專利名稱：一種常壓等離子帶鋼鍍膜工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及帶鋼表面處理技術(shù)，特別涉及一種常壓等離子帶鋼鍍膜工藝。
背景技術(shù)：
具有良好表面性能的鋼板是汽車、建筑和家電行業(yè)的關(guān)鍵材料。 現(xiàn)有的帶鋼鍍膜技術(shù)主要包括熱鍍鋅、電鍍鋅、電鍍錫、彩涂等鍍膜 工藝。通常還包括化學(xué)前處理和磷化、鈍化、耐指紋鍍膜等前后處理工序。 近些年來，市場對具有較好表面性能鋼板的需求不斷增長，同時，用
戶對涂鍍層產(chǎn)品的性能要求也越高越高。用戶希望涂鍍層產(chǎn)品不僅能滿足 耐腐蝕、環(huán)保相容性、優(yōu)良的可加工性和表面光學(xué)性能，還能具有裝飾性、 抗涂寫性、易清潔、耐磨損、耐指紋、隔音、抗劃痕等性能；用戶要求涂 鍍層越來越薄，綜合性能越來越好。
真空鍍膜作為表面改性和鍍膜工藝，已經(jīng)在電子、玻璃、塑料等行業(yè) 得到了廣泛的應(yīng)用。真空鍍膜技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)在于其環(huán)保、良好的薄膜性能 和可鍍物質(zhì)的多樣性。作為帶鋼鍍膜的環(huán)保、多功能工藝，己經(jīng)進(jìn)行了很 多研發(fā)。但是這些工藝都需要在一定的真空鍍膜進(jìn)行。為了達(dá)到所需的真 空度，尤其是對于鋼巻大規(guī)模生產(chǎn)所用的空對空方式，需要7 — 8級的多 級密封裝置，設(shè)備復(fù)雜， 一次性投資費(fèi)用高，生產(chǎn)維護(hù)成本昂貴。因此， 帶鋼真空鍍膜技術(shù)之后的下一個發(fā)展方向是常壓等離子鍍膜技術(shù)。
隨著壓力的提高，電子的平均自由程縮短，薄膜的質(zhì)量受到了影響。 盡管如此，常壓等離于鍍膜技術(shù)是對鋼鐵行業(yè)大規(guī)模鍍膜生產(chǎn)很有前景的 技術(shù)，同時與傳統(tǒng)的熱鍍、電鍍相比，其薄膜質(zhì)量也可以達(dá)到令人滿意的 程度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種常壓下等離子帶鋼鍍膜的工藝，整個工藝
過程環(huán)保，可以實(shí)現(xiàn)多種鍍膜產(chǎn)品；與帶鋼真空鍍膜相比，工藝過程簡單， 投資低。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是，
一種常壓等離子帶鋼鍍膜工藝，基板巻開巻后進(jìn)入常壓等離子鍍膜單 元；采用兩個電極，其中高壓電極位于鋼板的上方，用阻擋層覆蓋；運(yùn)行 的基板位于高壓電極下方，基板接地或位于接地電極的上方，通過絕緣物 質(zhì)阻隔；通過載氣通入有機(jī)前驅(qū)體，氣體流量大于0.01sccm;以及反應(yīng)性 氣體，流量大于lsccm，在兩個電極間加上交流電或直流電，頻率在 200Hz-20KHz之間；介電層或者絕緣層阻擋了電流，產(chǎn)生介電放電；介質(zhì) 阻擋放電產(chǎn)生等離子，鋼板在通過等離子區(qū)域時，進(jìn)行鍍膜；基板運(yùn)行速 率在2~200米/分之間。
所述的基板為冷軋鋼巻、鍍鋅板巻、不銹鋼巻或有機(jī)預(yù)涂鋼巻。 又，電極采用的交流電壓的頻率在200Hz到20kHz范圍內(nèi)可調(diào)。
所述的阻擋層可以選用石英、Al203或陶瓷材料。
所述的介質(zhì)阻擋放電為處于輝光放電、湯森放電或低溫等離子三種狀 態(tài)；優(yōu)選地，介質(zhì)阻擋放電保持在湯森放電范圍內(nèi)。
