專利名稱：等離子清洗附有機物質(zhì)的材料表面的方法和實現(xiàn)該方法的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用壓力在10毫巴至1巴之間的等離子體清洗附有機物質(zhì)的材料表面的方法，還涉及一種實現(xiàn)該方法的裝置，尤其是一種用于清洗金屬條帶的方法和裝置。
在本申請文件中，術(shù)語“有機物質(zhì)”應當被理解為包含有碳、氧和氫的任何不溶于水的化合物。
背景技術(shù)：
從各種生產(chǎn)線上出來的條帶通常涂覆有油膜，它可能來自兩個來源。首先，該膜可能是通過噴射保護油而形成的，以便保護條帶免受侵蝕。然而，它還有可能來源于在從冷軋廠或者光整冷軋情形下殘留的油膜。在兩者情形下，油涂覆重量可能會達到每m2幾百mg。
在這樣的條帶上沉積一種金屬或者有機涂料需要在脫脂操作期間除去所述油膜，以便使涂料獲得好的附著力。在工業(yè)生產(chǎn)線上為實現(xiàn)此目的被通常采用的技術(shù)不必使條帶過熱以便保持所述鋼條帶的機械性能。
因而，這些技術(shù)中最通用的技術(shù)包括一個堿洗脫脂操作，它可能或者可能不需要輔以一個電解過程。為了保護環(huán)境的原因，這個過程需要復雜的附屬車間等設(shè)施，以便對對環(huán)境有毒害的副產(chǎn)品進行后處理。
采用其它的技術(shù)方案可以防止這樣的副產(chǎn)品的生成，比如激光燒蝕法(laser ablation)，它具有能以光化學方式使所述有機化合物脫附的作用，但是由于缺乏能源，不允許條帶的處理速度超過10m/min。
最近已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一種有利的清洗技術(shù)，包括利用一種壓力接近于大氣壓的等離子體，它通過在含氧氣體混合物中絕緣材料阻擋層放電(dielectric barrier discharge)而產(chǎn)生。然后，在所形成的活性氧組分(0°，等)與油的有機化合物之間發(fā)生反應，生成二氧化碳和水。
絕緣材料阻擋層放電具有的特別優(yōu)點是產(chǎn)生一種冷等離子體，它不會使條帶的特性降低。
然而，為了在接近于大氣壓的壓力下獲得一種穩(wěn)定的和均勻的放電，通常需要具有一種包含有非常顯著的氦的混合物。因而在該混合物中氧的比例降低，并且發(fā)現(xiàn)這種處理不是足夠的快，可能是因為活性氧化組分的密度低的緣故，但是還因為將被除去的有機物質(zhì)發(fā)生不合適的聚合的緣故。
美國專利US5529631公開了一種塑料的處理方法，其利用一種冷的大氣壓等離子體進行處理。在氣體混合物中氨任意達到另一種氣體體積的25％的情況下，放電是穩(wěn)定的。此技術(shù)需要通過在容器的入口處和出口處安裝一個氣鎖來嚴格控制等離子體室內(nèi)的氣壓。將氦用作等離子氣體以及設(shè)備的復雜性使得該方法昂貴并且很難與傳統(tǒng)的真空法一樣實施。而且，不允許條帶以大于3m/min的速度運行而脫脂。
另外，美國專利US5938854公開了一種清洗塑料和金屬表面的方法，通過在空氣壓力在10托至20巴之間時開始均勻的輝光放電而實現(xiàn)。除了設(shè)備復雜之外，工作在這種空氣壓力下需要顯著地增大放電起弧電壓，此電壓直接與壓力成比例。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種方法，用于清洗涂覆有有機物質(zhì)的材料表面，能夠在至少10m/min的處理速率和在接近于大氣壓的壓力下實現(xiàn)對所述表面的均勻清洗。
