專利名稱：用于表面處理的方法和裝置的制作方法
用于表面處理的方法和裝置本發(fā)明涉及利用在大氣壓下所產(chǎn)生的等離子體來進(jìn)行表面處理的裝置和方法。對(duì)于由各種材料制成的物體的表面處理在工業(yè)技術(shù)的許多領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作 用。通過合適的表面處理，尤其是通過對(duì)表面進(jìn)行清潔，可提高在關(guān)于加工性和耐用性方面 的各種特性。表面處理也可改善隨后被施加的涂覆材料與經(jīng)處理的表面的粘著。對(duì)于表面處理，尤其是表面清潔，過去經(jīng)常依賴于濕式化學(xué)法(wet-chemical methods)，在這種濕式化學(xué)法中通常使用有機(jī)溶劑。由于與有機(jī)溶劑相關(guān)的環(huán)境與健康風(fēng) 險(xiǎn)，需要低成本、節(jié)能并且環(huán)境友好的替代方案用于表面處理。使用在大氣壓下所產(chǎn)生的等離子體來進(jìn)行表面處理代表了一種有前途的替代方 案，該方案不需要使用溶劑、粘著力促進(jìn)劑(adhesionpromoter)或其他有害材料，并且適 于各種材料的表面處理，諸如塑料、金屬、陶瓷、玻璃、建筑材料(例如混凝土)或者有機(jī)材 料(例如木材)。在大氣壓下產(chǎn)生等離子體的相關(guān)優(yōu)點(diǎn)在于，與低壓等離子體或者高壓等離 子體相比，不需要用于產(chǎn)生除大氣壓之外的其他壓力水平的反應(yīng)室。大氣壓等離子體在上下文中被最廣義地理解為一種受激的工作氣體，該氣體包括 通過供應(yīng)電能所產(chǎn)生的活性成分(reactivecomponent)，并且所述氣體的壓力基本相應(yīng)于 周圍氣壓或大氣壓力?；钚猿煞挚梢允遣环€(wěn)定的中性成分，諸如例如臭氧、自由基——諸如 游離氧或者受激氧、或者電離原子或分子。大氣壓等離子體將通常包括至少部分電離的工作氣體。為了工作氣體的(部分)電離，必須向工作氣體中引入能量。這可例如通過借助 于高壓脈沖進(jìn)行高壓放電或者通過無線電波或者微波來激發(fā)工作氣體而實(shí)現(xiàn)。之前被描述于文獻(xiàn)中或者可市售的、用于通過在大氣壓下所產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行 表面處理的系統(tǒng)，通常具有高功率消耗、大重量以及大尺寸。此外，它們通常使用的是特殊 的工作氣體，諸如例如氬或者氦，使得處理裝置必須被連接至相應(yīng)的氣體供應(yīng)裝置。因此這 種單元不適于移動(dòng)使用或者僅可在受限范圍內(nèi)使用。與本申請(qǐng)具有共同發(fā)明人的德國專利申請(qǐng)DE-A-10324926描述了一種使用由氣 體在大氣壓下放電所產(chǎn)生的等離子體處理包含活細(xì)胞的生物材料的裝置，其中高壓脈沖被 應(yīng)用在一具有介電涂層的電極和待被處理的材料——用作反電極——之間，導(dǎo)致氣體放電 以介質(zhì)阻擋放電(也稱為DBD)的形式進(jìn)行。由于低功率消耗，該申請(qǐng)中所述的單元可被實(shí) 現(xiàn)為電池運(yùn)行的手持式單元。然而，從DE-A-10324926中已知的裝置的缺點(diǎn)在于，待被處理 的材料用作反電極，導(dǎo)致利用這種裝置被處理的材料受到特定限制，因?yàn)槔缢霾牧媳?須具有一定傳導(dǎo)性。由于已知裝置的電極的幾何形狀相對(duì)大、尤其是不均質(zhì)，其中等離子體 產(chǎn)生在一桿狀電極和待被處理的材料之間，所以表面區(qū)域不能被均勻處理。與本申請(qǐng)具有共同發(fā)明人的德國專利申請(qǐng)DE-A-10116502描述了通過在大氣壓 下所產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行表面處理的又一裝置，其中待被處理的材料不用作反電極。相反， 在該申請(qǐng)中所述的裝置具有一電極和反電極，在二者之間，以等離子體射流的形式從噴嘴 中排出的等離子體是借助于介質(zhì)阻擋放電而產(chǎn)生的。該已知裝置的氣體導(dǎo)管包括電絕緣材 料的成型體，電極和反電極附接至該成型體。然而，DE-A-10116502的裝置的氣體導(dǎo)管的管
