CN1370329A - 用直流电等离子聚合在金属表面连续形成聚合物的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用直流电等离子聚合形成聚合物的设备,其特征在于,在基材上通电使其作为一个电极,在沉积室中的相反电极位于待沉积基材的两个表面上方。另外,通过将主体与通电的基材间绝缘,本发明能够获得在聚合期间的安全性。

Description

用直流电等离子聚合在金属表面连续形成聚合物的设备

发明领域

本发明涉及用直流电等离子聚合在金属表面连续形成聚合物的设备，更具体地说，是涉及用于处理金属表面的设备，从而通过基材的表面改性或形成新薄膜材料达到最大限度地使用基材。

技术背景

一般地，当使用等离子体放电处理基材，例如金属板的表面时，形成一层具有优良的硬度、耐磨性等的涂层。具有这种涂层的产品被用作磁盘、光盘、硬质合金工具等等。另外，当在钢板的表面所形成的涂层薄膜是等离子聚合时，钢板硬化并具有优异的耐用性和耐腐蚀性。

同时，当可能通过等离子聚合连续形成聚合物时，将提高聚合产品的生产率。对于绝缘材料，包括树脂、织布、非织造织物等带型基材，通过等离子聚合连续形成聚合物比较容易，并且已经设计了很多设备(日本专利58-120859，61-21105和2-103206)。

但是，如果使用高频放电等离子聚合用作基材的带型金属并使其保持在非接地电位，连续形成聚合物就存在问题。其中的原因是，由于金属材料具有导电性，放电电压不但要施加到电极，也要施加到金属基材和与金属基材接触的金属零件。这样，如果使用高频放电等离子聚合金属基材并使其保持在非接地电位，由于金属的导电性将发生不正常的放电并因此污染设备。另外，由于不稳定的放电，金属基材聚合的表面上的涂层易于粉化或剥落，导致涂层退化，产品等级降低。

另一方面，也可能在保持接地电位的同时通过等离子聚合连续形成聚合物。即，在保持带型金属材料为接地电位时使其等离子聚合并连续地输送它。但是，如果保持接地电位，就难以得到沉积层的特性，如耐磨性，而在非接地电位的等离子聚合基材上能够得到这些特性。

在日本特许公报6-136506中，公开了一种通过等离子聚合形成聚合物的设备。在此设备中，在保持上述非接地电位的同时通过抑制不正常放电和不稳定放电，等离子聚合带型基材。此设备能在预定的气压下产生等离子放电，并因此仅在电极上施加放电电压。

此设备包括：输送室10，其中配置了一套退卷辊11和卷取辊12、一对张紧辊13和14和支撑口15；沉积室20，基材在其中沉积；辊形电极21和与辊形电极相对的相反电极22；绝缘隔板30，装在输送室和沉积室之间；两个差动口31和32，位于隔板上，用于维持输送室和沉积室之间的压力差；真空泵17和18，用于控制输送室和沉积室的气压；气体注入口23，用于把原材料气体注入到沉积室；和排出口16和24，与输送室和沉积室连接。

将待等离子聚合的基材1从输送室10的退卷辊11，通过一侧的差动口31输送到沉积室20。接着，输送到辊形电极21，通过相反电极22的附近，此后，通过另一侧的差动口32输送到输送室10中的卷取辊12。在上述设备中，在带型基材从输送室输送到沉积室，通过高频放电进行等离子聚合，再输送回输送室的过程中，沉积室的气氛是辉光放电气氛，输送室的气氛是非辉光放电气氛，其压力低于沉积室的压力。

根据放电的类型，等离子放电易于在预定的气压下产生。例如，等离子聚合一般易于在10^-3～10乇气压下产生。超过此范围，难以产生辉光放电。这样，既使带型导电金属材料已经完成聚合，仍优选将输送室与沉积室相互分开，通过差动口维持每个区域在不同的气压，沉积室的气压为10^-3～10乇，输送室的气压在上述范围之外，从而在沉积室中产生辉光放电，而在输送室中难以产生辉光放电，因此抑制了不正常的放电。

因此，不是在整个基材上都产生放电，而是如上所述通过使沉积室内的气压与输送室的气压产生差别而仅在沉积室中产生放电。通过这种方式，在维持带型金属基材在非接地电位方面，能防止除电极部分之外的金属材料的意外放电，从而形成优良薄膜材料的涂层。