為實現(xiàn)此目的，本發(fā)明的第一主題是一種用于清洗涂覆有有機物質(zhì)的材料表面的方法，包括以下步驟-將所述材料導入一處理室，在所述處理室內(nèi)充置一在10毫巴至1巴之間壓力，所述處理室被供應一包含至少90％體積氧的氣流；以及-通過在所述材料的表面與一涂覆有絕緣材料的電極之間進行放電而產(chǎn)生一等離子體，從而在所生成的自由基0°的作用下將所述有機物質(zhì)分解。
本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，該方法允許襯底被均勻和快速地處理，盡管在主要由氧氣構(gòu)成的所述氣體混合物中所獲得的放電不是均勻的。此放電模式看起來象在細絲狀放電與冷弧放電之間。這是因為，由等離子體所生成的不帶電的活性組分0°通過流量的作用被分布在條帶的表面上，而與電場無關(guān)，并且均勻地除去所述被涂覆有機物質(zhì)的材料，由于氧氣的比例高因而它們的密度增大。
在一個優(yōu)選實施方法中，再離解(re-dissociate)氧和/或臭氧分子，所述氧和/或臭氧分子通過在所述等離子體中產(chǎn)生的自由基0°的再結(jié)合而形成。因而有可能增加不帶電活性組分的密度，所述活性組分被分布在條帶的表面上而與電場無關(guān)，而且改善了該處理的均勻性。
所述再離解可以通過一合適波長的UV(紫外)輻射而實現(xiàn)，其允許通過從所述冷弧的再化合所生成的臭氧離解成分子氧并離解成基0°。
在另一個優(yōu)選實施方法中，施加一種頻率在10至100kHz之間的正弦電壓，以便開始放電。實際上，這種電壓導致在電極間空間內(nèi)活性組分幾乎連續(xù)存在，從而使得有可能獲得高的動力產(chǎn)量。
在再一個優(yōu)選實施方法中，在放電方面的能量損耗小于40W/cm2，并且為了開始放電所施加的電壓低于4400V。
本發(fā)明的發(fā)明人事實上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，因油的聚合所產(chǎn)生的抑制作用越大，所施加的電壓就越高，并且該表面處理是不均勻的。這是因為，油的氧化和除去基本上發(fā)生在條帶的被放電所影響的地點上，然而從這些更強烈的輝光通道(glow channel)油發(fā)生聚合。增大跨越放電終點的電壓將導致電子能量的增加，這更加容易地使油的聚合開始。
根據(jù)本發(fā)明的方法還具有下面的特征，單獨地或者組合地-為了開始放電所施加的所述電壓是正弦電壓；-所述材料的形式是一一行進著的條帶，借助于在所述行進著的條帶的路徑上相繼設(shè)置的裝置，連續(xù)地執(zhí)行所述方法的各個步驟；-相繼處理所述條帶的一表面，接著處理另一表面；-要被處理的材料是一種金屬材料，最好是碳鋼；以及-在涂料被沉積在所述表面之前，執(zhí)行所述方法，以便使金屬材料的表面脫脂。
本發(fā)明的第二主題是提供一種裝置，所述裝置包括至少一模塊，所述模塊包括一處理室；用于將所述室內(nèi)的壓力設(shè)定成一個在10毫巴至1巴之間的值的裝置；用于使所述接地的條帶行進至所述室中的行進裝置；一系列朝向要處理的所述條帶的表面設(shè)置的涂覆有絕緣材料的電極，這些電極被連接到一正弦高電壓發(fā)生器上；用于向所述室供應氣體的供應裝置；以及用于從所述室中排出因涂覆在所述條帶上的有機物質(zhì)分解所產(chǎn)生的氣體的排出裝置。
在一個優(yōu)選實施中，所述裝置包括一系列的偶數(shù)個的所述模塊，所述條帶在所述模塊內(nèi)部相繼運行通過，依次將它的表面之一暴露給所述模塊的電極。
在另一實施例中，所述裝置還包括被設(shè)置在所述電極之間的UV發(fā)射燈。