4狀幾何形狀不允許均勻放電，導(dǎo)致不利于處理相對(duì)大的表面面積，諸如接縫表面。本發(fā)明基于如下技術(shù)問題，即提供一種質(zhì)量輕、緊湊且節(jié)能的、利用在大氣壓下所 產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行表面處理的裝置，使得所述裝置可被尤其形成為電源獨(dú)立的手持式單 元，并且同時(shí)允許較長的使用壽命。同時(shí)，本發(fā)明意在使快速且均勻地處理大表面面積成為 可能。本技術(shù)問題通過根據(jù)本發(fā)明的獨(dú)立權(quán)利要求的裝置而被解決。本發(fā)明的有利發(fā) 展是從屬權(quán)利要求的主題。本發(fā)明相應(yīng)地涉及一種使用在大氣壓下所產(chǎn)生的等離子體進(jìn) 行表面處理的裝置，該裝置具有用于產(chǎn)生等離子體射流的等離子體噴嘴，該等離子體噴 嘴包括一個(gè)噴嘴開口和相對(duì)于該等離子體射流自該噴嘴開口射出方向、布置在該噴嘴開 口上游的至少一個(gè)電極和反電極對(duì)，所述電極對(duì)的有效電極表面各自具有一介電涂層， 電極和反電極在二者之間限定一個(gè)工作空間，在該工作空間中，工作氣體可借助于介質(zhì) 阻擋氣體放電而被至少部分電離化；高壓發(fā)生器，其電連接至電極和反電極對(duì)；供給器具 (feedingmeans)，其使來自于工作氣源的工作氣體的氣流流入工作空間并穿過噴嘴開口， 所述工作氣源是周圍空氣；以及電源獨(dú)立的能源，其用于向所述高壓發(fā)生器和供給器具供電。根據(jù)本發(fā)明的裝置具有許多相關(guān)優(yōu)點(diǎn)。使用介質(zhì)阻擋放電用于產(chǎn)生所述等離子體，使得可在大氣壓下使用僅數(shù)瓦的低電 功率來開始?xì)怏w放電。因此，不需要使用高壓電源單元來運(yùn)行根據(jù)本發(fā)明的裝置，相反，用 于開始并維持氣體放電的交流電壓可僅通過使用來自于市售的電池或蓄電池的電能而產(chǎn) 生。根據(jù)本發(fā)明，周圍空氣用作工作氣體，導(dǎo)致不需要?dú)怏w連接或外部氣源。根據(jù)本發(fā)明的裝置包括供給器具，其用于吸入周圍空氣并將周圍空氣輸送到工作 空間，其中所述空氣至少部分被電離化，并用于將該電離化的空氣作為等離子體射流從等 離子體噴嘴的噴嘴開口中排出。各種類型的泵和壓縮機(jī)適合用作供給器具。尤其優(yōu)選的是 具有小尺寸和低功率消耗的泵和壓縮機(jī)，諸如例如隔膜泵。用于產(chǎn)生等離子體的高壓發(fā)生器和用于產(chǎn)生等離子體射流的供給器具的二者的 低功率消耗，使得可以使用電源獨(dú)立的能源。還令人驚奇發(fā)現(xiàn)，在許多應(yīng)用情況下，具有根據(jù)本發(fā)明的裝置的表面處理使得不 需要執(zhí)行任何進(jìn)一步的表面處理。根據(jù)一優(yōu)選方案，所述電極和反電極被形成為相互平行布置的平面電極板。平 面平行的電極布置導(dǎo)致狹縫形狀的排出開口。這有助于相對(duì)大表面的均勻處理。根據(jù)第 一實(shí)施方案，所述裝置包括一對(duì)電極。然而，在其他實(shí)施方案中，也可使多對(duì)電極并聯(lián)或 串聯(lián)布置以確保等離子體射流的較大出口截面。為了增加等離子體射流的出口截面，也 可在電極對(duì)之間布置一個(gè)或多個(gè)介電材料的板，所述板與電極對(duì)平行并且通過介電隔片 (dielectric spacer)與其隔幵。所述介電涂層可包括各種材料。優(yōu)選的是在所使用的電壓幅度下防止擊穿的材 料，諸如例如氧化鋁或氮化硼的陶瓷材料、石英玻璃或金剛石。如果使用所述材料，介電涂 層的層厚度位于毫米范圍內(nèi)，例如在0. 5到2mm的范圍內(nèi)。在涂覆電極和涂覆反電極之間的凈距離有利地位于從0. 1mm到10mm的范圍內(nèi)，優(yōu)選在從0. 5mm到2mm的范圍內(nèi)，尤其優(yōu)選是大約0. 6mm。所述電極和所述反電極在與氣體流動(dòng)的方向相垂直方向上的寬度優(yōu)選是相等的， 并位于例如從5到100mm的范圍內(nèi)，優(yōu)選在從10到50mm的范圍內(nèi)，尤其優(yōu)選是大約20mm。 所述電極橫向相關(guān)于在這種情況下的氣體流動(dòng)方向的寬度基本相等于狹縫形狀噴嘴開口 的寬度。根據(jù)本發(fā)明的裝置的一優(yōu)選實(shí)施方案，高壓發(fā)生器產(chǎn)生反對(duì)稱的高壓脈沖，所 述脈沖以相反極性同時(shí)位于電極和反電極處。由于電極和反電極的機(jī)械對(duì)稱構(gòu)造，以 及在電極處的反對(duì)稱電壓分布(voltag印rofile)，流出的等離子體實(shí)質(zhì)上是無電位的 (potential-free)。從而，不經(jīng)意與等離子體氣流相接觸——例如，通過手指——的用戶， 不會(huì)遭受到電擊。因此，根據(jù)本發(fā)明的裝置可被容易且安全地操縱。還確保了所述表面的 處理效果不依賴于待被處理的表面的導(dǎo)電性。等離子體射流優(yōu)選具有從30到60°C范圍內(nèi)的溫度。