Патент на изобретение №2371258

(54) СПОСОБ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТНЫХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ И УСТАНОВКА

(57) Реферат:

Изобретение относится к технологии модификации поверхностных свойств материалов и к оборудованию, предназначенному для осуществления технологического процесса обработки, и может использоваться в различных производственных процессах, для которых требуется высокая гидрофильность и высокая адгезионная способность обрабатываемой поверхности. Задачей изобретения является увеличение скорости и эффективности процесса модификации поверхностных свойств обрабатываемых материалов за счет снижения величины краевого угла обработанной поверхности и повышения силы адгезии поверхности после облучения образца пучком ионов до заданной дозы облучения. Для этого в способе модификации поверхностных свойств материалов перед подачей вдоль обрабатываемой поверхности образца осуществляют диссоциацию потока газа или смеси химически активных газов до достижения степени диссоциации не менее 5%. В установке для модификации поверхностных свойств материалов система подачи потока химически активного газа или смеси химически активных газов вдоль обрабатываемой поверхности включает в свой состав устройство, обеспечивающее диссоциацию химически активного газа или смеси химически активных газов до достижения степени диссоциации не менее 5%. При использовании изобретения повышается производительность процесса модификации поверхностных свойств материалов, существенно улучшаются гидрофильные и адгезионные свойства обработанной поверхности изделий. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 1 табл., 10 ил.

Изобретение относится к технологии модификации поверхностных свойств материалов, в том числе высокомолекулярных полимеров, керамик и других видов материалов, и к оборудованию, предназначенному для осуществления технологического процесса обработки. Изобретение может использоваться в различных производственных процессах, для которых требуется высокая гидрофильность и высокая адгезионная способность обрабатываемой поверхности.

В настоящее время известны различные методы модификации поверхности материалов, для каждого из которых применяется соответствующее специальное оборудование. Так, например, в опубликованной японской патентной заявке JP 61-171740 (МПК-7: C08J 7/00; В29С 71/04, опубликована 08.02.1986) описан процесс обработки синтетической резины, содержащей специальный полимер, в атмосфере аммиака при определенных условиях. Данный процесс направлен на повышение гидрофильности обрабатываемой поверхности. В качестве полимера может использоваться полиметилметакрилат или метилметакрилат. Давление аммиака в камере обработки, согласно известному способу, выбирается в диапазоне от 0,01 до 0,5 торр. В результате химической обработки на поверхности формованного изделия образуется гидрофильная поверхностная структура, состоящая из большого количества гидроксильных групп, которые непосредственно влияют на повышение гидрофильности обрабатываемой поверхности.

К числу более эффективных методов модификации поверхностных свойств материалов относится способ, раскрытый в описании американского патента

US 5 783641 (МПК-6: С08К 8/00, опубликован 21.07.1998). Указанный способ применяется для модификации поверхности полимеров, в частности для уменьшения краевого угла и увеличения адгезионной способности обрабатываемой поверхности изделия. Способ включает облучение поверхности полимера пучком ионов газа при энергии частиц от 500 до 2500 эВ и одновременный обдув обрабатываемой поверхности потоком химически активного газа.

Согласно известному способу обработка проводится при давлении в вакуумной камере от 5·10^-3 до 10^-6 Торр. В качестве газа, используемого для генерации пучка ионов, могут использоваться аргон, воздух, криптон или смесь указанных газов. Облучение обрабатываемой поверхности ионами газа проводится до достижения дозы облучения от 10¹⁴ до 5·10¹⁷ ион/см². Химически активный газ или смесь газов выбирается из следующих газов: кислород, азот, водород, аммиак, окись углерода. Поток химически активного газа или смеси химически активных газов подается на обрабатываемую поверхность с расходом от 1 до 8 см³/мин.

При обработке полимеров, согласно известному способу, в результате активации поверхностной структуры полимера ионами и взаимодействия активированных групп полимера с молекулами химически активного газа увеличивается скорость образования гидрофильных групп, которые непосредственно влияют на снижение величины краевого угла и на увеличение адгезионной способности поверхности изделия. Было установлено, что в случае обработки полиметилметакрилата величина краевого угла снижается до 8°, а при обработке поликарбоната – до 12°. Величина адгезионной прочности сцепления на поверхности тефлона после ее обработки согласно запатентованному способу увеличилась до 750 кгс/см² по сравнению с величиной прочности сцепления 200 кгс/см² до обработки.

Установка, с помощью которой осуществлялся способ модификации поверхностных свойств полимеров, содержит вакуумную камеру, в которой установлен источник ионов, соединенный с системой подачи рабочего газа, систему откачки вакуумной камеры до требуемого уровня давления, держатель обрабатываемых образцов и систему подачи химически активного газа или смеси газов вдоль обрабатываемой поверхности.

Наиболее близкий способ-аналог изобретения описан в американском патенте US 6300641 (МПК-7: B05D 3/06, опубликован 09.10.2001). Способ модификации поверхностных свойств материалов включает размещение обрабатываемого образца в рабочей полости вакуумной камеры, откачку рабочей полости вакуумной камеры, облучение обрабатываемой поверхности пучком ионов газа и подачу потока химически активного газа или смеси химически активных газов вдоль обрабатываемой поверхности.

В качестве обрабатываемых материалов согласно данному способу могут использоваться различные материалы: полимеры, металлы, керамики или стекло. В процессе осуществления способа обрабатываемая поверхность облучается пучком ионов газа до достижения дозы облучения до 10¹⁷ ион/см² и одновременно обдувается потоком химически активного газа с расходом от 1 до 8 см³/мин. При реализации технологического процесса обработки химически активный газ взаимодействует с активированными радикалами на обрабатываемой поверхности. В результате этого на поверхности образуются гидрофильные группы. В случае использования полимеров в качестве обрабатываемых материалов на поверхности образуются гидрофильные функциональные группы следующего вида: -С=O и -СООН.

