采用等離子體射流以及外加力場制備高阻隔薄膜的鍍膜裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型為一種采用等離子體射流以及外加力場制備高阻隔薄膜的鍍膜裝置。通過增設(shè)的靜磁場發(fā)生裝置或/和靜電場發(fā)生裝置以及改進射流槍的等離子體發(fā)生裝置，并調(diào)整了相應(yīng)的方法，制備出一款致密性高，具有阻隔氣體分子性能好的納米級薄膜，本實用新型的優(yōu)點解決了現(xiàn)有真空條件下采用等離子體技術(shù)制備薄膜阻隔層成本高、效率低的不足的同時，提高了鍍膜的致密性，具有阻隔氣體分子性能好、生產(chǎn)效率高、材料成本低、無污染等特點。
【專利說明】
采用等離子體射流以及外加力場制備高阻隔薄膜的鍍膜裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型屬于阻隔薄膜制作技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及采用等離子體射流以及外加力場制備高阻隔薄膜的鍍膜裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]目前用于阻隔包裝領(lǐng)域的阻隔薄膜主要用復(fù)合加工、多層共擠、表面涂布、真空鍍招等方法制備而成，但是這些制備方法都存在工藝復(fù)雜、成本較尚，并且在材料的回收利用及環(huán)保等方面存在缺陷。
[0003]上世紀(jì)八十年代末出現(xiàn)的氧化硅阻隔膜層，既具有阻透阻濕隔氧性能，還具有耐酸堿、耐腐蝕、防劃痕及絕緣性高等特點，在阻隔薄膜領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。目前用于高阻隔領(lǐng)域的氧化硅薄膜制備主要基于真空蒸發(fā)鍍膜或等離子體化學(xué)增強化學(xué)氣相沉積技術(shù)包括射頻、中頻、磁場輔助型等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)，上述氧化硅制備技術(shù)都是在真空條件下實施的，需要價格高昂的真空設(shè)備;此外，這種真空設(shè)備絕大多數(shù)是批量間斷式的生產(chǎn)操作方式，膜卷在真空室里處理完畢后，需要重新?lián)Q卷，涉及到的抽氣、放氣等工序，會降低生產(chǎn)效率。
[0004]申請?zhí)枮?014101400355的專利，公開了一種制備高阻隔薄膜的方法，但是該專利還存在這鍍膜不夠緊密以及鍍膜面積較小、不夠均勻，需要多次調(diào)整射流槍的位置，生產(chǎn)效率較低、材料成本較高、擴大鍍膜的范圍等的缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實用新型的目的在于，提供一種解決現(xiàn)有真空條件下采用等離子體技術(shù)制備薄膜阻隔層成本高、效率低的不足的同時，提高了鍍膜的致密性，具有阻隔氣體分子性能好、生產(chǎn)效率高、材料成本低、無污染等特點的采用等離子體射流以及外加力場制備高阻隔薄膜的鍍膜裝置。
[0006]本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的:它包括等離子體發(fā)生裝置，等離子體發(fā)生裝置為常壓射流式等離子體發(fā)生裝置，常壓射流式等離子體發(fā)生裝置包括射流槍4，安裝在射流槍下方的載物臺5、帶動基材移動的前后傳動軌6以及支撐整套裝置的底座7、與射流槍進口通過管路連通的有機硅單體發(fā)生器8和放電氣體供應(yīng)源9、與有機硅單體發(fā)生器8連通的載氣供應(yīng)源1，工作電源11與射流槍4電聯(lián)，