如果將要處理熱敏性基材的 話，則所列溫度范圍的下端附近的溫度是尤其優(yōu)選的。在所列溫度范圍的上端，實(shí)現(xiàn)的又一 優(yōu)點(diǎn)在于，可能出現(xiàn)的臭氧已被再次破壞，導(dǎo)致不需要提供額外的器具用于通過抽吸來吸 取臭氧，使得用戶的健康不受到不利影響。在任何情況下，在優(yōu)選溫度范圍內(nèi)，即使根據(jù)本 發(fā)明的裝置被不當(dāng)操作，也不存在使用戶燒傷或者受傷的可能性。等離子體射流的溫度優(yōu) 選是借助于氣體速度或者氣體通流量(throughflow)和/或輸入的電能被控制的。這些參 數(shù)可以是固定的或者允許它們本身被用戶改變。高壓發(fā)生器優(yōu)選產(chǎn)生具有如下幅度的高壓脈沖，所述幅度在從1到20kV的范圍 內(nèi)，優(yōu)選在從5到15kV的范圍內(nèi)。脈沖重復(fù)頻率優(yōu)選位于從1到50kHz的范圍內(nèi)，尤其優(yōu) 選在10到25kHz的范圍。優(yōu)選地，產(chǎn)生具有小于1 P s的脈沖持續(xù)時(shí)間的高壓脈沖，尤其有 利地以雙極脈沖的形式。用于開始并維持氣體放電所需的功率位于一瓦或數(shù)瓦的范圍內(nèi)。供給器具——例 如隔膜泵——用于產(chǎn)生所述氣流的功率消耗僅是數(shù)瓦。因此總計(jì)，高壓發(fā)生器和供給器具 的功率消耗至多是20W，優(yōu)選至多是10W。從而，一個(gè)或多個(gè)電池或者一個(gè)或多個(gè)蓄電池可 被用作電源獨(dú)立的能源。通常市售的蓄電池——諸如也被用在例如在DIY部門中通用的電 池供電的螺絲起子——具有大約20瓦時(shí)的一般容量。由于高壓發(fā)生器和供給器具的總計(jì) 電功率一共為10W，因此這種蓄電池允許不間斷使用長達(dá)約2小時(shí)。根據(jù)本發(fā)明的裝置的一有利實(shí)施方案，從噴嘴開口中射出的等離子體射流包含至 少一種標(biāo)記物質(zhì)。在本文本中，標(biāo)記物質(zhì)或“示蹤劑(tracer)”被理解為在表面的等離子 體處理過程中被沉積在經(jīng)處理表面上并且可稍后被檢測(cè)到的物質(zhì)，從而接下來可確認(rèn)特定 表面區(qū)域是否已使用等離子體射流被處理。這在安全至關(guān)重要的應(yīng)用情況下是尤其受關(guān) 注，以便在損壞的情況下，檢測(cè)相應(yīng)表面的等離子體預(yù)處理是否已被執(zhí)行。標(biāo)記物質(zhì)或“跟 蹤劑”以非常低的濃度存在，導(dǎo)致即使仍可由檢測(cè)的相應(yīng)方法檢測(cè)到的最少量的相應(yīng)跟蹤 劑原子或分子位于經(jīng)處理表面上，也足以證明已進(jìn)行的等離子體處理。也可基于在經(jīng)處理 表面上的示蹤劑的濃度，確認(rèn)是否保持了足夠的處理時(shí)間。標(biāo)記物質(zhì)或“示蹤劑”可以是氣 體或易揮發(fā)液體，其經(jīng)由進(jìn)氣連接器被吸入等離子體噴嘴中并在此處以等離子體射流被排 出。所述標(biāo)記物質(zhì)優(yōu)選被布置在與根據(jù)本發(fā)明的裝置集成在一起的存儲(chǔ)器中，可在存儲(chǔ)器 和等離子體噴嘴之間建立連通連接。在許多情況下，當(dāng)?shù)入x子體噴嘴中的等離子體射流被
6排出時(shí)所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)負(fù)壓，足以將標(biāo)記物質(zhì)從存儲(chǔ)器中吸出進(jìn)入到等離子體噴嘴中。然而， 存儲(chǔ)器也可設(shè)有一集成的供給泵。或者，用于產(chǎn)生工作氣體的氣體流動(dòng)的供給器具也可被 用于在存儲(chǔ)器中產(chǎn)生小的正壓力，以幫助將標(biāo)記物質(zhì)排出到等離子體噴嘴中。在這種情況 下，所述示蹤劑優(yōu)選在電極板之間產(chǎn)生等離子體之后被引入到等離子體射流中?？稍趯?duì)經(jīng) 處理表面區(qū)域的等離子體處理之前即刻、與等離子體處理同時(shí)或者在等離子體處理之后即 刻被應(yīng)用、并在之后被檢測(cè)到的所有物質(zhì)都適合用作示蹤劑。優(yōu)選地，示蹤劑將與等離子體 射流一起被應(yīng)用，由于僅能通過這種方式明確地檢測(cè)是否已進(jìn)行了等離子體處理。所述示 蹤劑可能已采取了氣體形式或者初始地采用了固體或液體形式，其然后被蒸發(fā)。在最后兩 種情況下，所述示蹤劑可通過熔融、蒸發(fā)、升華、霧化或類似方法將示蹤劑引入等離子體射 流中。合適的示蹤劑是，例如，氟聚合物、諸如SiCl4的氯硅烷，其可通過例如質(zhì)譜分析被檢 測(cè)到、或者熒光染料，其可通過例如使用UV光激發(fā)而被光學(xué)檢測(cè)到。