使用組合的多個能量源的材料表面處理方法和裝置制造方法
【專利摘要】通過至少兩個能量源在處理區(qū)域(124)中實現(xiàn)了材料處理，所述能量源例如是：(i)大氣壓(AP)等離子體和(ii)紫外線(UV)激光，該紫外線激光被引導進入等離子體并可選地引導至被處理的材料上?？梢栽谥胺峙淝绑w材料(323)，并且可以在處理之后分配精加工材料(327)。用于產(chǎn)生等離子體的電極(e1、e2)可以包括兩個間隔開的輥(212/214；412/414；436/438)。與電極輥(412/414)相鄰的軋輥(416/418；436/438)限定半氣密的腔(440)，并可以具有金屬外層(437/439)。
【專利說明】使用組合的多個能量源的材料表面處理方法和裝置
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2011年6月28日提交的US 61/501，874的申請日權益。
【技術領域】
[0003]本發(fā)明涉及材料和各種基材、更具體地例如織物的表面處理，并且更具體地涉及使用組合的多個不同能量源的材料處理，所述能量源之一通?？梢允谴髿鈮旱入x子體(AP)。
【背景技術】
[0004]“智能織物”的發(fā)展一直是受關注的活躍領域，以改善各種性能如耐污染性、防水、顏色牢固度以及可以通過使用等離子技術、微波能量源的先進處理以及在某些情況下的化學處理實現(xiàn)的其它特性。
[0005]在不影響這些纖維的體積性能的情況下，大氣壓等離子體處理(APT)可以改善纖維的表面性能如親水性，并且可以由織物制造器和轉換器使用，以改善天然和合成纖維的表面性能，以改善粘合性、潤濕性、可印刷性、可染色性，以及減少材料的收縮率。
[0006]大氣壓等離子體(或AP等離子體或常壓等離子體)是考慮到等離子體中的壓力與周圍大氣大約匹配的特殊情況下的名稱。AP等離子體具有突出的技術意義，因為與低壓力等離子體或高壓力等離子相比，不需要高成本的反應容器以確保維持不同于大氣壓力的壓力水平。此外，在許多情況下，這些AP等離子體能容易地結合到生產(chǎn)線中。各種形式的等離子體激發(fā)是可行的，包括AC(交流)激發(fā)、DC(直流)和低頻激發(fā)、通過無線電波的激發(fā)和微波激發(fā)。然而，只有通過AC激發(fā)的AP等離子體已取得任何值得一提的工業(yè)意義。
[0007]通常，由交流激發(fā)(電暈放電)和等離子射流產(chǎn)生AP等離子體。在等離子體射流中，脈沖電弧通過等離子體射流中的高電壓放電(5-15kV，10-100kHz)產(chǎn)生。一種過程氣體(例如流過該放電部分的無油的壓縮空氣)被激發(fā)并轉換成等離子體狀態(tài)。該等離子體然后通過噴射頭以到達待處理的材料的表面上。該噴射頭具有接地電勢，以此方式，在很大程度上抑制等離子流的帶電勢部分。另外，噴射頭確定出現(xiàn)的光束的幾何形狀。多個噴射頭可以用于與被處理的基材的相應區(qū)域相互作用。例如，具有幾米處理寬度的片材可以通過一行射流進行處理。
[0008]AP和真空等離子體的方法已被用于清洗和激活材料表面以準備好用于粘接、印刷、噴涂、聚合或其它功能性或裝飾性涂層。AP處理可能優(yōu)于用于連續(xù)處理材料的真空等離子體。另一種表面處理方法利用微波能量來聚合前體涂層。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明總體涉及提供改進的技術用于處理(例如表面處理和改性)材料，例如基材，更具體地例如織物(包括紡織或針織織物和非織造織物)，并廣泛地涉及將各種附加的能量源(如激光輻照)與高電壓產(chǎn)生的等離子體(如大氣壓(AP)等離子體)組合來進行處理，這可能改變被處理的材料的核心以及表面，并且可以在干燥的環(huán)境中使用引入的氣體或前體材料。公開了各種能量源的組合。
[0010]本發(fā)明的一個實施例大體上包括利用至少兩個組合的相互作用的能量源(如激光和高電壓產(chǎn)生的大氣(AP)等離子體)來處理和生產(chǎn)技術織物和其它材料的方法和設備。
[0011]本文所公開的技術可以很容易地被結合到用于織物材料的自動化處理的系統(tǒng)中。功能性可以通過以下方式獲得:無水清洗(如蝕刻或燒蝕)，通過在表面上的自由基形成來激活并同時和有選擇地增加或減少所需的功能特性。可通過制造化學和/或形態(tài)變化的方法(例如在材料的表面上的自由基形成)來獲得或增強、增大或減小諸如疏水性、親水性阻燃、抗微生物性能、減小收縮、纖維洗滌、斥水、低溫染色、增加染料吸收和顏色牢固度等性能?？梢允┘雍吞幚聿牧系耐繉?例如先進材料成分的納米級涂層)。
[0012]將AP等離子體能量與一個或多個附加的(或第二)的能量源結合(或混雜)可生成用于基材處理的更有效(和商業(yè)上可行的)能量環(huán)境，所述附加的能量源例如是激光、X射線、電子束、微波或其它不同的能量源。第二能量源也可以施加為與AP等離子體能量組合(協(xié)調(diào)地、同時地)，和/或與AP等離子體能量依次(串聯(lián)，選擇性地)施加以獲得所需性能。
[0013]第二能量源可以作用于分開產(chǎn)生的等離子體羽流，并制造更有效的高能等離子體環(huán)境，同時還具有直接作用于表面上的能力，并在某些情況下，該材料的核心經(jīng)受這種混合處理。