所述的反應(yīng)性氣體采用氦氣、氮?dú)?、氬氣或氧氣。其中反?yīng)性氣體的 通入量由該氣體抑制亞穩(wěn)態(tài)的能力決定。
所述的有機(jī)前驅(qū)體為HMDSO、 HMDS、 SiH4中的一種。
又，本發(fā)明所述的有機(jī)前驅(qū)體通過預(yù)熱，經(jīng)載氣運(yùn)送到鍍膜系統(tǒng)，發(fā) 生反應(yīng)。
本發(fā)明工藝中鍍膜后，進(jìn)行加熱或冷卻。
常壓下，冷放電通常由很多的半徑在IOO微米級別的微放電組成，很 容易成弧。電流密度被限制到一定范圍內(nèi)，才能產(chǎn)生等離子。介電阻擋放 電是常壓下最容易實(shí)現(xiàn)等離子的方法，其放電性質(zhì)可以使輝光放電、湯森 放電、等離子放電等形式。通常通過兩個電極間的氣體層及其中間的固體 電介質(zhì)層來實(shí)現(xiàn)。固體電介質(zhì)可以被當(dāng)作氣體間隙連接的電容。
可以通過采用兩種方法來防止常壓下產(chǎn)生微放電1)氣體預(yù)放電， 允許同時發(fā)生很多大的雪崩，導(dǎo)致形成大面積放電區(qū)域。2)離子和亞穩(wěn) 態(tài)原子、分子轟擊形成的陰極二次放電導(dǎo)致的湯森放電。只有湯森放電可
以產(chǎn)生輝光放電。
形成均勻大面積介質(zhì)阻擋放電(DBD放電、Dielectric barrier discharge)
的方法和條件已經(jīng)比較清楚，同時很容易擴(kuò)大化。在特定條件下，DBD可 以覆蓋鋼板幾米寬度，連續(xù)運(yùn)行。
在常壓下，反應(yīng)性氣體通過主要載氣通入等離子環(huán)境，形成薄膜。這 些氣體可以是氦氣、氬氣、或氮?dú)猓脕肀ＷC均勻的放電。氣體的不同影 響了放電物理，尤其是均勻DBD放電物理。常壓輝光放電(APGD)通常 使用惰性氣體，使用氮?dú)鈦韺?shí)現(xiàn)湯森放電(APTD) 。 APGD和APTD的 電極相同，但是最大離子化率明顯不同，前者為10—8，后者為10—"。同 時，在氬氣(10l3/cm3)或氮?dú)?013/cm3)中的放電脈沖持續(xù)的時間和亞穩(wěn) 態(tài)原子或分子的密度也不相同，因此分布的電能取決于用來穩(wěn)定放電的載 氣。頻率為10kHz時，氦氣中分布的平均電能為0.1W/cm2，氮?dú)庵袨?5W/cm2。在氦氣中，通過增加工作頻率可以提高放電中的等離子比例， 但是與氦氣相比，氮?dú)獾某杀疽秃芏唷?br> 通過選擇不同的載氣、可以實(shí)現(xiàn)不同的DBD放電；通過選用不同的 前驅(qū)體，可以實(shí)現(xiàn)不同的鍍膜。
本發(fā)明提出采用常壓等離子工藝進(jìn)行帶鋼鍍膜。基板材料可以是冷軋 鋼巻、鍍鋅板巻、不銹鋼巻、及有機(jī)預(yù)涂鋼巻等。
鋼巻開巻后進(jìn)入常壓等離子鍍膜單元；通過載體和有機(jī)前驅(qū)體，通過 介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生等離子，鋼板在通過等離子區(qū)域時，進(jìn)行鍍膜；實(shí)現(xiàn)在 碳鋼(包括鍍鋅板)巻、不銹鋼巻、有機(jī)預(yù)涂層鋼巻上實(shí)現(xiàn)環(huán)保、多功能 鍍膜。