但是，在此设备中，辊形电极作为放电电极，弯曲的相对电极作为相反电极，二者安装在沉积室中，通过高频放电在其中产生等离子反应，待沉积基材的一个表面与辊形电极接触。在这种情况下，基材的两个表面位于实际发生的等离子反应的辊形电极和相反电极之间，沉积仅出现在与相反电极相对的表面上，因此，为了在另一表面沉积，就需要再次进行等离子处理，这是不方便的。

另外，在根据传统工艺通过等离子聚合形成聚合物的设备中，由于使用高频电源实现放电，(+)、(-)电源交替施加到作为电极的基材上。此时，如果基材处于负电压的辉光放电气氛，则不论相反电极处于什么位置都易于在整个基材上产生放电。其原因在于，当电子从低电位部分发射时开始放电。

此外，在根据传统工艺通过等离子聚合形成聚合物的设备中，为了仅在相反电极位置处产生放电，在输送室和沉积室之间设置了差动口，输送室和沉积室的气氛相互间有差别，即，输送室处于非接地放电气氛中。在这种情况下，为了防止在整个基材上产生放电，必须增加闭合两室之间缝隙的装置。为了使每个室处于设定压力的真空下，就需要额外的真空泵。因此，增加了需要组装的零件数量，从而提高了设备的单价。

而且，沉积室中的电极具有预定的面积。在这种情况下，在电极面积的周围部分发生反应气体的碳化，从而沉积不均匀，因此降低等离子聚合产品的均匀性。

发明的描述

为了解决上述问题并高效地获得高质量的等离子聚合薄膜，提供了通过等离子聚合形成聚合物的设备。本发明的一个目的是，通过使主体与通电的基材间绝缘，在聚合期间获得安全性。

本发明的另一目的是提供通过直流电等离子聚合连续形成聚合物的设备，直流电等离子聚合可以通过仅在相反电极部分内产生放电沉积高质量薄膜，而不需要通过差动口闭合室之间的缝隙，可以使基材的两个表面在相同条件下同时进行等离子聚合。

为实现以上目的，本发明提供了通过直流电等离子聚合连续形成聚合物的设备，包括：输送室，其中具有用于退卷待表面处理的基材并将之输送到其它室中的退卷辊，还有用于卷取表面处理后的基材的卷取辊；沉积室，通过直流放电等离子体等离子聚合基材表面，其中使用基材作为一个电极，并安装另外的、与基材相对的相反电极；与基材电气连接的高压电源装置，将高压加到基材上；绝缘部件，用于电气绝缘高压电源装置和基材与设备主体间的电流通道；泵装置，用于维持沉积室的真空度；供气部件，用于将反应气体和非反应气体注入到沉积室。

沉积室中的基材通电时能作为电极，即，阳极或阴极。在优选的实施方案中，按下面的方式接入电源：基材作为阳极，相反电极作为阴极。

输送室可以包括退卷室和卷取室，退卷室中具有用于退卷待表面处理的基材并将之输送到其它室的退卷辊，卷取室中具有用于卷取表面处理过的基材的卷取辊。

在输送室和沉积室之间有开口，通过它待表面处理的基材或表面处理过的基材能自由移动。

在本发明中，高压电源装置的电输送到基材上。优选地，通过将电接到退卷辊或卷取辊，使基材作为一个电极。在这种情况下，在退卷辊或卷取辊与室中支撑退卷辊或卷取辊的位置之间设置绝缘部件。另外，通过在输送室中把电连接到张紧辊上，与张紧辊接触的基材能作为一个电极。