[0014]本文公開的技術可以適用于但不限于:織物(有機和無機)、紙、合成紙、塑料等類似材料的處理，這些材料通常以扁平片材的形式(“按碼出售的織物”(yard goods))。本文所公開的技術也可以應用于任何材料的塑性擠壓或金屬擠壓、軋鋼機、注塑、紡紗、梳棉、織布、玻璃制造、基材蝕刻和清洗和涂敷，并適用于實際上任何材料處理技術。如玻璃的扁平片材(如觸摸屏)的剛性材料可通過本文所公開的技術進行處理。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于處理基材(102、402、404)的方法，包括:
[0016]在處理區(qū)域(124)生成等離子體，所述處理區(qū)域包括兩個間隔開的電極(el/e2 ；212/214 ；412/414 ；452/454)；
[0017]將至少一個不同于第一能量源的第二能量源引導進入等離子體以與等離子體相互作用獲得混合等離子體；以及
[0018]使所述混合等離子體與在處理區(qū)域(124)中的基材相互作用。
[0019]在另一方面，本發(fā)明包括用于處理材料的裝置(100、400A、400B、400C、400D、400E、400F、400G)，包括:
[0020]兩個間隔開的電極(el/e2 ；212/214 ;412/414)，用于在處理區(qū)域(124)產(chǎn)生等離子體；
[0021]一個或多個激光器(130)，將對應的一個或多個光束(132)引導到處理區(qū)域中，以與等離子體和被處理的材料中的至少一個相互作用。
[0022]在又一方面，本發(fā)明包括此處所說明的用于處理織物基材的裝置的用途。
[0023]在一個不同的方面，本發(fā)明包括通過本文中所述的方法得到的織物材料。
[0024]在又一方面，本發(fā)明構想了生成用于材料處理的等離子體的方法。
[0025]本發(fā)明的一些優(yōu)點可包括但不限于:生成更有能量和有效的等離子體以便為后續(xù)處理或精加工而清潔和激活表面的方法。例如，紫外線(UV)激光輻射(連續(xù)波(CW)或脈沖)可以與電磁產(chǎn)生的AP等離子相結合，以生成用于處理表面的更加高度電離的和充滿能量的反應環(huán)境。所得到的混雜能量可具有大于其各個部分的總和的效果。脈沖激光能量可用于驅(qū)動等離子體，生成波，并且激光能量可以使得到的等離子體波加速，該等離子體波如波浪拍擊沙灘一樣作用在基材上。
[0026]被加速和更加充滿能量的等離子體可以在處理過的基體的纖維或表面上引起自由基，并使離子化基團附接到所引起的自由基。這類官能團(如羧基、羥基或其它附接到表面上的增加極性特性的官能團)的附接可能會導致更大的親水性和其它所需的功能性能。
[0027]本發(fā)明有利地在存在材料基材的情形下在受控的大氣環(huán)境中結合能量源。與簡單地被涂覆層相比，最終結果可能是在基材表面的轉化和材料合成——基材可能在物理上改變。
[0028]在一個示例性實施例中，高頻RF等離子體產(chǎn)生在延伸橫穿處理窗口的整個寬度的旋轉輥和被驅(qū)動的輥之間形成的封袋(或腔、或腔室)中。所產(chǎn)生的等離子體場在處理區(qū)域的整個寬度上一致，并且可以在大氣壓下操作。高功率紫外線(UV)激光器被設置用于與等離子和/或被處理的材料相互作用。來自激光器的光束可以被成形為具有矩形橫截面，其在整個處理區(qū)域顯示出一致的功率密度。氣體輸送系統(tǒng)可以被用于將多個(例如4個)環(huán)境氣體和前體的任何組合結合成填充混合等離子體腔室的單個的供給。另外，噴霧或霧化輸送系統(tǒng)可以被設置為能夠?qū)⑷苣z-凝膠或過程加速劑的薄的一致的層施加于被處理的材料(預處理或后處理)。
[0029]結合等離子體和光子(例如紫外線激光)的過程是干燥的，是在大氣壓的壓力下進行，并使用安全的和惰性氣體(如氮氣、氧氣、氬氣和二氧化碳)。改變激光和等離子體的功率強度，然后改變環(huán)境氣體或添加溶膠-凝膠和/或其它有機或無機前體，即，改變了“配方”，使得系統(tǒng)能夠產(chǎn)生各種各樣的過程應用。
[0030]過程具有幾種應用，包括:清潔、制備和增強材料性能。
[0031]-對于清洗，激光可能會加強等離子體的有效功率以及在自身權利中作用在基材材料上。
[0032]-對于為第二過程(例如染色)制備基材材料，纖維的表面可以被以受控的方式燒蝕，從而增加了材料(例如織物材料)的親水性。此外,通過將環(huán)境氣體引入系統(tǒng)的過程區(qū)域中，在材料(例如織物)的表面上可能生成化學物質(zhì)，這可能導致與染色介質(zhì)相互作用以實現(xiàn)更高效的染料滲透或更強烈的著色過程或減少染料的溫度的化學物質(zhì)。例如，制備織物的纖維以獲得對鉻氧化染料的更好的控制來改進所獲得的黑色的強度。因此，為此過程存在減少染料的化學成分(這可減少對環(huán)境的負面影響和處理成本)的可能性。
[0033]-對于性能增強，該過程可以在基材表面上實現(xiàn)材料的合成。通過改變激光和等離子體的頻率和功率強度并將其它材料引入到處理環(huán)境中，系統(tǒng)燒蝕基材的表面，一系列在基材和環(huán)境氣體之間的化學反應在織物網(wǎng)中的纖維的表面合成新材料。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]可以詳細參考公開內(nèi)容的實施例，其中一些非限制性實例可以在隨附的附圖中來說明。這些圖通常是示意圖。為了說明的清楚起見，在附圖中的一些元件可能被夸大，另一些可以省略。在圖中的不同元件之間的關系可以通過其顯示方式和放置在圖中的方式(諸如“頂部”，“底部”，“左”，“右”，“上”，“下”等)來指示。應當理解，本文所采用的措辭和術語不應被解釋為限制，僅用于說明的目的。