Минимальная величина краевого угла поверхности полиметилметакрилата после завершения процесса обработки была не ниже 8°. При обработке поликарбоната минимальная величина краевого угла составила 12°. Максимальная величина адгезионной прочности сцепления (связующей способности) обработанной поверхности была достигнута на уровне 750 кгс/см² при обработке образцов из тефлона.

Для реализации данного способа также использовалась установка, содержащая вакуумную камеру, в которой был размещен источник ионов, соединенный с системой подачи рабочего плазмообразующего газа, систему откачки вакуумной камеры до требуемого уровня давления, держатель обрабатываемых образцов и систему подачи химически активного газа или смеси газов вдоль обрабатываемой поверхности.

В основу изобретения положена задача, связанная с увеличением скорости и эффективности процесса модификации поверхностных свойств обрабатываемых материалов. При этом эффективность процесса обработки для рассматриваемого технологического процесса заключается в снижении величины краевого угла обработанной поверхности и повышении силы адгезии F поверхности после облучения образца пучком ионов до заданной дозы облучения.

Решение данных задач позволяет повысить производительность обработки поверхности изделий, существенно улучшить гидрофильные и адгезионные свойства обработанной поверхности различных материалов, включая полимеры и керамики.

Указанные технические результаты обеспечиваются за счет реализации способа модификации поверхностных свойств материалов, который заключается в размещении обрабатываемого образца в рабочей полости вакуумной камеры, откачку рабочей полости вакуумной камеры, облучение обрабатываемой поверхности пучком ионов газа и подачу потока химически активного газа или смеси химически активных газов вдоль обрабатываемой поверхности. Способ, согласно изобретению, включает воздействие на поток химически активного газа или смеси химически активных газов перед его подачей вдоль обрабатываемой поверхности. Данное дополнительное воздействие обеспечивает диссоциацию молекул химически активного газа (или газов) до достижения степени диссоциации не менее 5%. Диссоциация химически активного газа, подаваемого в зону обработки образца, может осуществляться с помощью специального устройства – диссоциатора, входящего в состав системы подачи химически активного газа или смеси химически активного газа.

Достижение технических результатов обеспечивается при использовании изобретения, охарактеризованного приведенной выше совокупностью существенных признаков, путем осуществления определенной последовательности описанных ниже процессов и явлений.

При взаимодействии ионов с поверхностью образца происходит удаление загрязняющих органических веществ, частичное травление поверхностного слоя и разрыв химических связей в молекулах приповерхностного слоя материала. В результате этого осуществляется взаимодействие функциональных групп обрабатываемого материала, в частности полимера или керамики, между собой и с химически активными частицами, находящимися вблизи от обрабатываемой поверхности. Кроме того, в приповерхностном слое образуются новые функциональные группы, наличие которых существенно изменяет поверхностные свойства материала. Как было установлено в ходе экспериментов, процесс образования функциональных групп интенсифицируется при наличии в потоке химически активного газа атомов и радикалов, которые образуются при частичной диссоциации молекулярного потока газа. Было зафиксировано пороговое значение степени диссоциации газа, составляющее 5%, начиная с которого наблюдается существенное повышение производительности процесса модификации поверхностных свойств материала и эффективности технологического процесса обработки, выражающейся в снижении краевого угла и увеличении силы адгезии поверхности.

Диссоциация химически активного газа на атомы, радикалы и возбужденные молекулы может осуществляться посредством различных типов воздействий на газовый поток, в том числе посредством воздействия на газовый поток электрическим разрядом. Для этого могут применяться, например, электрический разряд постоянного тока, импульсный разряд, ВЧ-разряд или СВЧ-разряд.

Однако преимущественное использование электрического разряда для воздействия на газовый поток, с целью его диссоциации, не ограничивает применение других видов воздействия на газовый поток. Такое воздействие направлено на увеличение энергии молекул химически активного газа до уровня, при котором происходит диссоциация молекул на атомы и радикалы. Так, в частности, внешнее воздействие на газовый поток может осуществляться с помощью теплообменного нагревательного устройства.

В качестве химически активных газов предпочтительно используются кислород, воздух и другие кислородосодержащие газы. Расход химически активного газа, подаваемого вдоль обрабатываемой поверхности, преимущественно выбирается в диапазоне от 3 до 30 см³/мин. Однако предпочтительное применение кислородосодержащих газов не исключает возможности использования и других химически активных газов, способствующих интенсивному образованию на обрабатываемой поверхности гидрофильных функциональных групп, при условии соблюдения требований безопасности для персонала и окружающей среды.

Преимущественно облучение обрабатываемой поверхности производится пучком ионов газа с энергией от 50 до 5000 эВ. Для интенсификации процесса модификации поверхностных свойств материалов обрабатываемую поверхность облучают жестким ультрафиолетовым излучением. Сочетание активации обрабатываемой поверхности пучком ионов газов с жестким ультрафиолетовым излучением в присутствии продуктов диссоциации химически активного газа существенно ускоряет образование функциональных групп в приповерхностном слое обрабатываемого материала.

Технические результаты достигаются также при использовании для осуществления способа модификации поверхностных свойств материалов установки, включающей в свой состав вакуумную камеру с держателем, по меньшей мере, одного обрабатываемого образца, систему откачки газа из вакуумной камеры, источник ионов газа, выходное отверстие которого расположено напротив обрабатываемой поверхности, и систему подачи потока химически активного газа или смеси химически активных газов вдоль обрабатываемой поверхности. Согласно изобретению система подачи потока химически активного газа или смеси химически активных газов вдоль обрабатываемой поверхности включает в свой состав устройство (диссоциатор), обеспечивающее диссоциацию газа до достижения степени диссоциации не менее 5%.