此外，在本发明的设备中，在沉积室中的基材的上下两侧都可以安装多个电极，沿着待表面处理基材的输送方向排列。

并且，可以在沉积室和卷取辊之间通入非反应气体，也可以包括一个后处理室，用于在聚合的基材上进行后聚合。

通过下文的描述，本发明的其它优点、目的和特征将更加清楚。

附图的简要描述

参考附图将能更好地理解本发明。附图仅是为了说明本发明，因而本发明不限于此，其中：

图1是现有技术中通过等离子聚合连续形成聚合物的设备的剖面示意图；

图2是根据本发明的第一个实施方案，通过直流电等离子聚合连续形成聚合物的设备的剖面示意图；

图3是根据本发明的第二个实施方案，通过直流电等离子聚合连续形成聚合物的设备的剖面示意图；

图4是根据本发明的另一个实施方案，通过直流电等离子聚合连续形成聚合物的设备的剖面示意图，其中在图3所示设备基材的两个表面都安装两个电极；

图5A是在输送室中与张紧辊接触的基材的俯视图；

图5B是表示将电源加到输送室中的辊上的方法的示意图；

图5C是支撑张紧辊的轴支撑部件的剖面图；

图6是输送室中的退卷辊(或卷取辊)的俯视图。

实施优选实施例的方式

下面，参考附图详细描述本发明优选的实施例。

图2表示根据本发明的第一个实施方案，通过直流电等离子聚合连续形成聚合物的一个设备。该设备包括：退卷辊11，用于将基材1退卷并将之输送到沉积室；卷取辊12，用于卷取聚合后的基材；沉积室20，基材在其中聚合；电极22，它安装在沉积室内；室壁34，位于输送室和沉积室之间；开口33，位于室壁上，基材能通过它自由移动；真空泵(未示出)，用于控制沉积室的压力；气体注入口23，用于将气体注入沉积室；气体排出口24，它与沉积室相通。通过在退卷辊11上通直流电40，使待聚合的基材1作为阳极；在沉积室中作为阴极的相反电极位于待沉积的基材的两个表面上方。

将直流电40加在退卷辊11上，然后卷在辊11上的带型基材1被输送到沉积室20中，其上施加有直流电。接着，在沉积室中注入反应气体，在基材和相反电极22间产生等离子体，从而在基材的表面上沉积薄膜。

由于基材1作为阳极，而对应的阴极22仅位于沉积室20中，因此放电区域被限制在沉积室中。因此，不需要安装额外的真空泵，用于闭合输送室10和沉积室20之间的缝隙，或者使两个室处于不同的压力。

另外，由于阴极22位于沉积室基材的两个表面上，因此在基材的两个表面上以相同的方式发生放电，相应地，在两个表面上同时完成等离子聚合。

并且，室壁装在输送室10和沉积室20之间，用于自由移动基材的开口位于室壁上。室壁能有效防止在沉积室中产生的污染物(例如碳化的反应气体)扩散到输送室中污染基材，同时使基材在两个室之间平稳地移动。

图3表示根据本发明的第二个实施例的一个设备。该设备包括：退卷室36，其中有用于将基材1退卷并将之输送到沉积室20的退卷辊11；沉积室20，从退卷辊11输送来的基材在其中聚合；卷取室38，其中有卷取辊12，用于卷取在沉积室20中聚合后的基材；阴极22，它安装在沉积室内；室壁34，分别位于退卷室36和沉积室20以及沉积室20和卷取室38之间；开口33，位于室壁上，基材能通过它自由移动；真空泵(未示出)，用于控制沉积室的压力；气体注入口23，用于将气体注入沉积室；气体排出口24，它与沉积室相通。

此实施例中的设备与图2所示的设备的结构相同之处在于，直流电源40加在退卷辊11上，阴极22位于基材1的两个表面上方，基材1通电作为阳极。

但是，此设备与图2所示设备的不同之处在于，退卷辊11位于退卷室中，卷取辊12位于卷取室38中，退卷室、沉积室和卷取室依次连接在一起，因此室壁34也分别装在退卷室和沉积室以及沉积室和卷取室之间。

通过这种排列方式，沉积室中电极和基材间的相对区域能达到最大值。另外，将连续聚合过程中拉伸强度对基材的影响降低到可以平稳地进行聚合的程度。因为退卷室和卷取室是相互分开的，可以更容易地在卷取室中安装另外的设备。并且，也可以以不同的方式控制沉积室和卷取室，从而使基材聚合的生产率达到最大值。

在将电源加到基材上的实施例中，通过将电源加到退卷室的退卷辊上，即使带型基材在聚合过程中被切断，或者基材与退卷辊分离，在沉积室和卷取室中，电源将被自动切断，从而防止对设备的电冲击。

图4是表示根据本发明另一个实施例的设备的剖面示意图，其中电极22a、22b、22c和22d均安装在图3所示的设备基材的两个表面上。在这种电极结构中，可以防止由于主要发生在电极周围的碳化而污染电极，因此形成不均匀的沉积，降低产品的均匀度。在放电区域的均匀碳化能提高产品的可靠性。与图4所示的实施例不同，也可以安装多个电极。另外，上述电极结构能应用到图2所示的设备中。