尤其優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的裝置被形成為集成的便攜式手持單元，該單元包括等 離子體噴嘴、高壓發(fā)生器、用于產(chǎn)生工作氣體的氣體流動(dòng)的供給器具以及電源獨(dú)立的能源。 該手持式單元可采用類似于槍的一般形式，諸如例如從市售的電池供電的螺絲起子所公知 的。為此目的，該手持式單元優(yōu)選具有手柄，該手柄同時(shí)用作電源獨(dú)立的能源(即是說，例 如電池和/或蓄電池)的容器。等離子體噴嘴可被布置在該手持式單元的固定或可旋轉(zhuǎn)布 置的頭部中。本發(fā)明還涉及用于表面處理的方法，其可供根據(jù)本發(fā)明的裝置用于由周圍空氣產(chǎn) 生定向的等離子體射流，并且使至少一個(gè)部件的表面被等離子體射流處理。根據(jù)本發(fā)明的裝置和根據(jù)本發(fā)明的方法尤其優(yōu)選適于處理具有如下基材的表面， 諸如混凝土、砂漿、灰泥、石膏、石頭、陶石器、瓦片、鋼、其他金屬及合金(經(jīng)潤滑的和未經(jīng) 潤滑的)、木材、紙張、皮革、玻璃、普列克斯玻璃(Plexiglass)及類似塑膠玻璃、碳纖維和 碳纖維復(fù)合材料；塑料，例如聚砜、熱塑性烯烴(TP0)、聚氨基甲酸酯(PU)和熱塑性聚氨 基甲酸酯彈性體(tpu)，例如用于模制部件、Bakelite 、聚碳酸酯(PC)、聚酯(pes)、聚 對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚對(duì)苯二甲酸丁二酯(PBT)、丙烯腈-丁二烯橡膠(NBR)、苯 乙烯-丁二烯橡膠(SBR)、氯丁二烯橡膠(CR)、丁二烯橡膠(BR)、乙烯-丙烯-二烯橡膠 (EPDM)、聚縮醛、聚酰胺、聚丙烯腈、氨基塑料、膨脹或未膨脹的聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚乙 烯、聚丙烯、三聚氰胺樹脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、諸如聚四氟乙烯的氟聚合物、 丙烯酸脂、硅酮樹脂涂料、硅酮彈性體、膨脹或未膨脹的聚氨酯涂料、合成環(huán)氧樹脂化合物、 聚硫化物、丙烯酸樹脂涂料、混合涂料系統(tǒng)(諸如改性硅烷聚合物(MS聚合物)、硅烷化聚氨 基甲酸酯或聚脲硅酸酯)、清漆、漆或油漆涂料或紡織品。由根據(jù)本發(fā)明的裝置進(jìn)行等離子體處理的表面可被涂覆以例如各種材料。為了涂 覆由根據(jù)本發(fā)明的裝置和根據(jù)本發(fā)明的方法所處理的表面，硅酮樹脂化合物、聚氨酯化合 物、多硫化物、丙烯酸樹脂化合物、基于丁基的密封劑和粘合劑、合成環(huán)氧樹脂化合物以及 混合涂料系統(tǒng)——諸如MS聚合物、硅烷化聚氨酯、聚脲硅酸酯——可被用作例如粘合劑和 密封劑、用作膨脹接縫或服務(wù)接縫的接合化合物，或者用作表面涂層。對(duì)于配有等離子體的 (plasma-fitted)表面的涂覆而言，也可使用泡沫體，優(yōu)選是聚氨酯或聚苯乙烯泡沫體。根 據(jù)本發(fā)明的裝置也可被以如下方式設(shè)計(jì)，使得用于應(yīng)用的噴槍或類似單元被集成在該裝置 中，從而基材表面的處理和密封劑或粘合化合物的應(yīng)用可在一個(gè)操作中同時(shí)或近似同時(shí)進(jìn)行。根據(jù)本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施方案，相接合的兩個(gè)或更多個(gè)部分的表面——所述 表面將被相互連接——被使用等離子體射流處理。在使用等離子體射流處理之后，通過使 用粘合劑或密封劑可在相接合的部分之間產(chǎn)生整體粘結(jié)。所述接合的部分可由相同材料或 不同材料制成。合適的材料和材料組合物、以及合適的密封劑和粘合劑的實(shí)例已被如上示
出o根據(jù)本發(fā)明的方法尤其適于在建筑工地上使用，以處理結(jié)構(gòu)元件的表面。由于其 緊湊的尺寸和作為手持式單元的靈活、極其機(jī)動(dòng)的操縱——所述手持式單元不需要連接至 外部能源或者外部氣源，根據(jù)本發(fā)明的裝置尤其適于處理不容易接近和/或復(fù)雜的表面。 尤其優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的方法因而涉及對(duì)兩個(gè)結(jié)構(gòu)元件之間形成的接縫表面的處理。尤 其優(yōu)選地，本發(fā)明涉及在接縫被密封材料密封之前，對(duì)接縫表面的預(yù)處理。在對(duì)接縫表面的處理中，根據(jù)本發(fā)明的裝置和根據(jù)本發(fā)明的方法具有以下優(yōu)點(diǎn) 在基材上不必須具有反電極，以及根據(jù)本發(fā)明的裝置可被使用而無需進(jìn)一步修改各種幾何 形狀的接縫。