[0035]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的處理系統(tǒng)的示意圖。
[0036]圖2是圖1的處理系統(tǒng)的等離子體區(qū)域的局部透視圖。
[0037]圖2A是圖1的處理系統(tǒng)的等離子體區(qū)域的局部透視圖。
[0038]圖3是根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的圖1的處理系統(tǒng)的預處理區(qū)域、等離子體區(qū)域和后處理區(qū)域的局部透視圖。
[0039]圖4A-4G是根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的圖1的處理系統(tǒng)的處理區(qū)域中的元件的示意圖。
【具體實施方式】
[0040]本發(fā)明總體涉及處理(例如表面處理)材料(例如織物)以改變其性能。
[0041]將描述各種實施例以說明本發(fā)明的教導，這些實施例應被解釋為說明性的而非限制性的。盡管在各種示例性實施例的上下文中總體描述了本發(fā)明，但應當理解，這并不意味著將本發(fā)明限制于這些特定實施例。實施例可以是本發(fā)明的一個或多個方面的示例或?qū)嵤ｋm然本發(fā)明的各種特征可以在單個實施例的上下文中被描述，但是也可以分開地或以任何合適的相互組合提供這些特征。反之，雖然本發(fā)明可以在分開的實施例的上下文中進行描述，但是本發(fā)明也可在單個實施例中實現(xiàn)。
[0042]以下主要討論基材的表面處理，基材可以是以卷的形式(卷繞在圓柱形芯上的長材料片)提供的織物。包括但不限于材料合成的一種或多種處理可應用于織物基材的一個表面或兩個表面上，并且可以引入附加的材料。如本文所使用的，“基材”可以是具有可以被稱為“前”和“后”表面或“頂部”和“底部”表面的兩個表面的薄材料“片”。
[0043]本發(fā)明的一些實施例
[0044]以下實施例及其各方面可以與系統(tǒng)、工具和方法結合地被描述和示出，所述系統(tǒng)、工具和方法意在是示例性和說明性的，而非限制范圍。可以闡述具體的配置和細節(jié)，以便理解本發(fā)明。但是，本領域技術人員應當清楚，本發(fā)明可以在沒有在本文中呈現(xiàn)的一些具體細節(jié)的情況下被實施。而且，眾所周知的特征可以被省略或簡化以便不混淆本發(fā)明的描述。
[0045]圖1不出用于對基材102進行處理、例如表面處理的整體的表面處理系統(tǒng)100和方法。在本文所呈現(xiàn)的圖中，基材102被示出為由右至左前進通過系統(tǒng)100。
[0046]基材102例如可以是織物材料，并且可以被提供為作為在輥上的長片材的“按碼出售的織物”。例如，待處理的基材可以是纖維織物材料，如棉/聚酯，約lm寬，約1_厚，和大約100米長。
[0047]一個部分102A(如尚未處理過的基材102的一個lmxlm的部分)被示出為在系統(tǒng)100的輸入部分100A處從供應卷軸R1松開出來。基材102從輸入部分100A通過裝置100的處理部分120。處理之后，基材102離開處理裝置120，并且可以任何合適的方式收集，例如卷繞在卷繞卷軸R2上。部分102B(例如已處理過的基材102的lmxlm部分)示出為在系統(tǒng)100的輸出部分100B處被卷繞到卷繞卷軸R2上。各種輥“R”可以設置在系統(tǒng)100的各個部分之間(如圖所示)和之內(nèi)(圖中未示)，以引導材料通過系統(tǒng)。[0048]處理部分120通常可包括三個區(qū)域(或范圍，或區(qū)):
[0049]-可選的預處理(或前體)區(qū)域122，
[0050]-處理(或等離子體)區(qū)域124，和
[0051]-可選的后處理(或精加工)區(qū)域126。
[0052]處理區(qū)域124可以包括用于產(chǎn)生高電壓(HV)交流電(AC)大氣壓等離子體(AP)的部件，其元件通常是眾所周知的，其中一些將在下文詳細說明。
[0053]激光器130可以被提供作為第二能量源，用于提供光束132，光束132在主處理區(qū)域124中與AP相互作用，光束132也可以撞擊基材102的表面。
[0054]控制器140可以被設置用于控制上文描述的各種部件和元件的操作，并且可以與通常的人機接口(輸入、顯示等)一起提供。
[0055]圖2示出主處理區(qū)域124的一部分和所述主處理區(qū)域124內(nèi)的一些操作元件。示出了三個正交坐標軸X，y和z。(在圖1中，示出了相應的X和y軸。)
[0056]示出了兩個細長電極212 (el)與214 (e2)，其中一個可視為陰極，另一個可視為陽極。這兩個電極el和e2通常可以設置為彼此平行，平行于1軸延伸，并且在x方向上彼此間隔開。例如，電極el和e2可以以任何合適的方式形成，例如以桿或管或其它可旋轉的圓筒狀電極材料的形式，并且彼此名義上間隔開一距離，該距離足以容納處理后的材料的厚度的間隙。電極el和e2可設置在被處理的基材102的頂部表面102a上方大約1mm。
[0057]可以以任何合適的方式給電極el和e2通電，以沿著所得到的陰極/陽極對的長度在電極el和e2之間的并緊密圍繞電極el和e2的空間中生成大氣壓等離子體(AP)，其可稱為“等離子體反應區(qū)”。