在图4所示的实施例中，每个电极上都连接着电阻41。这个电阻通过防止每个电极上电流和电压的变化，使稳定地产生等离子体成为可能。

作为另一个把电源加到基材上的方法，将张紧辊连接到电源上。张紧辊位于输送室的退卷辊的后面，保持基材的输送轨迹始终与被输送的基材保持接触，并对基材施加拉力，以使基材不下垂。图5A是表示基材与输送室中的张紧辊51接触的俯视图，图5B表示将电源加到输送室中的张紧辊的方法的示意图。

张紧辊51由轴支撑部件支撑。图5C表示了轴支撑部件的剖面图。轴支撑部件包括：轴承53，张紧辊的轴52插在其中旋转；支座54，轴承装在其中；连接器57，装在支座的一端，与高压电源装置连接；支架56，用于从较低的部分支撑起支座，并把张紧辊上的载荷传递到室的底部；绝缘件55，插在支座和支架之间，将二者电气绝缘。轴支撑部件用于将基材作用在张紧辊上的载荷传递到输送室的底部。通过将电源连接到支座的连接器57上给张紧辊51加电，结果，与张紧辊接触的基材1成为一个电极。因此，轴支撑部件上除去绝缘件之外的每个零件以及张紧辊必须由金属制作。

当基材通电时，退卷辊或卷取辊必须绝缘。绝缘方法的一个实施例表示在图6中。

输送室包括：驱动部件60A，用于在输送室外为退卷辊60B提供旋转的动力；第一驱动轴61，直接与驱动部件连接，用于传递驱动部件的旋转力；第二驱动轴62，与缠绕基材的辊64和第一驱动轴连接；轴支撑部件63a、63b，用于支撑第二驱动轴并把基材作用在第二驱动轴上的载荷传递到输送室；绝缘联轴器66，插在第一驱动轴和第二驱动轴之间，用于绝缘两个驱动轴。第二驱动轴62在与驱动部件60A相反的一侧与室壁80是分离的。驱动部件60A还可以包括电机71和减速器70。参考数字67、68和69分别表示花键、旋转传递通道和链。

轴支撑部件的结构与图5C所示相同，包括：轴承53，第二驱动轴62的末端插入其中旋转；支座54，轴承装在其中；连接器57，装在支座的一端，与高压电源装置连接；支架56，用于从较低的部分支撑起支座，并把第二驱动轴上的载荷传递到室的底部；以及绝缘件55，插在支座和支架之间，将二者电气绝缘。

因此，退卷辊60B的一端是以定距离间隔的，另一端通过绝缘联轴器与驱动部件60A连接，绝缘件55插在轴支撑部件63a和63b中，从而将退卷辊60B与室完全绝缘。这里，解释了关于退卷辊的绝缘方法，该方法也可以相同的方式应用到卷取辊。

同时，如果退卷辊或卷取辊通电，电源连接在装有轴支撑部件的轴承的支座上，退卷辊或卷取辊以与上述方法相同的方式与室间绝缘。

按照本发明，不必通过差动开口和类似的装置闭合室之间的间隙，通过仅在相反电极区域内产生放电能够沉积高质量的薄膜，并且基材的两个表面可以在相同的条件下同时完成等离子聚合，从而提高了产品的生产率。另外，可以通过安装多个电极并在放电区域内在电极上产生均匀碳化达到在基材上沉积均匀的薄膜。并且，通过使用基材作为一个电极，优选作为阳极，能够提高聚合的效果，根据处理条件，可以选择多种给基材通电的方法。因此，本发明提供的通过直流电等离子聚合形成聚合物的设备能以更有效的方式得到高质量的等离子聚合薄膜。

由于可以按照几种形式实施本发明而不会偏离本发明的精神或其实质特征，所以也应该理解的是，上述实施例不受前面描述的任何细节所限制，除非有其它的说明，而应在所附权利要求限定的本发明精神和范围内进行广义地解释。因此，所有落在权利要求的目的和范围内或者这些目的和范围的等同物内的变化和修改，均包括在所附的权利要求内。

Claims (13)