Устройство, предназначенное для диссоциации химически активного газа, может быть выполнено в виде газоразрядной камеры, снабженной средством возбуждения в камере электрического разряда постоянного тока, или импульсного разряда, или ВЧ-разряда, или СВЧ-разряда. При этом газоразрядная камера может быть снабжена магнитной системой, обеспечивающей генерацию в полости камеры постоянного магнитного поля.

Для интенсификации процесса модификации поверхностных свойств материалов установка может включать в свой состав источник жесткого ультрафиолетового излучения.

С целью функционирования в автоматическом режиме установка может быть снабжена устройством для извлечения обработанных образцов из вакуумной камеры.

Изобретение поясняется описанием конкретных примеров осуществления способа модификации поверхностных свойств материалов и примерами реализации установки, предназначенной для осуществления способа.

На прилагаемых чертежах изображено следующее:

на фиг.1 схематично изображена установка для модификации поверхностных свойств материалов, в состав которой входит источник ионов с полым катодом и устройство, обеспечивающее диссоциацию химически активного газа, в виде газоразрядной камеры с ВЧ-антенной;

на фиг.2 схематично изображена установка для модификации поверхностных свойств материалов, в состав которой входит ВЧ-источник ионов и устройство, обеспечивающее диссоциацию химически активного газа, в виде газоразрядной камеры с полым катодом;

на фиг.3 изображена схема непрерывной обработки образцов в форме пластин;

на фиг.4 изображена схема обработки рулонного материала;

на фиг.5 изображена схема обработки рулонного материала с системой охлаждения в зоне обработки;

на фиг.6 изображена графическая зависимость величины краевого угла (в градусах) от дозы облучения Е (ион/см²) в случае обработки полиэтилена пучком ионов аргона при обдуве обрабатываемой поверхности потоком диссоциированного кислорода;

на фиг.7 изображена графическая зависимость величины краевого угла (в градусах) от дозы облучения Е (ион/см²) в случае обработки полиэтилена пучком ионов кислорода при обдуве обрабатываемой поверхности потоком диссоциированного кислорода;

на фиг.8 изображена сравнительная графическая зависимость величины краевого угла (в градусах) от дозы облучения Е (ион/см²) в случае обработки полиэтилентерефталата ионами аргона при обдуве обрабатываемой поверхности потоком диссоциированного кислорода и воздуха;

на фиг.9 изображена графическая зависимость величины силы адгезии F (гс/мм) от дозы облучения Е (ион/см²) в случае обработки полиимида пучком ионов аргона при обдуве обрабатываемой поверхности потоком диссоциированного кислорода;

на фиг.10 изображена графическая зависимость величины силы адгезии F (гс/мм) от дозы облучения Е (ион/см²) в случае обработки фторопласта пучком ионов аргона при обдуве обрабатываемой поверхности диссоциированным потоком кислорода.

В состав установки, предназначенной для осуществления способа модификации поверхностных свойств материалов, первый вариант выполнения которой изображен на фиг.1, входит вакуумная камера 1, система 2 откачки газа из полости вакуумной камеры 1, держатель 3 обрабатываемых образцов, обрабатываемый образец 4, изготовленный из выбранного материала, источник ионов газа и система подачи химически активного газа или смеси химически активных газов вдоль обрабатываемой поверхности. Система подачи газа содержит устройство (диссоциатор), предназначенное для диссоциации молекулярного потока газа на атомы и радикалы до достижения степени диссоциации не менее 5%.

В рассматриваемом примере осуществления изобретения в качестве обрабатываемых образцов использовались предварительно очищенные с помощью органических растворителей образцы, выполненные из полиэтилена, полиэтилентерефталата, полиимида и фторопласта.

Источник ионов газа в данном примере реализации изобретения представляет собой газоразрядное устройство с полым катодом. В состав газоразрядного источника ионов входит разрядная камера 5, в которой коаксиально установлены кольцеобразный анод 6 и полый катод 7 трубчатой формы. Подача плазмообразующего газа, в качестве которого применяется, в частности, кислород и аргон, осуществляется через полый катод 7 непосредственно в разрядную камеру 5. С внешней стороны разрядной камеры 5 установлена электромагнитная катушка 8, обеспечивающая генерацию постоянного магнитного поля в полости камеры. Источник ионов содержит электростатическую систему 9 извлечения ионов, предназначенную для направления пучка ускоренных ионов газа на обрабатываемую поверхность образца 4 с заданной энергией.

В качестве устройства, обеспечивающего диссоциацию химически активного газа до достижения степени диссоциации не менее 5%, в рассматриваемом примере реализации изобретения используется диссоциатор, выполненный в виде газоразрядной камеры 10. Камера 10 снабжена средством возбуждения в ее полости электрического ВЧ-разряда индукционного типа. Диссоциатор содержит газоввод 11, обеспечивающий подачу химически активного газа или смеси химически активных газов в полость газоразрядной камеры 10. В рассматриваемом примере через газоввод 11 в газоразрядную камеру 10 подается воздух или кислород. С внешней стороны газоразрядной камеры 10 установлена электромагнитная катушка 12, служащая для генерации постоянного магнитного поля в полости камеры.

