裝載

7、設備europlasma公司還安裝了空對空(air-to-air)低壓等離子體系統(tǒng)。圖3所示設備的處理材料寬度可達1500 mm。被處理材料是先經(jīng)過幾個低壓的小型箱體，再經(jīng)過中間大型箱體，其真空度可達到等離子體處理要求，然后再經(jīng)過幾個箱體，其壓力逐漸增加到大氣壓力。創(chuàng)新型在線卷對卷裝載系統(tǒng)在進行等離子體處理前可先進行濕性化學處理。圖 3: europlasma 公司在線空對空等離子處理設備圖4是處理硬性過濾部件的等離子體處理設備。europlasma cd4o0型設備真空箱體的內腔為400 mm400 mm400 mm，標準型托盤為4層，尺寸為305 mm360 mm40 mm。cd400型設

8、備還可以配備小型卷對卷裝載系統(tǒng)，可根據(jù)產品需要量身定制各種不同尺寸的箱體。 圖. 4: europlasma cd400 等離子處理設備3 低壓等離子體的激活作用在20世紀90年代早期，過濾工業(yè)開始用低壓等離子體技術來激活過濾介質。等離子體激活作用使材料表面發(fā)生化學改性反應，但激活作用是不持久的，隨著時間的推遲會逐漸衰退。被激活的過濾介質的存儲期限一般是從數(shù)天到數(shù)月，取決于應用的要求。等離子體激活作用只作用于材料外表面的分子層，在聚合物分子鏈上建立新的化學基團，增加材料表面能量。表面能量越高，表現(xiàn)為與水的接觸角越小，并具有良好的濕潤性。激活氣體是氧氣、氮氣、n2o,或者是混合氣體，如n2h2，

9、根據(jù)加工材料及其以后的應用而選擇氣體品種。等離子體激活經(jīng)常用于柔性和硬性過濾介質在粘接前、等離子體涂層前或化學涂層前的預處理步驟。等離子體激活可應用于用多孔塑料加工的硬性過濾介質中，低壓等離子技術是獨一無二的技術，因此激活作用可深入到多孔結構的內核心，如圖5所示。圖 5 多孔塑料制成的硬性過濾介質4. 低壓等離子涂層 親水涂層很長時期以來，工業(yè)界希望用等離子處理的材料表面能達到持久親水性的效果。europlasma公司開發(fā)了利用多種混合氣體處理來達到持久的親水涂層目的。這些混合氣體為碳氫化合物和激活氣體（如氧氣或n2o）。持久親水涂層工藝比單純激活作用更受到歡迎。 血液過濾介質圖6所示，在血液

10、過濾介質處理中就應用了持久親水涂層工藝。在卷對卷設備上處理聚丙烯（pp）或聚對苯二甲酸丁二醇酯（pbt），得到持久親水涂層，可用作血液過濾介質。 電池隔板圖6 血液過濾器濾芯在電池隔板材料中，如可充放電鎳氫電池的基材是pp或pbt,在自然狀態(tài)中呈現(xiàn)拒水性。為了增加材料的濕潤性，必須增加其表面能量，使電池具有較長的壽命。圖7所示，聚合物材料，如用作鎳氫電池中電池隔板的pp，采用持久親水涂層工藝其親水處理效果顯著。對樣品進行虹吸實驗，未經(jīng)涂層處理的材料無虹吸作用，而涂層材料在等離子處理兩個月后，在200mm長度的樣品上堿液（30%koh無離子水溶液）的虹吸高度達到40mm。證明其具有持久親水特性。

11、用該工藝處理的材料其虹吸效果比用其他任何化學方法處理更為有效。圖 7: 經(jīng)等離子持久親水性涂層處理的pp的濕潤性 持久功能的納米涂層在20世紀90年代后期，創(chuàng)新的低壓等離子技術實現(xiàn)了對處理材料進行單體聚合，具有新的持久功能的納米涂層沉積于材料表面，使柔性和剛性材料得到高等級的輸水和拒油效果。呼吸用口罩低壓等離子涂層技術可應用于呼吸用口罩上，用幾層熔噴pp材料作為過濾介質，在加靜電前應用等離子體疏水或拒油涂層，可使材料對油性離子的過濾效率大大提高。按3m的aatcc試驗方法118-1997要求，測得涂層材料一般的拒油水平達到3-4級。圖8顯示了用鄰苯二甲酸二辛脂（dop）測試的肉眼可見的拒油效果

12、。表1是用certitest 8130儀器測試的過濾介質的過濾效果，用200mg的dop粒子載體測試初始滲透率和經(jīng)過一定時間后的延遲滲透率，試樣是駐極五層單層的pp。表1數(shù)據(jù)清楚地證明，一層薄的等離子體拒油涂層就能增加過濾介質的初始和最終過濾效率，也即是經(jīng)過涂層的r95過濾材料其性能可提升達到r99過濾材料的性能。圖 8: 涂層熔噴pp拒油效果表1未經(jīng)和經(jīng)過等離子涂層的過濾介質性能比較樣品等離子體涂層處理情況滲透率供應者面密度/初始延遲128未經(jīng)128經(jīng)過122未經(jīng)122經(jīng)過225未經(jīng)225經(jīng)過注：經(jīng)過30min后的延遲滲透率；經(jīng)過10min后的延遲滲透率。 空調（hvac）系統(tǒng)用過濾材料根據(jù)