DBD介質(zhì)阻擋放電在兩個電極間加上交流電，介電層或者絕緣層阻擋 了電流，就會產(chǎn)生介電放電。為了提高鍍膜速率，可以采用多組電極，每 組兩個電極。其中高壓電極位于鋼板的上方，用阻擋層覆蓋；運(yùn)行的帶鋼 位于高壓電極下方，與高壓電極的間距可以調(diào)整、優(yōu)化；帶鋼接地，同時 也可以位于接地電極的上方，通過絕緣物質(zhì)阻隔。
阻擋層可以選用石英、Al203或陶瓷材料。
電極采用的交流電壓的頻率在200Hz到20kHz范圍內(nèi)可調(diào)。DBD可 以處于輝光放電、湯森放電或低溫等離子三種狀態(tài)。最好使其放電保持在湯森放電范圍內(nèi)。
放電氣體可以采用氦氣和氮?dú)?，最好是氮?dú)猓煌瑫r還可以通入氧氣等
反應(yīng)性氣體，其中反應(yīng)性氣體的通入量由該氣體抑制亞穩(wěn)態(tài)的能力決定。
為了實(shí)現(xiàn)鍍膜，需要通入一些前驅(qū)體，HMDSO， HMDS、 SiH4等；這些 前驅(qū)體可以通過預(yù)熱單元，經(jīng)載氣運(yùn)送到鍍膜系統(tǒng)，發(fā)生反應(yīng)。
該工藝實(shí)現(xiàn)過程中基板的平均的氣體溫升在幾度之間，尤其適用于處 理一些對溫度敏感的基板。通過控制過程工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)均勻、高速的表 面鍍膜。
為進(jìn)一步提高鍍膜的性能，可以在鍍膜單元后，進(jìn)行加熱或冷卻。 基板(巻)的運(yùn)行速率在2到200米/分之間。 本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)環(huán)保的生產(chǎn)工藝，整個生產(chǎn)過程中沒有廢水、廢酸、 廢堿的排放；整條線可以實(shí)現(xiàn)真空鍍膜所能實(shí)現(xiàn)的Si02、Ti02等鍍膜產(chǎn)品、 但是不需要真空單元，投資、運(yùn)行成本低。
本發(fā)明的涉及的產(chǎn)品可以包括TiOx、 SiOx等，可以作為單獨(dú)的鍍膜 產(chǎn)品或者磷化、鈍化的替代工藝。這些產(chǎn)品的應(yīng)用主要有汽車、家電、建 筑、光伏、化學(xué)等行業(yè)。


圖1為本發(fā)明一實(shí)施例的示意圖； 圖2為本發(fā)明另一實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施例方式
參見圖1，本發(fā)明常壓等離子帶鋼鍍膜工藝的一實(shí)施例，用于單面鍍 膜處理。
鋼巻開巻后進(jìn)入常壓等離子鍍膜單元2;采用多組電極3，每組兩個
電極；其中高壓電極31位于帶鋼1的上方，用介電阻擋層4覆蓋；運(yùn)行 的帶鋼1位于高壓電極31下方；帶鋼l位于接地電極32的上方，通過絕 緣物質(zhì)6阻隔；在兩個電極間加上交(直)流電，介電層阻擋了電流，產(chǎn) 生介電放電；通過載氣通入有機(jī)前驅(qū)體以及反應(yīng)性氣體5，氮?dú)?、或氬氣?br> 或氦氣、或氧氣，流量大于lsccm，在兩個電極間加上交流電或直流電， 頻率在200Hz-20KHz之間；介電層或者絕緣層阻擋了電流，產(chǎn)生介電放電；
介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生等離子，鋼板在通過等離子區(qū)域時，進(jìn)行鍍膜。
再請參見圖2，其為本發(fā)明工藝的第二實(shí)施例，其用于雙面鍍膜處理。
鋼巻開巻后進(jìn)入常壓等離子鍍膜單元2;采用多組電極3，每組兩個