[0058]如上所述，激光束132可以被引導到主處理區(qū)域124中，并且還可以撞擊基材102的表面。這里，激光束132被示出為大致沿7軸被引導，大致平行于電極el和e2并且在電極el和e2之間，并且略高于基材102的頂部表面102a，以便與由兩個電極el和e2產(chǎn)生的等離子體(羽流)相互作用。在一個示例性應用中，光束的印跡可以是約30mmX 15mm的矩形。光束可以垂直或水平地定向，以最好地實現(xiàn)直接的基材照射和/或與等離子體的期望的相互作用
[0059]在激光束102與由兩個電極el和e2產(chǎn)生的等離子體相互作用的同時，可以使激光束132微小但足夠“傾斜”地定向，以直接照射待處理的基材102。更具體地，激光束132可與基材102的頂部表面102a成約0度的“ α ”角度，以便不撞擊其表面102a?？商鎿Q地，激光束132可以與基材102的頂部表面102a成約小于1至10度的“ α ”角，從而撞擊其表面102a。光束132可以具有其它取向，例如垂直(”α，，= 90度)于基材102的表面102a。激光束132可以使用常規(guī)的檢流計等被掃描，以便與由兩個電極el和e2產(chǎn)生的等離子體或基材102或兩者的任何選擇的部分相互作用。
[0060]等離子體可使用第一能量源例如高電壓(HV)交流電(AC)來生成。也可以使不同的第二能量源(如激光)與等離子體相互作用，導致“混合等離子體”，且也可以使混合等離子體與被處理的基材(材料)相互作用(在處理區(qū)域)。除了與第一能量源相互作用之外，也可以使第二能量源直接與被處理的材料相互作用。與基材或其它氣體(第二或前體)的直接相互作用可以制造其本身的經(jīng)受激光的等離子體，所述經(jīng)受激光的等離子體繼而可進一步與用高電壓產(chǎn)生的等離子體相互作用，以更加高度地激發(fā)反應環(huán)境。[0061]在通過主處理區(qū)域(范圍)124時，基材102(被處理材料)可以由輥引導。圖2A示出了這些輥214中的一個可以用作陽極，而另一輥212可以用作用于產(chǎn)生等離子體的陰極/陽極對的陰極(反之亦然)?？梢宰⒁?，在圖2中，基材102布置到兩個電極el和e2的一側(下方，如圖所示)，在圖2A中，基材102被布置在兩個電極el和e2之間。在這兩種情況下，由電極el和e2生成的等離子體作用在基材102的至少一個表面上。陽極和陰極可以涂覆層有絕緣材料，如陶瓷。
[0062]應理解，本發(fā)明并不限于電極el和e2的任何特定的布置或配置，并且圖2、2A中闡釋的示例意在僅僅是例示一些可能性。此外，例如，作為使用兩個電極el和e2的替代，輸送等離子體的一行等離子體射流(未示出)可以被設置來生成在基材102的表面102a上所需的等離子體。
[0063]圖3示出，在預處理區(qū)域(范圍)122中，覆蓋待處理的材料的整個寬度的一行噴頭(噴嘴)322或其它合適的裝置可用于將固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)的前體材料323分配到基材102上，以便能處理例如抗微生物劑、阻燃劑或超疏水/親水特性的具體性能。
[0064]在預處理區(qū)域(范圍)122和主處理區(qū)域(范圍)124之間可以具有中間“緩沖”區(qū)，以便讓在預處理時施加的材料有時間滲入(被吸收)基材。這個過程仍然運行材料的單個長度，但緩沖可以保持例如高達200m的織物。例如，當被處理的材料(如按碼出售的織物)以20m/min供給通過系統(tǒng)時，這將允許在預處理(122)和混合等離子體處理(124)之間存在若干分鐘“干燥時間”，而不停止材料流動通過系統(tǒng)。
[0065]類似地，在后處理區(qū)域(范圍)126中，覆蓋被處理(124)的材料的整個寬度的一行噴頭(噴嘴)326或其它合適的裝置可用于將固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)的精加工材料327分配到基材102上，以使其具有期望的特性。
[0066]處理區(qū)域(124)的一些實施例
[0067]圖4A-4G示出了在處理區(qū)域124中的各種元件的實施例。
[0068]圖4A示出一個實施例400A，其中:
[0069]-第一(“頂部”)輥412可作為電極el工作，并且可以具有約10cm的直徑，以及2米的長度(進入頁面)。輥412可具有金屬芯和陶瓷(電絕緣)的外表面。
[0070]-第二(“底部”)輥414可作為電極e2工作，并且可以具有約15cm的直徑，以及2米的長度(進入頁面)。輥414可具有金屬芯和陶瓷(電絕緣)的外表面。
[0071 ]-第二輥414配置為平行于第一輥412，并在第一輥412的正下方(如圖所示)，其間具有對應于(例如稍小于)被供給在輥412和414之間的基材材料402 (比較102)的厚度的間隙。材料行進的方向可以是從右至左，如由箭頭所指示的?；?02具有一個頂部表面402a (比較102a)和一個底部表面402b中(比較102b)。
[0072]-第一輥412可以用作陽極/陰極對的“陽極”，高電壓(HV)供給于此。第二輥414可以用作陽極/陰極對的“陰極”，并可以接地。