[0007]在射流槍出口處、射流槍與基材之間設(shè)有靜磁場發(fā)生裝置或/和在射流槍與基材之間的前后設(shè)有靜電場發(fā)生裝置，使得在射流槍與基材之間，等離子體通過的區(qū)間內(nèi)，分布有靜磁場或/和靜電場，所述靜磁場的方向、等離子體噴射方向以及基材的運動方向三者相互垂直，所述的靜電場方向與基材的運動方向相同或相反。
[0008]進一步，所述射流槍4包括筒狀且出口處呈現(xiàn)扁平狀的外殼4-1、與外殼內(nèi)輪廓相仿且安裝外殼內(nèi)腔的高壓電極4-2、夾在高壓電極4-2和筒形外殼4-1之間的絕緣介質(zhì)層4-
3、安裝在高壓電極4-2尾端的絕緣介質(zhì)筒4-4、安裝在外殼4-1尾端與地線相接的射流頭4-5 ；射流槍進口通過管路連通有機硅單體發(fā)生器8，工作電源11與射流槍的高壓電極4-2電聯(lián)，射流槍的射流頭4-5通過導(dǎo)線與大地連接;高壓電極4-2和外殼4-1組成管形腔體，管形腔體的頭端設(shè)有絕緣蓋，絕緣蓋中心設(shè)有出氣口，出氣口與有機硅單體發(fā)生器8通過絕緣進氣管12連通，絕緣進氣管12與交變高壓電極4-2內(nèi)腔連接，放電氣體經(jīng)絕緣進氣管到達中空高壓電極4-2內(nèi)，等離子體與放電氣體從通過絕緣介質(zhì)筒條狀出口噴出，其中絕緣介質(zhì)筒條狀出口內(nèi)側(cè)壁貼合設(shè)有與高壓電極4-2連接的扁平狀套筒4-6，射流頭4-5尾端向下延伸至絕緣介質(zhì)筒4-4尾端條狀出口下方，使得射流頭4-5尾端與高壓電極4-2尾端之間形成交變電場。
[0009]本實用新型工作原理:
[0010]放電氣體經(jīng)質(zhì)量流量控制器通入射流槍內(nèi)，在射流槍內(nèi)與同時由載氣攜帶進入的有機硅單體混合。當(dāng)射流槍內(nèi)高壓電極與接地射流頭的電壓足夠高時，混合氣體將被擊穿形成等離子體并被吹出射流槍。鍍膜基材平放在載物臺上。
[0011]在操作常壓射流式等離子體發(fā)生裝置鍍膜時，載物臺上的基材在傳動軌拉動下可在垂直于射流槍的平面上直線運動，射流槍可以持續(xù)性噴射。在薄膜沉積過程中，先調(diào)節(jié)好射流槍與載物臺的間距，之后開啟靜電場或/靜磁場，由于等離子體發(fā)生裝置最終發(fā)射的等離子體中的各種粒子和基團，被稱為等離子體中的活性粒子，在靜磁場或/和靜電場的作用下，性質(zhì)不同的成分被分離例如正離子和負離子分別向基材的運動方向的正、反方向運動，從而先后附著在基材上，進而提高基材鍍膜的致密性。
[0012]本實用新型方法相比于其他阻隔薄膜制作工藝，
[0013]1、在射流槍出口處、射流槍與基材之間設(shè)有靜磁場發(fā)生裝置或/在射流槍與基材之間的前后設(shè)有靜電場發(fā)生裝置，等離子體經(jīng)射流槍噴出后，受到靜磁場或/和靜電場的作用影響，分離等離子體中、性質(zhì)不同的成分，與空氣中的氧化性氣體反應(yīng)，最后在基材上沉積形成阻隔薄膜。外加電場或磁場使得鍍膜更均勻，提高鍍膜質(zhì)量。
[0014]2、由于增加了磁場或電場，射流槍出口呈長扁平狀，增加了鍍膜的致密性，同時也實現(xiàn)了生產(chǎn)成本低，制備速度快，操作簡便，無需真空設(shè)備，在大氣壓條件下即可完成的優(yōu)點，保留了傳統(tǒng)的鍍膜工藝材料便于回收利用，安全環(huán)保，可廣泛用于食品行業(yè)、醫(yī)藥行業(yè)、真空絕熱板等高阻隔層的制備的優(yōu)勢。
[0015]3、增設(shè)N/S交替磁條Al和N/S交替磁條B2，使得等離子體經(jīng)射流槍噴出前，經(jīng)過磁條Al和磁條B2之間的區(qū)域，增加粒子運動時間，進一步提高等離子化和均勻化，使鍍膜均勻且節(jié)約放電氣體節(jié)約成本。
【附圖說明】
[0016]圖1:為常壓射流式等離子體發(fā)生裝置增加靜磁場狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2:為圖1的左視圖；