13、過濾介質檢測規(guī)定的改變，在空調（供暖、通風、供冷）系統(tǒng)中越來越多地采用了等離子體涂層工藝，現(xiàn)介紹用異丙醇去靜電后測試的過濾介質的中期效率。經(jīng)過等離子體處理后再加靜電的過濾材料，其初始和中期過濾效率均大大高于未經(jīng)等離子體處理的過濾材料；用異丙醇去靜電處理后，未經(jīng)等離子體處理的過濾材料的過濾效率下降很多，但是經(jīng)過等離子體處理的過濾材料的過濾效率則沒有下降。經(jīng)過等離子體處理的過濾材料具有抗酒精性。經(jīng)等離子體處理的過濾材料用異丙醇去靜電后具有很高的過濾效率，顯著高于未經(jīng)等離子體處理的過濾材料。未經(jīng)和經(jīng)過等離子體處理的過濾材料，兩者過濾效率的差異在去靜電之前就已顯現(xiàn)。 內燃機用空氣過濾材料用低壓等離子體

14、涂層處理內燃機用空氣過濾材料能夠提高其過濾效率，這是一項新的應用。第六屆歐洲“flexifunbar”(多功能涂層應用于柔性材料，紡織品，玻璃及紙張)組織開發(fā)項目的目標是開發(fā)一種具有拒油疏水性能的新的空氣過濾材料，并能通過傾析法試驗獲得成功。試驗用材料是聚對苯二甲酸二丁酯(pbt)，等離子體涂層不會改變空氣過濾材料的吸附灰塵能力和空氣過濾效率。表2比較了pbt非織造過濾材料(新材料和老化材料)用4種不同等離子體涂層工藝(處理時間、工作室內輸入電極功率)處理樣品的傾析法試驗結果，所用氣體為混合的氟化碳。目標是試驗持久時間至少要超過50 min，而經(jīng)等離子體涂層處理后的材料持久時間長達9min；經(jīng)

15、過老化處理后材料的水傾析時間雖然減少，但仍超過50min。不論新過濾材料還是老化過濾材料，傾析效率都處在高水平。經(jīng)過等離子體涂層處理的材料握持灰塵能力和過濾效率均得到提高。表2 f13級pp過濾效率測試結果（%）樣品新過濾材料老化過濾材料持久時間/min傾析效率/%持久時間/min傾析效率/%對比材料-涂層工藝 18060涂層工藝29060涂層工藝39362涂層工藝49060 其他過濾材料過濾介質生產者面臨著行政部門的壓力，要求其利用環(huán)境友好技術來替代當前濕法化學涂層方法，同時用戶對過濾材料的拒油疏水等級要求進一步提高。歐洲acteco組織europlasma公司及其合作者開發(fā)了很多新的涂層方

16、法來迎接這樣的挑戰(zhàn)。通過噴射和等離子體處理兩者結合方法或單獨用等離子體處理方法來進行納米涂層，并考慮用低壓真空等離子體和大氣等離子體兩者結合方法或用多種氣體和液態(tài)先驅物兩者結合來進行。低壓等離子體全氟單(perfluoromonomers)的聚合作用可得到最佳效果。在低壓等離子體中沉積單體消耗量很少，對操作者和環(huán)保無影響，沉積工藝是在可控環(huán)境中進行的。聚酯(pet)纖維、棉及其，聚四氟乙烯(ptfe)薄膜經(jīng)等離子體涂層處理后拒油水平可達7級以上(3m標準)。應用低壓等離子體聚合作用進行涂層，同時還能使材料得到良好的抗磨損性和耐水性。5 等離子體涂層處理的經(jīng)濟性低壓真空等離子體處理工藝，特別是利

17、用大型卷對卷處理設備，其成本是非常低的。表3是用europlasma公司cd1800/600設備對25 g/m2 的pp進行拒油涂層的成本分析。該設備的運行速度為5 m/min；產品質量達到拒油3級(3m標準)，一卷長度7 500 m，門幅 m，總生產時間為27 h。如果此系統(tǒng)每周生產7 d，三班運轉，每年生產47周，則全年共生產292卷；每卷13 500m2 ，共計全年生產萬m2 。在批量生產中涂層成本約005歐元/m2 ，生產成本(主要包括氣耗和電耗)約為003歐元/m2 ，如果用等離子體激活或親水處理成本會更低，全部成本約為歐元/m2。主要設備尺寸合適，能力充分利用，固定成本約為總成本的

18、37 。如果用全氟單體聚合來達到拒油7級以上水平(3m標準)，需要更精密設備，處理時間更短，保持折舊成本在同樣水平，則其生產成本也在歐元/m2，比諸多化學處理方法成本要低得多。表3 pp拒油涂層成本分析成本因素注解每平方米成本(歐元)電耗成本 歐元/kwh氣耗成本總運行成本人工費用35 歐元/小時總可變成本折舊成本10年折舊總成本6 結語在過濾工業(yè)中已有多處能應用低壓等離子體技術：多孔過濾介質等離子體激活；血液過濾產品親水涂層； 電池隔板親水涂層；其他過濾介質拒水/拒油涂層。低壓等離子體技術適用于批量生產，低成本并具有環(huán)境清潔的優(yōu)越性。推動過濾產品生產者對過濾介質的處理工藝從濕性化學方法轉變?yōu)楦煞ㄇ鍧嵉入x子體先進技術，有利于環(huán)境保護。innovative nanocoatings for gas and liquid filter media by low pressure plasma technologyfilip legein (europlasma ltd，