[0073]-第一(“右”)軋輥或供給輥416(nl)被布置為在第一輥412 (如圖所示)的右下方的象限附近，并靠著第二輥414的右上方(如圖所示)的象限。輥416可具有約12cm的直徑以及2米的長度(進入頁面)。輥416的外表面可接合輥412的外表面。輥416的外表面和輥414的外表面之間的間隙對應于(例如稍小于)供給在輥416和414之間的基材材料402 (比較102)的厚度。[0074]-第二(“左”)軋輥或供給輥418 (n2)被布置在第一輥412 (如圖所示)的左下方的象限附近，并靠著第二輥414的左上方(如圖所示)的象限。輥418可具有約12cm的直徑以及2米的長度(進入頁面)。輥418的外表面可接合輥412的外表面。輥418的外表面和輥414的外表面之間的間隙對應于(例如稍小于)供給在輥418和414之間的基材材料402 (比較102)的厚度。
[0075]-通常，軋輥或供給輥416、418應該具有絕緣的外表面，以避免陽極和陰極412，414的短路。
[0076]使用輥412、414、416、418的這樣的布置，也可以在四個輥412、414、416、418的外表面之間形成半氣密腔(“440”)，用于限定處理區(qū)域124和包含等離子體。整體的腔440可以在頂部輥、右輥和底部輥412、416、414之間的空間中包括第一(“右”)部分440a，在頂部輥、左輥和底部輥412、418、414之間的空間中包括第二( “左”)部分440b。在該腔440的右部分440a的引出線的端部處的實心圓表示進入腔中的氣體流。在該腔440的左部分440b的引出線的端部處的實心矩形表示激光束(132)。
[0077]在腔440內(nèi)產(chǎn)生的等離子體可以是大氣壓(AP)等離子體。因此，腔440的密封是不必要的。然而，端帽或板(未示出)可設置在輥412、414、416、418的端部處，以包含(半包封)并控制進入和流出腔440的氣體流。
[0078]圖4B示出了一個實施例400B，其中左輥、右輥416和418從輥412和414稍向外運動，從而打開了腔440，以允許處理更厚和/或更剛性的基材。然而，這將要求每個電極(陽極和陰極)被獨立地或直接地驅(qū)動。該材料由外部的供給和卷繞輥驅(qū)動通過反應區(qū)域。
[0079]圖4C示出了 一個實施例400C，其中，使用大致為倒U形的屏蔽件420而非左、右輥(416和418)來限定具有右和左部分440a和440b的腔440。屏蔽件420被布置為基本上完全圍繞一個輥412 (除了供給材料通過的地方)，并且至少部分地圍繞著另一個輥414。額外的屏蔽件(未示出)可以被布置在底部輥414之下。
[0080]圖4D示出了實施例400D，其適于處理剛性基材。上述基材402是柔性的,例如織物。剛性基材(例如用于觸摸屏顯示設備的玻璃)還可以用混合等離子體和前體材料來進行處理。具有頂表面404a和底表面404b的剛性基材404通過頂部輥(el) 412和底部輥(e2)414。一行噴嘴422(比較322)可以被布置來提供如液態(tài)、固態(tài)或霧化的形式的前體材料。如420 (參照圖4C)的屏蔽件(未示出)可以被組合以包含混合等離子體。
[0081]圖4E示出一種布置400E，其包括一行高電壓等離子體噴嘴(噴頭)430，而非圓柱形的電極el和e2。例如，在處理區(qū)域124中，10個噴頭430以20cm的間距間隔開。示出了剛性基材404。在前體材料被暴露于混合等離子體之前，在預處理區(qū)122中，一行噴嘴422(比較322)可以被布置來將前體材料提供(例如以霧化形式)到基材404上。例如，在預處理區(qū)域122中，10個噴頭422以20cm的間距間隔開。可以包括如420 (參照圖4C)的屏蔽件(未示出)以包含混合等離子體。這種布置使得能處理金屬或其它導電基材。
[0082]圖4F示出了一個實施例400F，一個可操作用作電極el (或陽極)的第一(“頂部”)輥412、一個可操作作為電極e2(或陰極)的第二( “底部”)輥414，和兩個軋輥436和438 (比較416和418)。
[0083]與實施例400A(圖4A)相比，在本實施例中，輥436和438從頂部和底部輥412和414向外略微(例如lcm)間隔開。因此，雖然其仍然會有助于包含等離子體，但是其可能無法用作供給輥，且可能需要提供單獨的供給輥(未示出)。
[0084]右輥436 (比較416)被示為在其表面上具有層或涂層437。左輥438 (比較418)被示出為在其表面上具有層或涂層439。例如，在混合等離子體處理區(qū)域124中的輥436和438可以用金屬箔包裹(或具有金屬外層)，該金屬薄膜(或金屬外層)在處理過程中可以通過高能混合等離子體和/或激光(第二能量源)被蝕刻掉，生成含有活性金屬等離子體的羽流，活性金屬等離子體可以容易地與基材表面自由基耦合以在基材材料上生成具有金屬成分的納米層涂層)。金屬材料(金屬箔、層)可以通過等離子體可控地蝕刻或燒蝕，流出的金屬成分可與等離子體反應，并如以納米級的層的形式沉積在基材上。
[0085]涂敷輥436和438的金屬材料例如可以包括鈦、銅、鋁、金或銀中的任何一種或組合。輥中的一個可以涂有一種材料，另一輥可涂覆另一種材料。輥436和438的不同部分可以涂覆不同的材料。通常，當這些材料被燒蝕時，其在處理區(qū)域124(并且因此可以與在預處理區(qū)域124中提供前體材料的噴嘴322和422形成對比)中形成蒸氣前體材料。
[0086]圖4G示出了一個實施例400G,其使用兩個扁平片材的平板電極452和454,而非輥(412、414)，所述兩個平板電極彼此間隔開以形成一個處理區(qū)域(反應/合成區(qū))124，材料片404可以通過該處理區(qū)域供給。供給到處理區(qū)域的氣體由圓440a表示，激光束由矩形440b表示。噴嘴422可以被設置來在預處理區(qū)122中輸送前體材料。噴嘴426可以設置來在后處理區(qū)126中輸送精加工材料。