[0018]圖3:為常壓射流式等離子體發(fā)生裝置增加靜電場狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖4:為圖3的左視圖；
[0020]圖5:為射流槍結(jié)構(gòu)不意圖；
[0021]圖6:為圖5中I處的放大圖；
[0022]圖7:為N/S交替磁條A與N/S交替磁條B的結(jié)構(gòu)示意圖:
[0023]圖8:為基材鏈I旲后的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0024]標(biāo)號說明:1、磁條A，2、磁條B，3、基材，4、射流頭，5、載物臺，6、前后傳動軌，7、底座，8、有機硅單體發(fā)生器，9、放電氣體供應(yīng)源，10、載氣供應(yīng)源，11、工作電源，12、絕緣進氣管，13、質(zhì)量流量控制器，4-1、筒形外殼，4-2、高壓電極，4-3、絕緣介質(zhì)層，4-4、絕緣介質(zhì)筒，4-5、射流頭，4-6、扁平狀套筒。
【具體實施方式】
[0025]如圖1?6所示:通過等離子體發(fā)生裝置產(chǎn)生的等離子體與放電氣體混合后沉積于基材3上，等離子體發(fā)生裝置為常壓射流式等離子體發(fā)生裝置，通過輸氣管路引入放電氣體，同時有機娃單體由載氣攜帶進入射流槍內(nèi)，與放電氣體混合，在交變高壓電極與接地射流頭之間放電產(chǎn)生等離子體，形成納米級薄膜氣相成分，射流槍由交變高壓電源驅(qū)動，等離子體經(jīng)射流槍射流頭待噴出；
[0026]其中，常壓射流式等離子體發(fā)生裝置包括射流槍4，安裝在射流槍下方的載物臺5、帶動基材移動的前后傳動軌6以及支撐整套裝置的底座7、與射流槍進口通過管路連通的有機硅單體發(fā)生器8和放電氣體供應(yīng)源9、與有機硅單體發(fā)生器8連通靜的載氣供應(yīng)源10，工作電源11與射流槍4電聯(lián)，一般來說這里的載物臺5以及傳動軌均可以調(diào)節(jié)高度。
[0027]在射流槍出口處、射流槍與基材之間設(shè)有靜磁場發(fā)生裝置或/和在射流槍與基材之間的前后設(shè)有靜電場發(fā)生裝置，使得在射流槍與基材之間，等離子體通過的區(qū)間內(nèi)，分布有靜磁場或/和靜電場，所述靜磁場的方向、等離子體噴射方向以及基材的運動方向相互垂直，所述的靜電場方向與基材的運動方向相同或相反;等離子體經(jīng)射流槍噴出后，受到靜磁場或/和靜電場的作用影響，分離等離子體中、性質(zhì)不同的成分，與空氣中的氧化性氣體反應(yīng)，最后在基材上沉積形成阻隔薄膜。外加靜磁場或/和靜電場使得鍍膜更均勻，提高鍍膜質(zhì)量。
[0028]所述射流槍4包括筒狀且出口處呈現(xiàn)扁平狀的外殼4-1、與外殼內(nèi)輪廓相仿且安裝外殼內(nèi)腔的高壓電極4-2、夾在高壓電極4-2和筒形外殼4-1之間的絕緣介質(zhì)層4-3、安裝在高壓電極4-2尾端的絕緣介質(zhì)筒4-4、安裝在外殼4-1尾端與地線相接的射流頭4-5;射流槍進口通過管路連通有機硅單體發(fā)生器8，工作電源11與射流槍的高壓電極4-2電聯(lián)，射流槍的射流頭4-5通過導(dǎo)線與大地連接;高壓電極4-2和外殼4-1組成管形腔體，管形腔體的頭端設(shè)有絕緣蓋，絕緣蓋中心設(shè)有出氣口，出氣口與有機硅單體發(fā)生器8通過絕緣進氣管12連通，絕緣進氣管12與交變高壓電極4-2內(nèi)腔連接，放電氣體經(jīng)絕緣進氣管到達中空高壓電極4-2內(nèi)，等離子體與放電氣體從通過絕緣介質(zhì)筒條狀出口噴出，其中絕緣介質(zhì)筒條狀出口內(nèi)側(cè)壁貼合設(shè)有與高壓電極4-2連接的扁平狀套筒4-6，射流頭4-5尾端向下延伸至絕緣介質(zhì)筒4-4尾端條狀出口下方，使得射流頭4-5尾端與高壓電極4-2尾端之間形成交變電場；