根據(jù)本發(fā)明的裝置和根據(jù)本發(fā)明的方法適于不同材料配對(duì)的接縫的表面處 理，例如用于在混凝土和鋼材、陶瓷和塑料、以及塑料和諸如例如鋁的金屬的結(jié)構(gòu)元件之間 的接縫。根據(jù)本發(fā)明的方法和根據(jù)本發(fā)明的裝置適于建筑部門并適于新的構(gòu)造，例如在正 面區(qū)域中，用于處理建筑物中的隔離接縫；在公共廁所和浴室部分中，例如用于處理淋浴隔 間的接縫；在與水相關(guān)的部分中，例如用于處理游泳池中的接縫；或者在建筑構(gòu)造中用于 處理接縫，單在相應(yīng)區(qū)域中亦可用于修復(fù)工作。修復(fù)工作尤其涉及如下問題，即，在應(yīng)用任 何新的接縫密封劑之前，應(yīng)將所述接縫的舊密封材料的殘余物清除。這是因?yàn)?，這種殘余物 對(duì)新密封劑材料和基材的結(jié)合具有不利影響。在這種情況下，即使使用底漆也不會(huì)對(duì)粘合 有任何改進(jìn)。因此，直到現(xiàn)在，接縫表面仍需使用特殊工具——例如，金剛石刀具——被費(fèi) 力地去除，并相應(yīng)地使用砂漿再整修輪廓。這需要花費(fèi)大量時(shí)間和成本。利用根據(jù)本發(fā)明 的等離子體處理的方法，即使在建筑物修復(fù)的區(qū)域中，也可免除對(duì)接縫的費(fèi)力的機(jī)械處理。 出人意料發(fā)現(xiàn)的是，在使用借助于根據(jù)本發(fā)明的裝置所產(chǎn)生的等離子體射流進(jìn)行表面處理 之后，新密封材料可以以良好的粘合特性被應(yīng)用。因此，根據(jù)本發(fā)明的用于表面處理的方法 關(guān)聯(lián)著巨大的成本節(jié)約。而且，根據(jù)本發(fā)明的方法具有可以免除底漆和其他化學(xué)助粘劑的 優(yōu)點(diǎn)。利用根據(jù)本發(fā)明的裝置和根據(jù)本發(fā)明的方法，通過與等離子體射流的受激氣體的氧 化反應(yīng)，基材表面能以一種保護(hù)性、非破壞性方式被改性或活化具有親水效果，這尤其確保 具有水性涂層系統(tǒng)的基材表面更好地濕潤。使用冷等離子體進(jìn)行處理產(chǎn)生了親水且活化的 基材表面，這提高了在粘合劑或密封化合物與基材表面之間的粘合。根據(jù)本發(fā)明的方法從 而也尤其適合于被諸如油、蠟、油脂或溶劑殘余物的有機(jī)物質(zhì)，或者諸如硅酮樹脂的無機(jī)物 質(zhì)所污染的表面，因?yàn)檫@些污染物的大部分可通過使用冷等離子體進(jìn)行的處理而被破壞。除了上述已提及的建筑應(yīng)用外，根據(jù)本發(fā)明的方法和根據(jù)本發(fā)明的裝置具有各種 各樣的工業(yè)應(yīng)用，諸如例如用于設(shè)備制造、機(jī)械工程、電氣工程，諸如用于集裝箱構(gòu)造的運(yùn) 輸部門、紡織工業(yè)、復(fù)合材料工業(yè)以及能量行業(yè)中的表面處理。參照在附圖中所描述的示例實(shí)施方案，本發(fā)明在下文被更加詳細(xì)地解釋，在所述 附圖中


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置的示意性側(cè)視圖，該裝置被形成為一便攜的手持式 單元；圖2示出了借助于介質(zhì)阻擋放電用于產(chǎn)生等離子體的電極布置的示意性構(gòu)造；圖3示出了位于電極和反電極處的高壓脈沖的電壓分布；圖4示出了用于在電極和反電極處產(chǎn)生相反的電壓脈沖的高壓變壓器的布線；圖5示出了被應(yīng)用至一個(gè)新的打磨過的混凝土表面的密封化合物的應(yīng)力_伸長率 圖；以及圖6示出了被應(yīng)用至一個(gè)沾污有舊的密封化合物的混凝土表面的密封化合物的 應(yīng)力-伸長率圖。在圖1中，描述了根據(jù)本發(fā)明的手持式等離子體射流裝置，其總體通過參考數(shù)字 10表示。該手持式等離子體射流裝置10具有手柄11，在手柄11的下面可拆卸地緊固著一 蓄電池12。一細(xì)長的殼體13——其被布置在手柄11上方——具有用于產(chǎn)生等離子體所需 的部件?？諝猹M縫14形成在殼體13的后部區(qū)域中，通過該空氣狹縫，隔膜泵15吸入周圍 空氣并將空氣基本軸向地輸送通過殼體13。布置在隔膜泵15下游的是等離子體噴嘴16， 該等離子體噴嘴終止于一噴嘴開口 17，等離子體射流18從該噴嘴開口射出。位于等離子 體噴嘴中的用于將由隔膜泵15供至其的氣體電離化的電極布置被更加詳細(xì)地描繪于圖2 中。在等離子體噴嘴16和隔膜泵15之間布置有一高壓變壓器19，該高壓變壓器電連接至 一高壓發(fā)生器20。