[0087]附加特征
[0088]雖然沒有具體示出，但是在混合能量處理(124)之后分配到基材102上的精加工材料可以立即暴露于第二等離子體或混合等離子體以便干燥、密封或與在由混合等離子體激活表面之后分配的精加工材料反應。
[0089]雖然沒有具體示出，但應當理解，各種氣體如02、N2、H、C02、氬、氦或如硅烷或硅氧烷基材料的化合物可以被引入到等離子體中(如在處理區(qū)域124中)以使得被處理的基材獲得各種期望的特性和性能。
[0090]為使被處理的材料獲得抗微生物性能，可以引入前體材料，例如非銀基硅烷/娃氧燒和氯化招家族如3(三輕基娃燒基)丙基二甲基十八燒(3 (trihydroxylsilyl)propyldimethyl octadecyl)、氯化銨。其它娃燒/娃氧燒基團以及娃氧燒和乙氧基硅(提高疏水性)可被用來影響疏水性。在等離子體中以氣相施加的六甲基二硅氧烷(Hexamethylidisiloxane)可以使織物纖維的表面平滑并增加作為疏水性水平的指標的接觸角。
[0091]可以使用負吸取或局部大氣真空來將等離子體成分引入多孔基材的厚度并進一步滲入多孔基材的厚度。圖3示出了在處理區(qū)域124中抽吸裝置(例如基材102通過的壓盤(床)324)可設置有多個孔，并以適當?shù)姆绞竭B接至抽吸裝置(未示出)來制造所需的效果。壓盤324可用作用于產(chǎn)生等離子體的電極之一。替代地，能夠很容易地被改變一個輥或類似物(具有孔且與抽吸裝置連接)來執(zhí)行此功能。
[0092]應當理解，這個過程是干燥的并對環(huán)境的影響低，剩余的或副產(chǎn)品氣體或成分本質(zhì)上是安全的，可從該系統(tǒng)排出并以適當?shù)姆绞交厥栈蛱幚怼?br> [0093]因此，提供了用至少兩個能量源來處理材料的方法，其中所述兩個能量源包括:(i)由經(jīng)過高能電磁場的各種氣體產(chǎn)生的大氣壓力等離子體，以及(ii)與所述等離子體相互作用以生成“混合等離子體”的至少一個激光。激光可在紫外線波長范圍(308nm或更小)內(nèi)工作。激光可以包括具有至少25瓦的輸出功率的準分子激光，所述輸出功率包括超過100瓦、超過150瓦、超過200瓦。激光可以是脈沖的，例如具有25Hz的或更高(如350-400赫茲)的頻率，包括皮秒和飛秒激光。盡管說明了只有一個激光與等離子體(以及基材)相互作用，但是使用兩個或更多個激光在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
[0094]用于在處理區(qū)域中產(chǎn)生等離子體的一些示例性的參數(shù)是:高電壓產(chǎn)生等離子體，1-2KW(千瓦)；308nm UV激光，500MJ、350Hz ;在80%的氬、20%的氧或C02的混合氣體中。
[0095]作為激光的替代或除使用激光之外，可以使用諸如UV燈或沿著處理區(qū)域的長度設置的高功率紫外線LED (發(fā)光二極管)陣列的紫外線(UV)源來將能量引導進入AP等離子體以生成混合等離子體，及與被處理材料相互作用(例如，蝕刻、反應和合成)。
[0096]大體上,上文中，不出了處理基材材料102的一個表面102a,并且描述了一些不例性的處理。以下在本發(fā)明的范圍之內(nèi):例如通過使材料102循環(huán)往回通過處理區(qū)域124，也可以處理材料102的相對的底部表面102b。不同的能量源和環(huán)境、前體和精加工的材料可以被用于處理的材料的第二表面。以此方式，材料的兩個表面可被處理。還應當理解，處理可能延伸到被處理的材料的表面內(nèi)以改變或增強內(nèi)部(芯)材料的性能。在某些情況下，頂部表面和底部表面以及材料的芯可以被有效地從一側進行處理。
[0097]該系統(tǒng)可用于處理片狀形式之外的材料。例如，系統(tǒng)可以被用于通過混合能量退火改進有機發(fā)光二極管(0LED)的光學和形態(tài)特性。這些零散的器件可以被以任何合適的方式傳輸(傳送)通過系統(tǒng)。
[0098]其它類型的能量也可以彼此組合地或依次施加，以生成增強的處理能力。例如，處理材料的方法可利用至少兩個能量源的組合，如微波和激光、或微波和電磁產(chǎn)生的等離子體、或等離子體和微波、或等離子、激光、脈沖微波電子回旋共振(ECR)的各種組合。
[0099]兩個能量源可包括:(i)大氣壓等離子體，其利用通過高能量電磁場的各種離子化氣體；及(ii)紫外線(UV)源，其產(chǎn)生和引導輻射進入高度離子化的等離子體中并直接在待處理的表面處。紫外線光源可以包括沿處理區(qū)域的延伸長度設置的高功率紫外線LED(發(fā)光二極管)陣列。高功率紫外線LED可以與等離子體相互作用，以更加高度地激發(fā)等離子體，并直接作用在基材上以蝕刻基材或使基材反應。
[0100]自動材料處理系統(tǒng)可以可控地輸送材料通過由組合能量源產(chǎn)生的能量場。
[0101]可以執(zhí)行一系列處理步驟，例如:
[0102]步驟1_(可選)施加前體，
[0103]步驟2-暴露于混合能量，
[0104]步驟3_(可選)施加前體或精加工材料，以及
[0105]步驟4-暴露于混合能量源。
[0106]其中，所有的步驟都直接在系統(tǒng)內(nèi)以依次方式完成。
[0107]以下在本發(fā)明的范圍內(nèi):在過程中引入一輸送系統(tǒng)，其能夠在該等離子體反應區(qū)中直接地加入氣相/蒸氣相前體材料。
[0108]一些示例性的處理工藝參數(shù)