[0029]如圖7所示:在射流頭4-5內(nèi)側(cè)壁面分別設(shè)有N/S交替磁條Al和N/S交替磁條B2，N/S交替磁條A和N/S交替磁條B位于絕緣介質(zhì)筒4-4下方，且N/S交替磁條Al和N/S交替磁條B2任意相對應(yīng)的位置磁場相反;使得等離子體經(jīng)射流槍噴出前，經(jīng)過磁條Al和磁條B2之間的區(qū)域，增加粒子運動時間，進一步提高等離子化和均勻化，使鍍膜均勻且節(jié)約放電氣體節(jié)約成本。
[0030]射流槍出口處設(shè)有調(diào)節(jié)出口大小的調(diào)節(jié)板。這樣可以根據(jù)基材的寬度或需要鍍膜的寬度調(diào)整出口的大小，以適應(yīng)相應(yīng)寬度的基材和需要，提高生產(chǎn)效率還可避免浪費。
[0031]所述射流頭4-5優(yōu)先選用銅或不銹鋼材料制作。提高導(dǎo)電的效果。
[0032]所述放電氣體為氮氣、氬氣、氦氣中的一種或任意兩種或三種的混合氣體。
[0033]所述的有機硅單體為六甲基二硅氧烷、八甲基四硅氧烷或四甲基二硅氧烷中的一種，均為液體狀態(tài)。
[0034]如圖8所示:所述的高阻隔薄膜為由硅氧鍵為骨架的有機硅聚合膜，阻隔薄膜厚度為l-800nm，一般控制在30-45nm;氧氣的透過率小于2ml/V/24h，一般為0.3-0.4ml/m2/24h ；水蒸氣的透過率小于5g/m2/24h，一般為2-4g/m2/24h。
[0035]本實用新型中靜磁場或/和靜電場作用效果的原理在于:
[0036]在交變電場作用下，分子中共價鍵分裂的結(jié)果，使共用電子對變?yōu)橐环剿氄?，則形成離子;若分裂的結(jié)果使共用電子對分屬于兩個原子或基團，則形成自由基，自由基是具有非偶電子的基團或原子。
[0037]在交變電場作用下，產(chǎn)生的等離子體是由正離子、負離子、激發(fā)態(tài)原子或分子、基態(tài)原子或分子和自由基等粒子和基團構(gòu)成的集合體。等離子體中的粒子和基團，被稱為等離子體中的活性粒子，在適當(dāng)?shù)臈l件下，相互之間或者與周圍其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成新的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，改變原有物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)。
[0038]正離子帶正電，負離子帶負電，自由基化學(xué)反應(yīng)活性高、不帶電、具有偶極矩和磁矩，激發(fā)態(tài)原子或分子不帶電、具有偶極矩和磁矩，基態(tài)原子或分子不帶電、具有磁矩。
[0039]在垂直于等離子體射流且與基材運動方向平行的外加電場E作用下，帶電量為正、負q質(zhì)量不同的正、負離子受力正、負qE而具有沿正、負電場E的不同方向和因質(zhì)量不同而數(shù)值不同的加速度和速度;偶極矩P在電場E中受力矩L = P X E而移動和轉(zhuǎn)動，使能量趨于最低狀態(tài)，因質(zhì)量不同而數(shù)值不同的加速度和速度。這些粒子和基團在上述電場E作用下在基材上分散開，形成多層次的薄膜，該薄膜較不外加電場E時致密、更薄，邊緣均勻，如示意圖8所不O
[0040]在垂直于等離子體射流且與基材運動方向垂直的外加磁場B作用下，帶電量為正、負q質(zhì)量不同的正、負離子受力正、負qvXB而做垂直于磁場B的不同方向和因質(zhì)量不同(設(shè)速度V數(shù)值相同)做半徑不同的圓周運動;磁矩m在磁場B中受力矩L=mXB而移動和轉(zhuǎn)動，使能量趨于最低狀態(tài)，因質(zhì)量不同而數(shù)值不同的加速度和速度。這些粒子和基團在上述磁場B作用下在基材上分散開，形成多層次的薄膜，該薄膜較不外加磁場B時致密、更薄，邊緣均勾，如示意圖8所示。
【主權(quán)項】