電極；其中高壓電極31位于帶鋼1的上方，用介電阻擋層4覆蓋；運(yùn)行 的帶鋼1位于高壓電極31下方；在兩個'電極間加上交(直)流電，介電 層阻擋了電流，產(chǎn)生介電放電；通過載氣通入有機(jī)前驅(qū)體以及反應(yīng)性氣體 5，通過介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生等離子，帶鋼1在通過等離子區(qū)域時，進(jìn)行鍍膜。
實(shí)施例1
用氮?dú)庾鳛檩d氣、HMDSO作為前驅(qū)體產(chǎn)生湯森放電實(shí)現(xiàn)帶鋼鍍Si02。 在本實(shí)施例中，選用氮?dú)庾鳛檩d氣，DBD產(chǎn)生湯森放電，對冷軋鋼巻
鍍Si02薄膜。
在DBD段，在常壓下，通入20sccm氮?dú)猓琀MDSO的含量在20ppm， 保證[N20]/[HMDSO]的比例在24左右，以實(shí)現(xiàn)Si02薄膜。 電壓的頻率為6kHz，其放電密度在0.1 2W/cn^之間。 冷軋板以20米/分通過，可實(shí)現(xiàn)50 100nmSiO2的鍍膜產(chǎn)品。 冷軋板的寬度在300mm范圍內(nèi)時，薄膜厚度波動在3%以內(nèi)。其薄膜 結(jié)構(gòu)如圖1所示，可見其沉積出的為Si02薄膜。
實(shí)施例2
用氮?dú)庾鳛檩d氣、SiH4作為前驅(qū)體產(chǎn)生湯森放電實(shí)現(xiàn)帶鋼鍍Si02。 在本實(shí)施例中，選用氮?dú)庾鳛檩d氣，DBD產(chǎn)生湯森放電，對冷軋鋼巻
鍍Si02薄膜。
在DBD段，在常壓下，以5 sccm的速度通入氮?dú)?，SiH4的含量保持 在5ppm， 02的含量保持在15ppm。
電壓的頻率選擇1 10kHz范圍內(nèi)，其放電密度在3.4W/cn^之間。距 鋼板的范圍在1 2mm范圍內(nèi)可調(diào)。
冷軋板以10米/分通過，可實(shí)現(xiàn)50 100nmSiO2的鍍膜產(chǎn)品。 冷軋板的寬度在300mm范圍內(nèi)時，薄膜厚度波動在5%以內(nèi)。XPS分
析結(jié)果表面其表面是Si02結(jié)構(gòu)，折射系數(shù)在1.15 1.4范圍內(nèi)。隨著鋼板速
度的減少，其Si02的純度在不斷提高，最高到98%。
實(shí)施例3
用氮?dú)庾鳛檩d氣、TiO[CH3COCH=C(0-)CH3]2作為前驅(qū)體產(chǎn)生湯森放 電實(shí)現(xiàn)不銹鋼巻鍍Ti02。
在本實(shí)施例中，選用氮?dú)庾鳛檩d氣，TiO[CH3COCH=C(0-)CH3]2作為 前驅(qū)體產(chǎn)生湯森放電，對不銹鋼巻鍍7102薄膜。
在DBD段，在常壓下，以5sccm的速度通入氮?dú)?，氧氣的含量?0 %， TiO[CH3COCH^C(0-)CH3]2的流量保持在0.02 lmol/l之間。
電壓的頻率選擇100kHz，距鋼板的范圍為lmm。
如果不銹鋼板預(yù)熱到200 300度，以10米/分通過，可實(shí)現(xiàn)20 50nm Ti02的鍍膜產(chǎn)品。鍍膜中氧元素的含量與通入氣體中氧氣的含量成正比。 隨著預(yù)熱溫度的升高，鍍層中的Ti一OH的含量逐漸減少。如果采用退火 后處理可以使沉積的T i O 2結(jié)構(gòu)向銳鈦礦結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化。
權(quán)利要求