Средство возбуждения ВЧ-разряда выполнено в виде плоской спиралеобразной ВЧ-антенны 13, с помощью которой производится подвод ВЧ-мощности в полость камеры 10. Выходное эмиссионное отверстие газоразрядной камеры 10 размещается на расстоянии от d до 20d от близлежащего края обрабатываемого образца 4, где d – минимальный размер обрабатываемой поверхности. В рассматриваемом примере расстояние до близлежащего края обрабатываемого образца 4 составляло 20 см при диаметре d образца, равном 5 см.

Установка включает в свой состав также источник жесткого ультрафиолетового излучения 14, предназначенный для интенсификации процесса обработки при одновременном или раздельном облучении обрабатываемой поверхности пучком ионов.

Установка для модификации поверхностных свойств материалов, выполненная согласно второму варианту реализации изобретения, показана на фиг.2. В состав установки входит вакуумная камера 1, система 2 откачки газа из полости вакуумной камеры 1, держатель 3 обрабатываемых образцов, обрабатываемый образец 4, изготовленный из выбранного материала, источник ионов газа и система подачи химически активного газа или смеси химически активных газов вдоль обрабатываемой поверхности. Отличие второго варианта выполнения установки от первого варианта, изображенного на фиг.1, заключается в использовании иного конструктивного выполнения источника ионов газа и диссоциатора.

Источник ионов газа в рассматриваемом примере реализации изобретения содержит газоразрядную камеру 15, снабженную средством возбуждения в ее полости индукционного ВЧ-разряда. В состав источника ионов входит газоввод 16, через который осуществляется подача плазмообразующего газа в полость газоразрядной камеры 15. В качестве плазмообразующего газа в данном примере реализации изобретения используется аргон или кислород. Магнитная система источника ионов содержит электромагнитную катушку 17, установленную с внешней стороны камеры 15. С помощью электромагнитной катушки 17 в полости газоразрядной камеры 15 генерируется постоянное магнитное поле. Средство возбуждения ВЧ-разряда выполнено в виде плоской спиралеобразной ВЧ-антенны 18. Источник ионов содержит электростатическую систему извлечения ионов 19, предназначенную для направления пучка ускоренных ионов газа на обрабатываемую поверхность образца 4 с заданной энергией.

В качестве устройства, обеспечивающего диссоциацию химически активного газа до достижения степени диссоциации не менее 5%, во втором примере реализации изобретения используется диссоциатор, выполненный в виде газоразрядной камеры 20, снабженной средством возбуждения в ее полости электрического разряда постоянного тока. Данное средство образовано двумя коаксиально установленными электродами: кольцеобразным анодом 21 и полым катодом 22 трубчатой формы. Через полый катод 22 осуществляется подача химически активного газа в газоразрядную камеру 20 диссоциатора. В данном примере реализации изобретения для формирования диссоциированного потока химически активного газа используется воздух или кислород.

Магнитная система диссоциатора содержит электромагнитную катушку 23, с помощью которой в полости газоразрядной камеры 20 генерируется постоянное магнитное поле. Выходное эмиссионное отверстие газоразрядной камеры 20 размещается на расстоянии от d до 20d от близлежащего края обрабатываемого образца, где d – минимальный размер обрабатываемой поверхности. В данном примере реализации изобретения выходное эмиссионное отверстие камеры 20 располагалось на расстоянии 20 см от близлежащего края обрабатываемого образца 4.

Так же, как и в первом примере реализации изобретения, установка включает в свой состав источник жесткого ультрафиолетового излучения 14, предназначенный для интенсификации процесса модификации поверхностных свойств материалов при одновременном или раздельном облучении обрабатываемой поверхности пучком ионов.

С целью обработки образцов различных форм и различных видов модифицируемых материалов применяются соответствующие типы держателей образцов, оснащенные системами загрузки и приема обрабатываемых материалов. Так, например, для непрерывной обработки образцов 4 в форме пластин используется ленточный транспортер, изображенный на фиг.3. Пластинчатые образцы 4, облучаемые потоком ионов и обдуваемые потоком диссоциированного химически активного газа с помощью источника ионов 24 и диссоциатора 25 соответственно, перемещаются в полости вакуумной камеры 1 с помощью ленточного транспортера (конвейера) 26. Непрерывная загрузка образцов 4 на ленту транспортера 26 и выгрузка обработанных образцов производится в автоматическом режиме с помощью кассетного загрузочного устройства 27 и кассетного приемного устройства 28. При этом приемное устройство 28 является частью устройства, предназначенного для извлечения обработанных образцов 4 из вакуумной камеры 1.

В случае обработки тонкопленочных полимерных материалов следует использовать специально предназначенные для этого держатели образцов. При обработке рулонного материала применяется лентопротяжный механизм, показанный на фиг.4. Данное устройство содержит привод (на чертеже не показан), подающий барабан 29 с рулонным материалом и приемный барабан 30, на который наматывается обработанный материал.

С целью исключения деструктивных изменений тонкого рулонного материала при его интенсивном нагреве в зоне обработки лентопротяжный механизм может включать в свой состав средство, обеспечивающее равномерное охлаждение обрабатываемой поверхности. Нагрев пленочного обрабатываемого материала происходит вследствие воздействия на него пучка ионов с высокой энергией – до 5000эВ. Лентопротяжный механизм рулонного материала, изображенный на фиг.5, включает в свой состав вместе с приводом, подающим барабаном 29 и приемным барабаном 30 охлаждающий барабан 31, выполненный из материала, обладающего высокой теплопроводностью, например из меди.

Способ модификации поверхностных свойств материалов осуществляется с помощью установки, предназначенной для реализации способа. Примеры выполнения установки изображены на фиг.1-5.