下面將結(jié)合附圖，通過對兩個示例性的而非局限性的實施例的描述，對本發(fā)明進行詳細描述，其中圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一種處理裝置的示意圖；圖2示出根據(jù)本發(fā)明的一種處理裝置的示意圖，用于對以運行著的條帶的形式的材料的兩個表面進行連續(xù)處理；圖3A和3B示出被用UV輻射處理(圖3B)和沒有用所述輻射處理(圖3A)的條帶表面的兩個圖象；圖4示出在另外施加253nm的UV輻射期間，氧基密度的增加情況；圖5示出氧基密度作為放電時所施加電流強度I的函數(shù)的相關(guān)性；圖6示出條帶上的保護性油膜涂覆重量作為被施加給它的電子量It/S的函數(shù)的變化情況；圖7示出被采用電子量為21mC/cm2的放電進行脫脂的條帶表面的Auger(奧格)電子光譜。
具體實施例方式
圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一種用于實現(xiàn)本發(fā)明方法的裝置的示意圖，以處理一種比如由碳鋼制成的金屬條帶。該裝置包括一個模塊1，該模塊由一個處理室2組成，在處理室2中設(shè)有一個冷卻輥3，金屬條帶4圍繞該冷卻輥3運行。輥3和條帶4被接地。泵(未示出)允許該室2內(nèi)的壓力被設(shè)定成一個在10毫巴至1巴之間的值。涂覆有一種絕緣材料(氧化鋁)的電極5a，5b，5c，5d，5e，5f和5g被設(shè)置成面對所述條帶4。這些電極5a，5b，5c，5d，5e，5f和5g被連接到由一個中頻正弦波發(fā)生器6(其頻率在10至100kHz之間)提供的高電壓上。所述高電壓電極5a，5b，5c，5d，5e，5f和5g也被冷卻。為了使放電所耗能量最佳化，所述高電壓電極5a，5b，5c，5d，5e，5f和5g允許電極間的距離發(fā)生變化。
所述模塊還包括用于向所述室供應氣體的裝置，以及用于從所述室中排出因涂覆在條帶4上的有機物質(zhì)分解所產(chǎn)生的氣體的裝置(這些裝置未被示出)。
在此特別實施例中，UV燈7a，7b，7c，7d，7e和7f被設(shè)置在所述高電壓電極5a，5b，5c，5d，5e，5f和5g之間，從而一方面允許在放電方面的處理更均勻，另一方面允許從電極間的體積內(nèi)形成的臭氧離解。因而，條帶4可以通過源自臭氧的離解吸水性的0°基、遠離電極間空連續(xù)地脫脂，該臭氧通過施加所述額外UV(253nm)輻射而被感應。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一種裝置的示意圖，該裝置包括一連串的四個模塊10，11，12和13，用于對一條運行著的條帶14的兩面進行連續(xù)的處理。這四個模塊10，11，12和13被通過中間組件連接到一起，中間組件容置有泵組和注氣系統(tǒng)，其確保該裝置被暴露到氣流中并因而確保所述處理是均勻的，而與非均勻放電的特性無關(guān)。
實例以靜態(tài)模式在小尺寸(20至25cm2)的條帶上進行了試驗，這些條帶被涂覆有一種保護性油膜(Quaker Chemical的Tinnol 200)，因為要完成脫脂它是必需的，以便在涂覆涂料之前模擬一次清洗處理。
所用裝置所述試驗是在一個絕緣材料阻擋層反應器中進行的，該反應器包括一個涂覆有0.7mm厚氧化鋁層的電極和一個接地金屬電極，要被處理的條帶被放置其上。所述涂覆有氧化鋁的電極被連接到所述高電壓(350至4400V)上。該高電壓由一個中頻(3至30kHz)正弦波發(fā)生器供電。這兩個電極設(shè)有一個冷卻系統(tǒng)，以便在等離子體操作期間允許它們保持在接近于環(huán)境溫度的溫度下。
所述電極間距離可以被設(shè)定在1毫米至幾十毫米之間。
實例1對兩條涂覆有186mg/m2保護性油層的相同的碳鋼條帶進行處理。對于兩個處理，其它的參數(shù)都相同，即-200毫巴的氧；-12kHz正弦電壓；3.6kV；電流30mA；-電極間距離5mm。
圖3A和3B所示的條帶處理不同之處僅在于，在一種情形下施加了UV輻射，而在另一種情形下沒有。