1.一种通过直流电等离子聚合连续形成聚合物的设备，包括：

具有退卷辊和卷取辊的输送室，退卷辊用于退卷待表面处理的基材并将之输送到其它室，卷取辊用于卷取表面处理后的基材；

通过直流放电等离子体等离子聚合基材表面的沉积室，其中使用基材作为一个电极，并相对于基材安装至少一个相反电极；

与基材连接用于为基材提供高压电的高压电源装置；

用于电气绝缘高压电源装置和基材与设备主体间的电流通道的绝缘部件；

维持沉积室真空度的泵装置；以及

用于将反应气体和非反应气体注入沉积室的供气装置。

2.权利要求1所述的设备，其特征在于输送室包括：

退卷室，其中具有用于退卷待表面处理的基材并将之输送到其它室的退卷辊；和

卷取室，其中具有用于卷取表面处理后的基材的卷取辊。

3.权利要求1所述的设备，其特征在于沉积室中的相反电极沿待表面处理的基材的传送方向安装在上、下两侧。

4.权利要求1所述的设备，还包括后处理室，在其中注入非反应气体，以及用于聚合基材的额外聚合。

5.权利要求1所述的设备，其特征在于通过在沉积室中的基材上施加高压电，使其作为阳极；通过在相反电极上通高压电，使其作为阴极。

6.权利要求1所述的设备，其特征在于通过以给退卷辊通电使与退卷辊接触的基材通电的方式使基材和高压电源装置相互电气连接。

7.权利要求1所述的设备，其特征在于绝缘装置安装在室中支撑退卷辊的位置，并包括使退卷辊与室绝缘的绝缘件。

8.权利要求1、6或7所述的设备，其特征在于，为了通过退卷辊为基材供电并使电流通路与设备主体绝缘，输送室包括：在输送室外为退卷辊提供旋转力的驱动部件；直接连接到驱动部件用于传递驱动部件旋转力的第一驱动轴；与缠绕基材的辊和第一驱动轴连接的第二驱动轴；用于支撑第二驱动轴并将第二驱动轴上的基材载荷传递到输送室的轴支撑部件；插在第一驱动轴和第二驱动轴之间用于绝缘两个驱动轴的绝缘联轴器，和

所述轴支撑部件包括：轴承，第二驱动轴插在其中旋转；支座，轴承装在其中；连接器，装在支座的一端并与高压电源装置的电源连接；支架，用于从较低的部分支撑起支座并把第二驱动轴上的载荷传递到室的底部；绝缘件，插在支座和支架之间将二者电气绝缘。

9.权利要求1所述的设备，其特征在于通过以给卷取辊供电使与卷取辊接触的基材通电的方式使基材和高压电源装置相互电气连接。

10.权利要求1所述的设备，其特征在于绝缘装置位于在室中支撑卷取辊的位置，并且还包括用于将卷取辊与室绝缘的绝缘件。

11.权利要求1、9或10所述的设备，其特征在于，为了通过卷取辊为基材供电并使电流通路与设备主体绝缘，输送室包括：在输送室外为退卷辊提供旋转力的驱动部件；直接连接到驱动部件用于传递驱动部件旋转力的第一驱动轴；与缠绕基材的辊连接和通过啮合与第一驱动轴连接的第二驱动轴；用于支撑第二驱动轴并将第二驱动轴上的基材载荷传递到输送室的轴支撑部件；插在第一驱动轴和第二驱动轴之间用于绝缘两个驱动轴的绝缘联轴器，和

所述轴支撑部件包括：轴承，第二驱动轴插在其中旋转；支座，轴承装在其中；连接器，装在支座的一端并与高压电源装置的电源连接；支架，用于从较低的部分支撑起支座并把第二驱动轴上的载荷传递到室的底部；绝缘件，插在支座和支架之间将二者电气绝缘。

12.权利要求1所述的设备，其特征在于以通过给张紧辊供电使与张紧辊接触的基材通电的方式使基材和高压电源装置相互电气连接，其中张紧辊保持基材的输送轨迹始终与被输送的基材保持接触，并对基材施加拉力，以使基材不下垂。

13.权利要求1或12所述的设备，其特征在于，为了通过张紧辊为基材通电并使电流通路与设备主体绝缘，输送室包括：张紧辊；用于将张紧辊上基材的载荷传递到输送室底部的轴支撑部件，和

所述轴支撑部件包括：轴承，张紧辊的末端插在其中旋转；支座，轴承装在其中；连接器，装在支座的一端并与高压电源装置的电源连接；支架，用于从较低的部分支撑起支座并把张紧辊上的载荷传递到室的底部；绝缘件，插在支座和支架之间将二者电气绝缘。

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