Перед проведением процесса модификации поверхностных свойств материала предварительно очищенный с помощью органических растворителей обрабатываемый образец 4 помещался на держатель образцов 3. Для обработки использовались образцы следующих материалов: полиэтилена, полиэтилентерефталата, полиимида и фторопласта. После этого вакуумная камера 1 откачивалась до остаточного давления 10^-6÷10^-5 Торр с помощью системы 2 откачки газа из полости камеры 1. Затем образец 4 предварительно облучался жестким ультрафиолетовым излучением, генерируемым источником излучения 14.

При использовании установки, пример реализации которой изображен на фиг.1, в газоразрядную камеру 5 источника ионов подавался аргон, а в газоразрядную камеру 10 диссоциатора химически активного газа – кислород. В качестве источника ионов газа использовался газоразрядный источник ионов с полым катодом. Эмиссионное отверстие источника располагалось напротив обрабатываемого образца 4 на расстоянии 40 см от обрабатываемой поверхности. После подачи рабочего плазмообразующего газа – аргона через внутренний канал трубчатого полого катода 7 в полости газоразрядной камеры 5 зажигался электрический разряд постоянного тока между коаксиально установленными кольцеобразным анодом 6 и полым катодом 7. Разрядный ток в процессе работы установки изменялся от 200 до 1000 мА. Расход аргона, подаваемого в газоразрядную камеру 5, выбирался в диапазоне от 5 до 15 см³/мин.

Разряд поддерживался в присутствии внешнего магнитного поля, создаваемого электромагнитной катушкой 8. Магнитное поле обеспечивало эффективную ионизацию плазмообразующего газа в полости газоразрядной камеры 5. Извлечение ионов аргона из области плазмообразования и их ускорение до уровня энергии от 50 до 5000 эВ в направлении обрабатываемого образца 4 осуществлялось с помощью электростатической системы 9 извлечения ионов. Плотность тока у обрабатываемой поверхности образца 4 составляла 15·10^-6 А/см².

Диссоциация потока кислорода, подаваемого вдоль обрабатываемой поверхности образца 4, производилась с помощью газоразрядной камеры 10, снабженной плоской спиралеобразной ВЧ-антенной 13, обеспечивающей возбуждение в полости камеры индукционного ВЧ-разряда. Рабочий плазмообразующий газ – кислород подавался в полость газоразрядной камеры 10 через газоввод 11 с расходом от 3 до 30 см³/мин. Индукционный ВЧ-разряд поддерживался в полости газоразрядной камеры 10 в присутствии внешнего магнитного поля, создаваемого с помощью электромагнитной катушки 12. Степень диссоциации кислорода в диапазоне от 5 до 35% обеспечивалась за счет изменения расхода кислорода, подаваемого в газоразрядную камеру 10, и регулирования величины подводимой ВЧ-мощности.

В других примерах реализации способа модификации поверхностных свойств материалов с помощью установки, изображенной на фиг.1, использовались следующие комбинации выбора плазмообразующего газа источника ионов и химически активного газа, подаваемого в диссоциатор: аргон (плазмообразующий газ источника ионов) – воздух (химически активный газ) и кислород – кислород.

Осуществление способа модификации поверхностных свойств материалов с помощью установки, изображенной на фиг.2, производится аналогичным образом. Отличие в процессе обработки заключалось в использовании иного конструктивного выполнения газоразрядных устройств, предназначенных для генерации ионов и для подачи вдоль обрабатываемой поверхности образца частично диссоциированного химически активного газа.

В данном примере реализации изобретения в качестве источника ионов использовался индукционный ВЧ-источник ионов с внешним магнитным полем. Плазмообразующий газ (аргон или кислород) подавался в газоразрядную камеру 15 источника ионов через газоввод 16 с расходом от 5 до 15 см³/мин. Безэлектродный ВЧ-разряд в полости газоразрядной камеры 15 возбуждался с помощью плоской спиралеобразной ВЧ-антенны 18 в присутствии внешнего магнитного поля, создаваемого электромагнитной катушкой 17. Ионы газа извлекались из области плазмообразования с помощью электростатической системы 19 извлечения ионов в направлении, перпендикулярном обрабатываемой поверхности. Энергия ионов у обрабатываемой поверхности изменялась в диапазоне от 50 до 5000 эВ.

Диссоциация потока химически активного газа (кислорода или воздуха), который подавался вдоль обрабатываемой поверхности образца 4, осуществлялась с помощью разрядного устройства (диссоциатора), снабженного средством возбуждения в полости газоразрядной камеры 20 электрического разряда постоянного тока. Предварительно в газоразрядную камеру 20 подавался химически активный газ через внутренний канал полого катода 22. Возбуждение электрического разряда производилось между кольцеобразным анодом 21 и коаксиально установленным полым катодом 22. Величина разрядного тока изменялась в диапазоне от 200 до 1000 мА.

Степень диссоциации химически активного газа регулировалась от 5 до 35% путем изменения величины разрядного тока в газоразрядной камере 20 и регулирования величины расхода газа от 3 до 30 см³/мин. Частично диссоциированный поток химически активного газа, включающий образовавшиеся атомы и радикалы, направлялся вдоль обрабатываемой поверхности образца 4.

Для непрерывной обработки образцов 4 в форме пластин применялся ленточный транспортер 26 (см. фиг.3). Обрабатываемые образцы 4 устанавливались на ленту транспортера 26 с помощью кассетного загрузочного устройства 27. Затем образцы 4 перемещались в зону обработки, где производилось облучение обрабатываемой поверхности пучком ионов до достижения дозы облучения 10¹⁵÷10¹⁶ ион/см² при одновременной подаче вдоль обрабатываемой поверхности частично диссоциированного потока химически активного газа (кислорода или воздуха) со степенью диссоциации от 5 до 35%.