圖3示出了通過在僅有氧的情況下開始放電，被采用UV(253nm)輻射處理(圖3B)和沒有采用輻射處理(圖3A)的條帶表面的圖象。黑色區(qū)域?qū)谒鲆驯幻撝膮^(qū)域，在這些區(qū)域油已經(jīng)聚合。
可以看到，除了放電之外還施加UV輻射，其結(jié)果是減少了油的聚合，從而在較短的時間內(nèi)實現(xiàn)更好的清洗。
通過施加其波長與臭氧的離解吸水性一致的UV輻射，導致氧基在條帶表面上均勻分布，這使得油進行了冷燃燒。
除了放電之外施加UV輻射，不僅使得氧基能夠在條帶表面上更均勻地分布，而且還增加了0基的密度，所有放電參數(shù)(電壓，電壓的應用頻率，電流，壓力和電極間距離)都保持恒定。
圖4示出在施加253nmUV輻射期間，通過發(fā)射光譜學(OES)分析，氧基密度的增長情況。受激氧基的發(fā)生波長約為777nm。此圖示出777nm輻射的電流強度I777作為與時間t的函數(shù)關(guān)系。圖中的不同區(qū)域?qū)谙旅娴碾A段-區(qū)域A沒有施加放電或者UV輻射。所記錄的強度與背景噪聲相符；
-區(qū)域B在純氧情況下已經(jīng)施加了放電，而沒有施加UV輻射；-區(qū)域C除了放電之外，已經(jīng)施加了253nm的UV輻射；-區(qū)域D保持了UV輻射，但是沒有了放電；-區(qū)域EUV輻射被停止并恢復了背景噪聲。
實例2圖5利用發(fā)射光譜學的方法顯示出，活性氧化組分0°的密度隨著放電時所施加的電流強度呈直線地變化。
圖中所示的放電電流，既在恒定電壓下通過改變V的施加速率從而改變絕緣材料的阻抗發(fā)生變化，又在恒定頻率下通過改變電壓發(fā)生變化。圖5因而示出，活性組分的密度僅僅依賴于放電電流的強度，并且在任何情況下都不受在恒定電流下放電電壓的影響。這意味著，在僅僅因所施加的電壓而不同的功率電平下，有可能獲得相同的活性組分密度，電流保持恒定。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，電壓太高會導致油的聚合，這將趨向于抑制存在于條帶表面上的有機殘留物的氧化速率。此外，工業(yè)應用需要在放電時消耗最小的能量密度(小于40W/cm2·s)。從而，使條帶脫脂所需的放電條件是通過使電流達到最大值以使所施加的電壓最小而獲得的。
在恒定電流情況下放電的功率對脫脂速率的影響顯示在下表中，包括兩個測試，是通過改變所施加的正弦電流的頻率而進行的

因而還可以看到，當放電電流相同時，并經(jīng)過一個相同的處理時間，脫脂的效率在低壓下較好，因而功率較低。
實例3采用根據(jù)本發(fā)明的方法，對一條涂覆有186mg/m2保護性油的20cm2條帶進行處理。在此情形下，在壓力為350毫巴的氧氣流中開始放電。由再結(jié)合的自由基0°所形成的氧和/或臭氧分子未被再離解。圖6示出條帶上保護性油的涂覆重量作為電子量It/S(即，電子電流密度乘以處理時間)的函數(shù)的變化情況。氣流的應用使得條帶的處理均勻，這是通過切線入射的紅外吸收光譜法(IRRAS)證實的。
圖7示出被采用電子量為21mC/cm2的放電進行脫脂的條帶表面的Auger電子光譜。僅僅存在鐵和氧峰值。在273eV附近沒有碳峰值證實條帶被完全脫脂了。
權(quán)利要求
1.用于清洗涂覆著有機物質(zhì)的材料表面的方法，其特征在于，它包括以下步驟將所述材料導入一處理室，在所述處理室內(nèi)充置一在10毫巴至1巴之間壓力，所述處理室被供應一包含至少90％體積氧的氣流；以及通過在所述材料的表面與一涂覆有絕緣材料的電極之間進行放電而產(chǎn)生一等離子體，從而在所生成的自由基0°的作用下將所述有機物質(zhì)分解。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，再離解氧和/或臭氧分子，所述氧和/或臭氧分子通過在所述等離子體中產(chǎn)生的自由基0°的再結(jié)合而形成。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述再離解通過一合適波長的UV輻射而實現(xiàn)。