手持式等離子體射流單元10借助于一開關(guān)21被致動(dòng)，該開關(guān)被布置于 手柄11上。附加氣體——例如包含有標(biāo)記或示蹤劑的氣體——可經(jīng)由進(jìn)氣連接器22和吸 入管線23被吸入到等離子體噴嘴16中，并與等離子體射流18 —起被噴射到待被處理的表 面上。最后，形成在兩個(gè)結(jié)構(gòu)元件25、26之間的接縫24被示意性描述在圖1中。該接縫24 的表面被根據(jù)本發(fā)明的手持式等離子體射流單元10處理。在圖2中，示意性示出了在等離子體噴嘴16中的電極布置的構(gòu)造。電極布置包括 由電極27和反電極28所構(gòu)成的一對(duì)電極。所述電極27、28被形成為平面平行板。電極27 的活性表面以及電極28的活性表面各被涂覆以電介質(zhì)29和30。由隔膜泵15(參見圖1) 所產(chǎn)生的空氣流在圖2中通過朝向噴嘴開17定向(參見圖1)的箭頭31被示意性示出。如 電壓符號(hào)32、33所示，電壓U1位于電極29處，電壓U2位于反電極28處。位于電極和反電極處的兩極高壓脈沖的電壓分布(voltag印rofile)被示出在圖 3中。如可觀察到的，在電極處的電壓分布是反對(duì)稱的，S卩，在電極27處的正壓脈沖，在反電 極28處具有相應(yīng)相等且相反的負(fù)電壓脈沖，反之亦然。在電極27和反電極28之間限定有 一工作容積34，在該工作容積中，通過施加電壓脈沖，流過其中的空氣借助于介質(zhì)阻擋放電 而被至少部分電離化，并且最終如圖1中所示，以等離子體射流18的形式從手持式等離子 體射流單元10中射出。在圖4中，示意性示出了圖1的高壓變壓器19的布線。高壓發(fā)生器20從蓄電池 12吸收必需的能量用于產(chǎn)生反對(duì)稱的高壓脈沖。反對(duì)稱高壓脈沖的幅度最高達(dá)士 15kV。脈 沖重復(fù)頻率——一般位于在10kHz到25kHz之間的范圍——和幅度是可變的，并且可通過 高壓發(fā)生器被控制。為了產(chǎn)生高壓脈沖，儲(chǔ)能電容器35被充電至在30V到280V之間的設(shè) 定電壓值。在儲(chǔ)能電容器35中存儲(chǔ)的電荷或者在儲(chǔ)能電容器兩端的電壓決定了高壓脈沖 的幅度。當(dāng)達(dá)到預(yù)定電壓時(shí)，存能電容器經(jīng)由兩個(gè)高壓變壓器39、40中的初級(jí)繞組37、38
9由一固態(tài)開關(guān)36放電。電流中的快速變化感生一電壓脈沖。根據(jù)在第一高壓變壓器39的 初級(jí)繞組37和次級(jí)繞組41之間的繞組比率、以及在第二高壓變壓器40的初級(jí)繞組38和 次級(jí)繞組42之間的繞組比率，該電壓脈沖在高壓變壓器的次級(jí)側(cè)上逐步升高。高壓變壓器 39和40同時(shí)供應(yīng)具有相同絕對(duì)幅度但是相反極性的電壓脈沖，這些電壓脈沖接下來位于 電極27和反電極28處?，F(xiàn)在將基于比較實(shí)施例更加詳細(xì)地描述本發(fā)明。實(shí)例1 在新混凝土模板部件上的密封劑的粘著和伸長性狀密封化合物PCI Silcoferm S(PCI Augsburg GmbH)的粘著和伸長性狀是借助于 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN ISO 9047的應(yīng)力-伸長率測(cè)量方法而被確定的。為此，將寬度為12mm、長度為50mm且層厚度為12mm的密封化合物條帶分別應(yīng)用至 一個(gè)新的混凝土模板部分的未處理的拉毛混凝土表面以及一個(gè)被根據(jù)本發(fā)明的手持式等 離子體射流單元處理過的這種拉毛混凝土表面。所述手持式等離子體射流單元相應(yīng)于圖1中所示的類型。為了產(chǎn)生等離子體射 流，借助于集成泵產(chǎn)生具有約51/min通流率(throughflow rate)的空氣流并且將其引導(dǎo) 通過一對(duì)電極板(具有200mm2表面積的銅板，所述銅板各自被涂覆0. 6mm厚度的A1203層作 為電介質(zhì))。在所涂覆的電極板之間的凈距離是0.4mm。通過施加10kv的電壓，空氣被部 分電離。以這種方式所產(chǎn)生的等離子體射流從一噴嘴中射出，該噴嘴具有長20mm、寬0.4mm 的矩形截面的排出開口。從噴嘴開口到混凝土表面的距離是大約2mm，使得由于流出的等離 子體射流的低散度，在混凝土表面上的射流的有效截面基本相應(yīng)于噴嘴的截面面積。等離 子體射流被以大約19mm/s的速率在待被處理的混凝土表面上手動(dòng)地移動(dòng)。在等離子體處 理之后即刻，將密封化合物以上述方式應(yīng)用至未處理的表面和經(jīng)處理的表面。在應(yīng)用密封化合物之后四周，通過靜力拉伸試驗(yàn)(static tensiletesting)來測(cè) 量應(yīng)力-伸長率曲線。