Направленный пучок ионов формировался в источнике ионов 24. В газоразрядную камеру источника ионов 24 подавался аргон или кислород. Пучок ионов направлялся с помощью электростатической системы извлечения ионов перпендикулярно обрабатываемой поверхности образца 4. Поток частично диссоциированного газа создавался в газоразрядной камере диссоциатора 25, входящего в состав системы подачи химически активного газа или смеси химически активных газов. После окончания процесса обработки ленточный транспортер 26 перемещал обработанный образец 4 в кассетное приемное устройство 28, а в область обработки подавался следующий образец. Процесс модификации поверхностных свойств материалов продолжался автоматически до заполнения кассетного приемного устройства 28.

При обработке рулонных полимерных материалов использовался лентопротяжный механизм (см. фиг.4), включающий в свой состав подающий барабан 29 с рулонным обрабатываемым материалом и приемный барабан 30. В процессе непрерывной обработки рулонного образца производилось пошаговое перемещение обрабатываемого участка образца в область обработки, где осуществлялось облучение обрабатываемой поверхности пучком ионов до достижения дозы облучения 10¹⁵÷10¹⁶ ион/см² при одновременной подаче вдоль обрабатываемой поверхности частично диссоциированного кислорода или воздуха со степенью диссоциации от 5 до 35%. Барабаны 29 и 30 приводились во вращательное движение с помощью привода лентопротяжного механизма (на чертеже не показан), работающего в автоматическом режиме.

Облучение обрабатываемой поверхности пучком ионов проводилось при использовании источника ионов 24, генерирующего ионы аргона или кислорода, которые ускорялись в направлении, перпендикулярном обрабатываемой поверхности. Подача частично диссоциированного потока газа вдоль обрабатываемой поверхности рулонного материала осуществлялась с помощью диссоциатора 25, входящего в состав системы подачи химически активного газа или смеси химически активных газов.

В случае обработки тонких рулонных полимерных материалов, подверженных деструкции при тепловыделении в процессе облучения обрабатываемого образца пучком ионов газа с энергией 50÷5000 эВ, применялась дополнительная система охлаждения рулонного материала в зоне обработки (см. фиг.5). В состав лентопротяжного механизма, содержащего подающий и приемный барабаны 29 и 30, был включен дополнительный охлаждающий барабан 31, выполненный из материала, обладающего высокой теплопроводностью. В рассматриваемом примере реализации изобретения применялся охлаждающий барабан 31, выполненный из меди. Теплоотвод из зоны обработки производился за счет обеспечения контакта обрабатываемого рулонного полимерного материала со стороны, противоположной обрабатываемой поверхности, с поверхностью охлаждающего барабана 31.

Охлаждение рулонного материала до требуемого уровня температуры, исключающего деструктивные изменения полимерного материала, происходило посредством организации эффективной теплоотдачи от нагреваемой обрабатываемой поверхности. Теплосъем с охлаждающего барабана 31 производился в области, находящейся вне границ контакта с обрабатываемым рулонным образцом. В целом, за исключением использования системы охлаждения, работа лентопротяжного механизма, выполняющего функцию держателя обрабатываемого образца (см. фиг.5), осуществлялась аналогично работе лентопротяжного механизма, изображенного на фиг.4.

В рассмотренных выше примерах выполнения ленточного транспортера 26 и лентопротяжного механизма с барабанами 29 и 30 для упрощения изображения на чертежах не показан источник жесткого ультрафиолетового излучения 14. Однако это не исключает возможности обработки образцов, выполненных в виде пластин или в виде тонкой полимерной пленки, жестким ультрафиолетовым излучением с целью дополнительного повышения производительности процесса модификации поверхностных свойств материалов.

После завершения процесса обработки поверхности образца на его обработанную поверхность, обладающую заданными гидрофильными и адгезионными свойствами, могут наноситься различного рода покрытия в соответствии с требованиями конкретного технологического процесса.

В результате проведенных экспериментальных исследований были получены результаты, подтверждающие возможность увеличения скорости обработки, а также улучшения гидрофильных и адгезионных свойств обработанных образцов материалов при использовании способа модификации поверхностных свойств материалов. В случае применения аргона в качестве плазмообразующего газа источника ионов и кислорода в качестве химически активного газа, подаваемого вдоль обрабатываемой поверхности, наилучшие результаты были получены при степени диссоциации кислорода 30% и расходе частично диссоциированного кислорода 10 см³/мин.

В таблице представлены значения краевого угла (угла смачивания) обработанной поверхности полиэтилена в зависимости от степени диссоциации кислорода , которая определялась как процентное отношение числа молекул, распавшихся при диссоциации, к общему числу молекул.

Доза облучения Е, ион/см2	Краевой угол , град
=0	=5%	=12%	=23%	=31%
1015	46	43	38	12	15
5·1015	41	32	24	10	8
1016	35	30	16	10	5
5·1016	28	23	16	6	3

Как следует из представленных экспериментальных данных, при наличии продуктов диссоциации (атомов и радикалов) в потоке химически активного газа, который подается вдоль обрабатываемой поверхности, наблюдается снижение краевого угла обработанной поверхности полиэтилена. Существенное уменьшение краевого угла начинается со значения степени диссоциации газа =5%. При этом было установлено, что более высокий показатель гидрофильности обрабатываемой поверхности достигается при меньших значениях дозы облучения ионами газа по сравнению со способами-аналогами (5·10¹⁶ ÷ 10¹⁷ ион/см²).