[0109]處理1-親水性
[0110]前體材料[0111]聚二甲基硅氧烷燃脂劑(hydroxycut) (PMDS0燃脂劑)
[0112]或者:共聚物(二甲基硅氧烷和/或混合二甲基硅烷(dimethylesilane))
[0113]激光
[0114]頻率250Hz
[0115]功率380MJ
[0116]等離子體
[0117]載體氣體氬氣……80%
[0118]反應氣體02......20%
[0119]流量15升/min壓力:略高于1巴
[0120]功率2KW
[0121]處理2~染色性能
[0122]前體
[0123]沒有前體或其它前體催化劑
[0124]激光
[0125]頻率250Hz
[0126]功率380MJ
[0127]等離子體
[0128]載體氣體氬氣......80%
[0129]反應氣體02或N2......20%
[0130]流量15升/min壓力:略高于1巴
[0131]功率2KW
[0132]處理3-疏水件
[0133]前體八甲基環(huán)四硅氧烷/聚二甲基甲硅烷共混物(水可溶性)，以聚二甲基硅氧烷與聚乙二醇醚混合的甲基氫聚硅氧烷(水可溶性)，或以上物質(zhì)與聚二甲基硅氧烷的組合。使用水溶性的共混物允許用去離子水稀釋該材料至應用所需要的濃度，獲得好的成本效益和輸出性能結果。水溶性共混物可用相關的添加劑制造-這些是用于混合油和水以制造乳液的基本方法，通常通過乳液分散劑的尺寸(即宏觀或微觀的，宏觀> 100微米，微觀< 30微米)來描述該乳液。
[0134]或者:共聚物(二甲基硅氧烷和/或混合二甲基硅烷(dimethylesilane))
[0135]激光
[0136]頻率至少350Hz
[0137]功率至少450MJ
[0138]等離子體
[0139]載體氣體氮氣、氬氣、氦氣......80%
[0140]反應氣體C02 或 N2......2-20%
[0141]流量10-40升/min壓力:略高于1巴
[0142]功率0.5-1KW
[0143]處理4-阻燃件
[0144]前體[0145]基于具有關鍵的無機化合物(基本上是鈦、硅、鋯和硼的過渡氧化物)的硅氧烷/硅烷和聚硼硅氧烷的共聚物和三元共聚物。以下也包括在內(nèi):含硼的硅氧烷共聚物和三元共聚物，如有機硅/氧乙基改性的聚硼硅氧烷。根據(jù)基材材料的類型和輸出的要求，可以使用基于一些有限的材料成分的最新的磷共混物。八甲基環(huán)四硅氧烷/聚二甲基硅烷的共混物(水溶性的)，混合有聚二甲基硅氧烷與聚乙二醇醚(水溶性的)，或以上與聚二甲基硅氧烷的組合，具有以下添加劑:
[0146]-對娃燒/娃氧燒的偏硼酸I丐(calciummetaborbate)添加劑
[0147]-對硅烷/硅氧烷的硅氧化物添加劑
[0148]-異丙醇鈦添加劑
[0149]-二氧化鈦(rout ile)
[0150]-磷酸銨
[0151]-氧化鋁
[0152]-硼酸鋅
[0153]-含陶瓷先驅(qū)體低聚物(preceramicoligomores)的硼酸硼
[0154]-氣凝膠和水凝膠，低密度或高密度交聯(lián)的聚丙烯酸酯。
[0155]-納米/微米膠囊組合物
[0156]示例:二甲基硅氧烷和/或二甲基硅烷，具有聚硼硅氧烷，添加的過渡氧化物，范圍為5至10%體積的氧化物(如Ti02、Si02(氣相，凝膠或無定形的)、A1203等)。本文所述的前體材料在使用混合等離子體(例如有激光)的在此處所描述的系統(tǒng)中可以提高材料的阻燃性。以下在本發(fā)明的范圍中:本文所闡述的前體材料在利用非混合等離子體(例如無激光)的材料處理系統(tǒng)中可以提高材料的阻燃性(或其它性能)。
[0157]激光
[0158]頻率至少350Hz
[0159]功率至少450MJ
[0160]等離子體
[0161]載體氣體氮氣、氬氣、氦氣......80%
[0162]反應氣體C02 或 N2......2-20%
[0163]流量10-20升/min壓力:略高于1巴
[0164]功率0.5-1KW
[0165]處理5_抗微牛.物
[0166]前體
[0167]硅氧烷/硅烷共混物作為疏水性平臺，添加有:
[0168]十八烷基二甲基(3-三乙基硅基丙基)氯化銨。
[0169]八甲基環(huán)四硅氧烷/聚二甲基硅烷共混物(水溶性)，混合有聚二乙基硅氧烷與聚乙二醇醚(水溶性)，或以上與聚二甲基硅氧烷的組合，具有以下添加劑:
[0170]-十八烷基二甲基(3-三甲氧基硅丙基)氯化銨，
[0171]-殼聚糖
[0172]激光
[0173]頻率至少350Hz[0174]功率至少450MJ
[0175]等離子體
[0176]載體氣體氮氣、氬氣、氦氣......80%
[0177]反應氣體C02 或 N2......2-20%
[0178]流量10-20升/min壓力:略高于1巴
[0179]功率0.5-1KW
[0180]已經(jīng)相對于有限數(shù)量的實施例描述了本發(fā)明，但是這些不應被解釋為對本發(fā)明的范圍的限制，而是作為一些實施例的示例。本領域技術人員可以設想其它可能的變化、改變、以及實施，其根據(jù)本公開所闡述也應視為在本發(fā)明的范圍內(nèi)且可以被要求保護。
【權利要求】