這涉及l(fā)Omm/min的速率持續(xù)將試樣拉開直到出現(xiàn)破裂。結(jié)果被示出在圖5中。曲線A示出了未處理表面的結(jié)果。曲線B示出了由根據(jù)本 發(fā)明的手持式等離子體射流單元所處理的表面的結(jié)果?？梢钥闯?，該等離子體處理導(dǎo)致粘 合特性的顯著提高，由于在經(jīng)處理表面上的密封化合物僅當(dāng)其遭受約170%的伸長率時(shí)才 會(huì)被撕裂(與在未處理表面情況下的約80%相比較)。實(shí)例2 在來自舊建筑修復(fù)的混凝土模板部件上的密封劑的粘著和伸長性狀實(shí)例1中的試驗(yàn)被以相同試驗(yàn)參數(shù)對(duì)于來自舊建筑修復(fù)的混凝土模板部件實(shí)施。 通過使用一切削刀具去除舊密封材料，首先將新密封化合物待被應(yīng)用其上的表面粗略地清 潔。然而，在此之后，所述表面仍具有舊密封化合物的殘余物。密封化合物接下來被應(yīng)用至 一僅被機(jī)械處理的表面區(qū)域，以及一被根據(jù)本發(fā)明的手持式等離子體射流單元所處理的表 面區(qū)域。除了未處理表面和經(jīng)處理表面，也研究了使用手持式等離子體射流單元進(jìn)行處理 的持續(xù)時(shí)間的影響。為此目的，該手持式等離子體射流單元以19mm/s的速率在表面區(qū)域上 移動(dòng)，該速率相應(yīng)于實(shí)例1中的速率，而另一表面區(qū)域被以9mm/s的速率處理，該速率相應(yīng) 于持續(xù)約兩倍長時(shí)間的處理。四周后，再次測(cè)量應(yīng)力伸長曲線。結(jié)果被示出在圖6中?？梢钥闯鰞H被粗略地機(jī) 械清潔的表面(曲線C)呈現(xiàn)出非常差的伸長性狀，導(dǎo)致在應(yīng)用密封化合物之前對(duì)表面進(jìn)行 更加費(fèi)力的清潔和預(yù)處理是不可避免的。實(shí)際上，該舊表面通常是使用諸如金剛石刀具的特殊工具被去除的。以19mm/s的速率被等離子體處理的表面(曲線D)呈現(xiàn)出比較而言更 優(yōu)的粘合特性。通過允許等離子體射流在表面上作用一定程度更長的時(shí)間，例如借助于該 手持式等離子體單元沿該表面的較慢運(yùn)動(dòng)(這里大約是9mm/s 曲線E)，可再次實(shí)現(xiàn)比得上 實(shí)施例1的新的拉毛的混凝土表面的密封化合物的粘合特性。
權(quán)利要求
用于使用在大氣壓下所產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行表面處理的裝置，其具有用于產(chǎn)生等離子體射流(18)的等離子體噴嘴(16)，其包括一個(gè)噴嘴開口(17)和布置在該噴嘴開口上游的至少一個(gè)電極和反電極對(duì)(27，28)，所述電極對(duì)的有效電極表面各自具有一介電涂層(29，30)，所述電極(27)和反電極(28)在二者之間限定一個(gè)工作空間(34)，在該工作空間中，工作氣體可借助于介質(zhì)阻擋氣體放電而被至少部分電離化；高壓發(fā)生器(19，20)，其電連接至所述電極和反電極對(duì)(27，28)；供給器具(15)，其使來自于工作氣源的所述工作氣體的氣流流入所述工作空間(34)并穿過所述噴嘴開口(17)，所述工作氣源是周圍空氣；以及電源獨(dú)立的能源(12)，其用于向所述高壓發(fā)生器(19，20)和供給器具(19)供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述電極(27)和反電極(28)被形成為相 互平行布置的平面電極板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于所述介電涂層(29，30)包括從 如下組中選擇的材料，該組包括諸如氧化鋁或氮化硼的陶瓷材料、石英玻璃以及金剛石。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于在所述電極(27)和反電極 (28)之間的凈距離位于從0. 1mm到10mm的范圍內(nèi)，優(yōu)選在從0. 5mm到2mm的范圍內(nèi)，尤其 優(yōu)選在大約0. 6mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于所述電極(27)和所述反電極 (28)在與氣流方向相垂直方向上的寬度位于從5到100mm的范圍內(nèi)，優(yōu)選在從10到50mm 范圍內(nèi)，尤其優(yōu)選是大約20mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于所述高壓發(fā)生器(19，20)產(chǎn)生 反對(duì)稱高壓脈沖，所述反對(duì)稱高壓脈沖以相反極性同時(shí)位于電極(27)和反電極(28)處。