Из представленной на фиг.6 зависимости величины краевого угла (в градусах) от дозы облучения Е (ион/см²), полученной при обработке полиэтилена пучком ионов аргона и обдуве обрабатываемой поверхности потоком диссоциированного кислорода, следует, что продукты диссоциации в потоке химически активного газа существенно влияют на скорость обработки и величину краевого угла обработанной поверхности.

Кривая 32 на указанной графической зависимости характеризует изменение краевого угла обработанной поверхности от дозы облучения Е при облучении образца из полиэтилена ионами аргона, генерируемыми с помощью газоразрядного источника ионов, и обдуве обрабатываемой поверхности молекулярным потоком кислорода без использования диссоциатора. Кривая 33 на графике изображает изменение краевого угла от дозы облучения Е в случае применения в системе подачи химически активного газа газоразрядного диссоциатора, изображенного на фиг.2. Данная зависимость характерна для тока разряда 1=200 мА. Электрический разряд постоянного тока зажигался и поддерживался между кольцеобразным анодом 21 и полым катодом 22. Кривая 34 на графике изображает изменение краевого угла от дозы облучения Е при величине тока разряда в газоразрядной камере диссоциатора I=1А.

Из сравнительного анализа кривых 32, 33 и 34 следует, что при наличии в системе подачи химически активного газа диссоциатора, обеспечивающего степень диссоциации потока газа не менее 5%, существенно увеличивается производительность процесса обработки: краевой угол обработанной поверхности достигает значений порядка 10° при дозах облучения обрабатываемой поверхности ионами аргона

Е5·10¹⁵ ион/см². Данный уровень дозы облучения и, соответственно, длительность обработки образца меньше аналогичных значений, характерных для способа-прототипа.

При увеличении тока разряда с 200 мА до 1А в газоразрядной камере 20 диссоциатора (см. фиг.2) увеличивается энерговклад в разрядный промежуток и, соответственно, растет степень диссоциации химически активного газа. С увеличением концентрации атомов и радикалов кислорода вблизи приповерхностного молекулярного слоя обрабатываемого образца интенсифицируется процесс образования гидрофильных групп на обрабатываемой поверхности. Наилучшие результаты по величине краевого угла обработанной поверхности полиэтилена были достигнуты при величине разрядного тока I=1А. Данное значение разрядного тока соответствует степени диссоциации кислорода =30% при расходе газа 10 см³/мин. В указанных условиях минимальное значение краевого угла при дозе облучения

Е=3·10¹⁶ ион/см² составило 3° (см. фиг.6, кривая 34).

Аналогичные результаты были получены в случае обработки полиэтилена пучком ионов кислорода и обдуве обрабатываемой поверхности потоком диссоциированного кислорода. Согласно зависимости величины краевого угла (в градусах) от дозы облучения Е (ион/см²), представленной на фиг.7, при наличии продуктов диссоциации (атомов и радикалов) в потоке молекулярного кислорода, который подавался вдоль обрабатываемой поверхности, существенно увеличивается скорость обработки и уменьшается краевой угол обработанной поверхности.

Кривая 35 на графической зависимости, изображенной на фиг.7, характеризует изменение краевого угла поверхности материала от дозы облучения Е при облучении образца из полиэтилена ионами кислорода, генерируемыми с помощью газоразрядного источника ионов, и обдуве обрабатываемой поверхности молекулярным потоком кислорода (без использования диссоциатора). Кривая 36 на графике изображает изменение краевого угла от дозы облучения Е в случае применения газоразрядного диссоциатора, изображенного на фиг.2. Данная зависимость характерна для тока разряда I=1А, который зажигался между кольцеобразным анодом 21 и полым катодом 22 диссоциатора. Величина краевого угла =7° обработанной поверхности полиэтилена была получена при дозе облучения ионами кислорода Е=3·10¹⁶ ион/см².

Представленные экспериментальные данные (см. фиг.6 и 7) свидетельствуют о стабильном достижении заданного технического результата при замене плазмообразующего газа источника ионов с инертного газа – аргона на химически активный газ – кислород. Минимальные значения краевого угла обработанной поверхности полиэтилена =5÷7° были получены при величине тока разряда, зажигаемого в газоразрядной камере диссоциатора, I=1А и дозе облучения ионами Е=3·10¹⁶ ион/см². При этом указанное значение тока разряда I соответствует степени диссоциации кислорода =30% при расходе потока газа вдоль обрабатываемой поверхности 10 см³/мин.

Полученные экспериментальные данные подтверждают возможность получения существенно более высоких показателей гидрофильности обработанной поверхности по сравнению с известными способами-аналогами. Кроме того, повышается производительность процесса обработки, непосредственно зависящая от требуемой дозы облучения обрабатываемой поверхности ионами.

В ходе проведенных исследований были также получены результаты, подтверждающие возможность осуществления способа модификации поверхностных свойств материалов при использовании смесей химически активных газов для обдува обрабатываемой поверхности. На фиг.8 кривая 37 изображает зависимость величины краевого угла от дозы облучения Е при обработке полиэтилентерефталата ионами аргона и обдуве обрабатываемой поверхности потоком частично диссоциированного воздуха. Кривая 38 характеризует зависимость величины краевого угла от дозы облучения Е при обработке полиэтилентерефталата ионами аргона и обдуве обрабатываемой поверхности потоком частично диссоциированного кислорода.

Анализ кривых 37 и 38 свидетельствует о существенном влиянии продуктов диссоциации химически активных газов на величину краевого угла обработанной поверхности, который характеризует гидрофильные свойства материала. При этом наименьшие значения краевого угла были получены в случае использования кислорода в качестве химически активного газа. Минимальное значение краевого угла составило 5° при дозе облучения обрабатываемой поверхности полиэтилентерефталата ионами аргона Е=5·10¹⁶ ион/см².