4.按照權(quán)利要求1至3中任一項所述的方法，其特征在于，為了開始放電而施加的電壓是一正弦電壓并且其頻率在10至100kHz之間。
5.按照權(quán)利要求1至4中任一項所述的方法，其特征在于，在放電方面的能量損耗小于40W/cm2，并且為了開始放電所施加的所述電壓低于4400V。
6.按照權(quán)利要求1至5中任一項所述的方法，其特征在于，所述材料的形式是一行進著的條帶；借助于在所述行進著的條帶的路徑上相繼設(shè)置的裝置，連續(xù)地執(zhí)行所述方法的各個步驟。
7.按照權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，相繼處理所述條帶的一表面，接著是另一表面。
8.按照權(quán)利要求1至7中任一項所述的方法，其特征在于，所述要被處理的材料是一金屬材料。
9.按照權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述金屬材料是一碳鋼。
10.按照權(quán)利要求8和9中任一項所述的方法，其特征在于，在涂料被沉積在所述表面之前，執(zhí)行所述方法，以便使金屬材料的表面脫脂。
11.用于實現(xiàn)權(quán)利要求6至10中任一項所述方法的裝置，所述裝置包括至少一模塊，所述模塊包括一處理室(2)；用于將所述室內(nèi)的壓力設(shè)定成一個在10毫巴至1巴之間的值的裝置；用于使所述接地的條帶(4)行進至所述室中的行進裝置(3)；一系列朝向要處理的所述條帶(4)的表面設(shè)置的涂覆有絕緣材料的電極(5a，5b，5c，5d，5e，5f，5g)，這些電極(5a，5b，5c，5d，5e，5f，5g)被連接到一正弦高電壓發(fā)生器(6)上；用于向所述室(2)供應氣體的供應裝置；以及用于從所述室中排出因涂覆在所述條帶(4)上的有機物質(zhì)分解所產(chǎn)生的氣體的排出裝置。
12.按照權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，它包括一系列的偶數(shù)個的所述模塊(10，11，12，13)，所述條帶(14)在所述模塊內(nèi)部相繼運行通過，依次將它的表面之一暴露給所述模塊(10，11，12，13)的電極。
13.按照權(quán)利要求11或12所述的裝置，其特征在于，它還包括設(shè)置在所述電極(5a，5b，5c，5d，5e，5f，5g)之間的UV發(fā)射燈(7a，7b，7c，7d，7e，7f)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于清洗涂覆有有機物質(zhì)的材料(4)表面的方法。本發(fā)明方法的特征在于它包括以下步驟將材料(4)導入一個處理室(2)，該處理室內(nèi)的壓力在10毫巴至1巴之間，它被供應一種包含至少90％體積氧的氣流；以及通過在材料的表面與一個涂覆有絕緣材料的電極(5a，5b，5c，5d，5e，5f，5g)之間傳送放電而產(chǎn)生等離子體，從而通過所生成的自由基O的作用將有機物質(zhì)分解。本發(fā)明還涉及一種用于實現(xiàn)所述方法的裝置(1)。
文檔編號B08B7/00GK1997773SQ03804156
公開日2007年7月11日 申請日期2003年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月19日
發(fā)明者埃里克·西爾伯貝格, 埃里克·米歇爾, 弗朗索瓦·雷尼耶, 克洛丹·比斯-埃爾曼 申請人:于西納公司