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于所述高壓脈沖的脈沖持續(xù)時(shí)間小于1P s。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于所述高壓發(fā)生器(19，20)產(chǎn) 生如下高壓脈沖，其具有在從1到20kV、優(yōu)選地從5到15kV的范圍內(nèi)的振幅，具有從1到 50kHz、優(yōu)選地從10到25kHz范圍內(nèi)的脈沖重復(fù)頻率。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于所述高壓發(fā)生器(19，20)和所 述供給器具(15) 二者的功率消耗至多是20W，優(yōu)選至多是10W。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于所述電源獨(dú)立的能源(12)包 括一個(gè)或多個(gè)電池和/或一個(gè)或多個(gè)蓄電池。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于所述從噴嘴開口(17)中射出 的等離子體射流(12)包含至少一種標(biāo)記物質(zhì)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于所述標(biāo)記物質(zhì)從集成于該裝置中的存儲(chǔ) 器被吸入到所述等離子體噴嘴中。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-12中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于所述裝置被形成為一集成的 便攜式手持單元。
14.用于表面處理的方法，根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置用于從周圍空氣中 產(chǎn)生等離子體射流，并且用于使用該等離子體射流來處理至少一個(gè)部件的表面。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，使用所述等離子體射流對(duì)正接合的兩個(gè)或更多個(gè)部 件的、待相互連接的表面進(jìn)行處理。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，在使用所述等離子體射流進(jìn)行處理之后，通過使用 粘合劑或密封劑在正接合的所述部件之間產(chǎn)生整體粘結(jié)。
17.根據(jù)權(quán)利要求14-16中任一項(xiàng)所述的方法，待被處理的表面是在兩個(gè)結(jié)構(gòu)元件 (25，26)之間形成的接縫(14)的表面。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，在所述表面處理之后，所述接縫(24)使用密封材料 被密封。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于使用在大氣壓下所產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行表面處理的裝置和方法。根據(jù)本發(fā)明的裝置被形成為一便攜的手持式單元，其具有用于產(chǎn)生等離子體射流(18)的等離子體噴嘴(16)，該噴嘴包括一個(gè)噴嘴開口(17)和布置在該噴嘴開口上游的至少一個(gè)電極和反電極對(duì)(27，28)，所述電極對(duì)的有效電極表面各自具有一介電涂層(29，30)，所述電極(27)和反電極(28)在二者之間限定一個(gè)工作空間(34)，在該工作空間中，工作氣體可借助于介質(zhì)阻擋氣體放電而被至少部分電離化；高壓發(fā)生器(19，20)，其電連接至所述電極和反電極對(duì)(27，28)；供給器具(15)，其使來自于工作氣源的工作氣體的氣流流入所述工作空間(34)并穿過所述噴嘴開口(17)，所述工作氣源是周圍空氣；以及電源獨(dú)立的能源(12)，其用于向所述高壓發(fā)生器(19，20)和供給器具(19)供電。
文檔編號(hào)H05H1/24GK101897240SQ200880119904
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2008年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月10日
發(fā)明者H·馬克, M·艾伯納, M·萊克, T·奧斯特曼, W·威爾 申請(qǐng)人:建筑研究和技術(shù)有限公司