1.一種采用等離子體射流以及外加力場制備高阻隔薄膜的鍍膜裝置，其特征在于，它包括等離子體發(fā)生裝置，等離子體發(fā)生裝置為常壓射流式等離子體發(fā)生裝置，常壓射流式等離子體發(fā)生裝置包括射流槍(4)，安裝在射流槍下方的載物臺(5)、帶動基材(3)移動的前后傳動軌(6)以及支撐整套裝置的底座(7)、與射流槍進口通過管路連通的有機硅單體發(fā)生器(8)和放電氣體供應(yīng)源(9)、與有機硅單體發(fā)生器(8)連通的載氣供應(yīng)源(10)，工作電源(11)與射流槍(4)電聯(lián)， 其特征在于:在射流槍出口處、射流槍與基材之間設(shè)有靜磁場發(fā)生裝置或/和在射流槍與基材之間的前后設(shè)有靜電場發(fā)生裝置，使得在射流槍與基材之間，等離子體通過的區(qū)間內(nèi)，分布有靜磁場或/和靜電場，所述靜磁場的方向、等離子體噴射方向以及基材的運動方向三者相互垂直，所述的靜電場方向與基材的運動方向相同或相反。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用等離子體射流以及外加力場制備高阻隔薄膜的鍍膜裝置，其特征在于:所述射流槍(4)包括筒狀且出口處呈現(xiàn)扁平狀的外殼(4-1)、與外殼內(nèi)輪廓相仿且安裝外殼內(nèi)腔的高壓電極(4-2)、夾在高壓電極(4-2)和筒形外殼(4-1)之間的絕緣介質(zhì)層(4-3)、安裝在高壓電極(4-2)尾端的絕緣介質(zhì)筒(4-4)、安裝在外殼(4-1)尾端與地線相接的射流頭(4-5);射流槍進口通過管路連通有機硅單體發(fā)生器(8)，工作電源(11)與射流槍的高壓電極(4-2)電聯(lián)，射流槍的射流頭(4-5)通過導(dǎo)線與大地連接;高壓電極(4-2)和外殼(4-1)組成管形腔體，管形腔體的頭端設(shè)有絕緣蓋，絕緣蓋中心設(shè)有出氣口，出氣口與有機硅單體發(fā)生器(8)通過絕緣進氣管(12)連通，絕緣進氣管(12)與交變高壓電極(4-2)內(nèi)腔連接，放電氣體經(jīng)絕緣進氣管到達中空高壓電極(4-2)內(nèi)，等離子體與放電氣體從通過絕緣介質(zhì)筒條狀出口噴出，其中絕緣介質(zhì)筒條狀出口內(nèi)側(cè)壁貼合設(shè)有與高壓電極(4-2)連接的扁平狀套筒(4-6)，射流頭(4-5)尾端向下延伸至絕緣介質(zhì)筒(4-4)尾端條狀出口下方，使得射流頭(4-5)尾端與高壓電極(4-2)尾端之間形成交變電場。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的采用等離子體射流以及外加力場制備高阻隔薄膜的鍍膜裝置，其特征在于:在射流槍的射流頭(4-5)內(nèi)側(cè)壁面分別設(shè)有N/S交替磁條A( I)和N/S交替磁條B(2)，N/S交替磁條A和N/S交替磁條B位于絕緣介質(zhì)筒(4-4)下方，且N/S交替磁條A(I)和N/S交替磁條B(2)任意相對應(yīng)的位置磁場相反。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用等離子體射流以及外加力場制備高阻隔薄膜的鍍膜裝置，其特征在于:射流槍出口處設(shè)有調(diào)節(jié)出口大小的調(diào)節(jié)板。5.按照權(quán)利要求1所述的采用等離子體射流以及外加力場制備高阻隔薄膜的鍍膜裝置，其特征在于:所述射流頭(4-5)選用銅或不銹鋼材料制作。6.按照權(quán)利要求1所述的采用等離子體射流以及外加力場制備高阻隔薄膜的鍍膜裝置，其特征在于:所述的有機硅單體為六甲基二硅氧烷、八甲基四硅氧烷或四甲基二硅氧烷中的一種，均為液體狀態(tài)。
【文檔編號】C23C16/40GK205473978SQ201521052441
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2015年12月16日
【發(fā)明人】陳奮策, 陳蘇
【申請人】陳奮策