1. 一種常壓等離子帶鋼鍍膜工藝，基板卷開卷后進(jìn)入常壓等離子鍍膜單元；采用兩個電極，其中高壓電極位于鋼板的上方，用阻擋層覆蓋；運(yùn)行的基板位于高壓電極下方，基板接地或位于接地電極的上方，通過絕緣物質(zhì)阻隔；通過載氣通入有機(jī)前驅(qū)體，氣體流量大于0.01sccm；以及反應(yīng)性氣體，流量大于1sccm；在兩個電極間加上交流電或直流電，頻率在200Hz-20KHz之間；介電層或者絕緣層阻擋了電流，產(chǎn)生介電放電；介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生等離子，基板在通過等離子區(qū)域時，進(jìn)行鍍膜，基板運(yùn)行速率在2～200米/分之間。
2. 如權(quán)利要求1所述的常壓等離子帶鋼鍍膜工藝，其特征是，所述的基 板為冷軋鋼巻、鍍鋅板巻、不銹鋼巻或有機(jī)預(yù)涂鋼巻。
3. 如權(quán)利要求1所述的常壓等離子帶鋼鍍膜工藝，其特征是，采用多組 電極，每組兩個電極。
4. 如權(quán)利要求1所述的常壓等離子帶鋼鍍膜工藝，其特征是，電極采用 的交流電壓的頻率在200Hz到20kHz范圍內(nèi)可調(diào)。
5. 如權(quán)利要求1所述的常壓等離子帶鋼鍍膜工藝，其特征是，所述的阻 擋層選用石英或A1203或陶瓷材料。
6. 如權(quán)利要求1所述的常壓等離子帶鋼鍍膜工藝，其特征是，所述的介 質(zhì)阻擋放電為處于輝光放電、湯森放電或低溫等離子三種狀態(tài)。
7. 如權(quán)利要求1所述的常壓等離子帶鋼鍍膜工藝，其特征是，所述的介 質(zhì)阻擋放電保持在湯森放電范圍內(nèi)。
8. 如權(quán)利要求1所述的常壓等離子帶鋼鍍膜工藝，其特征是，所述的反 應(yīng)性氣體采用氦氣、氮?dú)?、氬氣或氧氣?br> 9. 如權(quán)利要求1所述的常壓等離子帶鋼鍍膜工藝，其特征是，所述的有 機(jī)前驅(qū)體為HMDSO、 HMDS、 SiH4中的一種。
10. 如權(quán)利要求1或9所述的常壓等離子帶鋼鍍膜工藝，其特征是，所述 的有機(jī)前驅(qū)體通過預(yù)熱，經(jīng)載氣運(yùn)送到鍍膜系統(tǒng)，發(fā)生反應(yīng)。
11. 如權(quán)利要求1所述的常壓等離子帶鋼鍍膜工藝，其特征是，鍍膜后， 進(jìn)行加熱或冷卻。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種常壓等離子帶鋼鍍膜工藝，基板卷開卷后進(jìn)入常壓等離子鍍膜單元；采用兩個電極，其中高壓電極位于鋼板的上方，用阻擋層覆蓋；運(yùn)行的基板位于高壓電極下方，基板接地或位于接地電極的上方，通過絕緣物質(zhì)阻隔；通過通入有機(jī)前驅(qū)體及其載氣，氣體流量大于0.01sccm以及反應(yīng)性氣體，流量大于1sccm，在兩個電極間加上交流電或直流電，頻率在200Hz-20KHz之間；介電層或者絕緣層阻擋了電流，產(chǎn)生介電放電；介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生等離子，鋼板在通過等離子區(qū)域時，進(jìn)行鍍膜。整個工藝過程環(huán)保，可以實(shí)現(xiàn)多種鍍膜產(chǎn)品；與帶鋼真空鍍膜相比，工藝過程簡單，投資低。
文檔編號C23C16/52GK101376968SQ20071004528
公開日2009年3月4日 申請日期2007年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月27日
發(fā)明者傅建欽, 健 張, 楊曉萍, 楊立紅 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司