1.一種用于處理基材(102、402、404)的方法，包括:在處理區(qū)域(124)中生成等離子體，所述處理區(qū)域包括兩個間隔開的電極(el/e2;212/214 ；412/414 ；452/454)；將至少一個不同于第一能量源的第二能量源引導進入等離子體以與等離子體相互作用獲得混合等離子體；以及使所述混合等離子體與在處理區(qū)域(124)中的基材相互作用。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中:所述第一能量源包括高電壓交流電(AC);并且所述第二能量源包括來自激光的輻射。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中，所述激光與等離子體相互作用，并且還直接作用于被處理的材料。
4.根據(jù)權利要求2或3所述的方法，其中，所述激光具有下述特征中的至少一個:所述激光包括準分子激光；所述激光在紫外線(UV)波長范圍內(nèi)工作；所述激光以至少25瓦的輸出功率工作。
5.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中: 所述等離子體包括大氣壓(AP)等離子體。
6.根據(jù)前述任一權利要求所述的方法，還包括:在處理基材之前，將前體材料(323，437)分配(122，322，422)到基材上。
7.根據(jù)前述任一權利要求所述的方法，還包括:在處理基材之后，將精加工材料(327，439)分配(126，326，426)的到基材上。
8.根據(jù)前述任一權利要求所述的方法，其中:所述等離子體包括高電壓(HV)大氣壓(AP)等離子體。
9.根據(jù)前述任一權利要求所述的方法，其中:所述電極(el/e2)包括輥(212/214 ;412/414)。
10.根據(jù)前述任一權利要求所述的方法，其中，所述基材是一種材料。
11.根據(jù)前述任一權利要求所述的方法，其中，所述基材是一種合成織物材料。
12.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中，所述合成織物材料是聚酯。
13.根據(jù)權利要求1至10中任一項所述的方法，其中，所述基材是有機材料。
14.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中，所述有機材料是從棉和羊毛選出的至少一種。
15.用于處理材料的裝置(100、400A、400B、400C、400D、400E、400F、400G)，包括:兩個間隔開的電極(el/e2 ;212/214 ;412/414)，用于在處理區(qū)域(124)產(chǎn)生等離子體；一個或多個激光器(130)，用于將對應的一個或多個光束(132)引導到處理區(qū)域中，以與等離子體和被處理材料中的至少一個相互作用。
16.根據(jù)權利要求15所述的裝置，其中，所述兩個間隔開的電極(el/e2)包括第一輥和第二輥(412/414)，并且還包括:(圖4A，4B，4F)第三輥和第四輥(416/418)，其設置在所述第一輥和第二輥附近，并在第一輥、第二輥、第三輥和第四輥(412，414，416，418)的外表面之間形成半氣密的腔(440)，用于限定所述處理區(qū)域(124)和用于包含等離子體。
17.根據(jù)權利要求16所述的裝置，其中:(圖4F)第三輥和第四輥(436、438)中的至少一個包括金屬外層(437，439)。
18.根據(jù)權利要求15至17中任一項所述的裝置，其中，所述兩個間隔開的電極(el/e2)包括第一輥和第二輥(412/414)，并且還包括:(圖4C)屏蔽件(420)，其圍繞所述第一輥和第二輥(412，414)設置以限定腔(440)。
19.根據(jù)權利要求15至18中任一項所述的裝置，還包括以下部件中的至少一個:(圖4D，4E)噴嘴(322、422)，其用于輸送液態(tài)、固態(tài)或霧化形式的前體材料；以及(圖3)噴嘴(326)，其用于將精加工材料(327)分配到被處理的材料上。
20.根據(jù)權利要求15至19中任一項所述的裝置，其中:(圖4G)所述兩個間隔開的電極(el/e2)包括第一板和第二板(452,454)。
21.根據(jù)權利要求15至20中任一項所述的裝置的用途，其用于處理織物基材。
22.根據(jù)權利要求21所述的用途，其中，所述織物基材是合成織物材料。
23.根據(jù)權利要求22所述的用途，其中，所述合成織物材料是聚酯。
24.根據(jù)權利要求21所述的用途，其中，所述基材是有機材料。
25.根據(jù)權利要求24所述的用途，其中，所述有機材料是從棉和羊毛中選出的至少一`種。
26.通過根據(jù)權利要求1至14中任一項所述的方法得到的織物材料。
27.生成用于材料處理的等離子體的方法:包括:組合從高電壓、等離子、激光、UV燈和脈沖微波電子回旋共振(ECR)中選出的至少兩種不同的能量源。
28.根據(jù)權利要求27所述的方法，其中:所述至少兩種不同的能量源之一生成大氣壓(AP)等離子體。
29.根據(jù)權利要求27所述的方法，其中:一個能量源是等離子體；以及另一能量源是被引導到等離子體中的激光束。
30.根據(jù)權利要求27或28所述的方法，其中:所述激光束被引導到被處理的材料上。
31.根據(jù)權利要求27至30中任一項所述的方法，其中:所述等離子體由等離子體噴嘴提供。
【文檔編號】D06M10/00GK103635624SQ201280032253
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2012年6月28日 優(yōu)先權日:2011年6月28日
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