В случае использования в качестве смеси химически активных газов воздуха минимальное значение краевого угла =10° обрабатываемой поверхности полиэтилентерефталата было достигнуто при существенно меньших значениях дозы облучения ионами аргона E=5·10¹⁵ ион/см² (см. фиг.8, кривая 38) по сравнению с известными способами-аналогами.

При осуществлении способа модификации поверхностных свойств материалов, согласно приведенным выше примерам реализации изобретения, были получены следующие результаты по адгезионной способности различных образцов. Величина силы адгезии (F, гс/мм) обработанной поверхности определялась с помощью «скотч-теста».

Относительное увеличение силы адгезии при облучении образцов ионами аргона до дозы Е=(10¹⁶÷10¹⁷) ион/см² и обдуве обрабатываемой поверхности образцов частично диссоциированным потоком кислорода, содержащим атомы кислорода и радикалы, с расходом 10 см³/мин по сравнению с обдувом обрабатываемой поверхности потоком кислорода без предварительной диссоциации составило: 10% – для образцов из полиэтилентерефталата; 20% – для образцов из полиимида; 25% – для образцов из фторопласта.

Графические зависимости, характеризующие изменение абсолютных значений силы адгезии F (гс/мм) в зависимости от дозы облучения Е (ион/см²) при обработке образцов из полиимида и фторопласта ионами аргона и обдуве обрабатываемой поверхности диссоциированным потоком кислорода, представлены на фиг.9 и 10.

Согласно графической зависимости, изображенной на фиг.9 (кривая 39), максимальное значение силы адгезии F=19 гс/мм обработанной поверхности образца, выполненного из полиимида, было получено при дозе облучения E=5·10¹⁵ иoн/cм². Максимальное значение силы адгезии F обработанной поверхности тефлонового образца составило 350 гс/мм при величине дозы облучения поверхности E=5·10¹⁶ иoн/cм² (см. фиг.10, кривая 40). Следует отметить, что сила адгезии F для обработанного тефлонового образца более чем в 30 раз превышает силу адгезии необработанной поверхности образца.

Представленные экспериментальные данные по величине краевого угла и силе адгезии обработанной поверхности образцов свидетельствуют о возможности реализации изобретения и достижения новых технических результатов, которые заключаются в повышении производительности процесса модификации поверхностных свойств материалов и улучшении гидрофильных и адгезионных свойств обработанных материалов.

Получаемые в результате обработки свойства материалов подтверждают возможность применения способа и установки, являющихся предметом изобретения, в различных технологических процессах, для которых требуется высокая гидрофильность и адгезионная способность подложки с целью последующего нанесения однослойных или многослойных покрытий. Области использования изобретения включают разнообразные высокотехнологичные отрасли производства, в том числе электронную и электротехническую промышленность, строительство и производство медицинского оборудования.

Формула изобретения

1. Способ модификации поверхностных свойств материалов, включающий размещение обрабатываемого образца в полости вакуумной камеры, откачку полости вакуумной камеры, облучение обрабатываемой поверхности пучком ионов газа и подачу потока химически активного газа или смеси химически активных газов вдоль обрабатываемой поверхности, отличающийся тем, что перед подачей вдоль обрабатываемой поверхности образца осуществляют диссоциацию химически активного газа или смеси химически активных газов до достижения степени диссоциации не менее 5%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поток химически активного газа или смеси химически активных газов подают вдоль обрабатываемой поверхности с расходом от 3 до 30 см³/мин.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве химически активного газа используют кислород.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве смеси химически активных газов используют воздух.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что диссоциацию химически активного газа или смеси химически активных газов осуществляют посредством воздействия на газовый поток электрическим разрядом.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что для воздействия на газовый поток используют электрический разряд постоянного тока или импульсный разряд, или ВЧ-разряд, или СВЧ-разряд.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что энергию ионов газа выбирают в диапазоне от 50 до 5000 эВ.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед облучением или в процессе облучения пучком ионов газа обрабатываемую поверхность облучают жестким ультрафиолетовым излучением.

9. Установка для модификации поверхностных свойств материалов, содержащая вакуумную камеру с держателем, по меньшей мере, одного обрабатываемого образца, систему откачки газа из полости вакуумной камеры, источник ионов газа, выходное отверстие которого расположено напротив обрабатываемой поверхности, систему подачи потока химически активного газа или смеси химически активных газов вдоль обрабатываемой поверхности, отличающаяся тем, что система подачи потока химически активного газа или смеси химически активных газов вдоль обрабатываемой поверхности включает в свой состав устройство, обеспечивающее диссоциацию химически активного газа или смеси химически активных газов до достижения степени диссоциации не менее 5%.

10. Установка по п.9, отличающаяся тем, что устройство, обеспечивающее диссоциацию химически активного газа или смеси химически активных газов до достижения степени диссоциации не менее 5%, выполнено в виде газоразрядной камеры.

11. Установка по п.10, отличающаяся тем, что газоразрядная камера снабжена средством возбуждения в полости камеры электрического разряда постоянного тока или импульсного разряда, или ВЧ-разряда, или СВЧ-разряда.

12. Установка по п.10, отличающаяся тем, что газоразрядная камера снабжена магнитной системой, обеспечивающей генерацию в полости газоразрядной камеры постоянного магнитного поля.

13. Установка по п.9, отличающаяся тем, что содержит источник жесткого ультрафиолетового излучения.

14. Установка по п.9, отличающаяся тем, что содержит устройство для извлечения обработанных образцов из вакуумной камеры.

РИСУНКИ