專利名稱：清潔涂敷有有機(jī)物質(zhì)的材料表面的方法以及用于執(zhí)行所述方法的發(fā)生器和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于清潔涂敷有有機(jī)物質(zhì)的材料表面的工藝，涉及用于實(shí)施該工藝的特殊發(fā)生器和系統(tǒng)。更具體地，該工藝希望用于清潔金屬帶，但不限于此。
背景技術(shù)：
這是因?yàn)?，由各種已有的生產(chǎn)線輸出的帶通常覆蓋有油膜，該油膜有兩個(gè)起源。第一，該膜可能由于噴涂保護(hù)油而被施加，以保護(hù)帶的表面不受腐蝕。然而，在帶來自冷軋機(jī)或表面冷軋的情形下，它也可能是殘留油膜。在兩種情形下，油的涂布量在大約每平方米幾百mg的數(shù)量級(jí)。
為了在這樣的帶上沉積金屬或有機(jī)涂層，需要在增亮(brightening)操作之后經(jīng)過清潔或脫脂操作去除油膜，以獲得該涂層的良好粘附性。通常在工業(yè)線上用于該目的的技術(shù)有著不能過度加熱帶的限制，以保持鋼帶的機(jī)械性能。
因此，這些技術(shù)中最常見地包括由或沒有由電解工藝輔助的堿脫脂操作。由于環(huán)境上的原因，該工藝需要安裝復(fù)雜的附屬車間以再處理環(huán)境毒性的副產(chǎn)物。
其它技術(shù)方案防止這些副產(chǎn)物的形成，例如激光燒蝕，它具有以光化學(xué)方式解吸有機(jī)化合物的效果，但在目前它還不能允許帶以超過每分鐘幾米的速度被處理，因?yàn)榧す夤β什蛔恪?br> 此外，US5529631教授了一種有利的表面處理技術(shù)，在于使用借助于在主要含氦的氣體混合物中介質(zhì)阻擋放電所產(chǎn)生的高壓等離子體。為了獲得穩(wěn)定的輝光放電，這種稀有氣體實(shí)際上是必需的，從而防止它進(jìn)入電弧模式，該電弧模式導(dǎo)致不均勻的處理。在這種情形下，氦含量必須大于70％的體積比，這意味著氧含量受限制。在該專利中引用的例子表明在這些氣體混合物中進(jìn)行的等離子體處理足以提高聚合物的表面能。然而，在用于清潔金屬表面的等離子體處理的情形下，只有在等離子體中形成的活性氧物質(zhì)(O·等)氧化涂敷帶的油，這使得碳鏈被轉(zhuǎn)換成揮發(fā)性物質(zhì)。因此，觀察到該處理不夠快，可能是由于在將放電用于氧含量小于或等于30％體積比的氣體混合物時(shí)，活性氧化物質(zhì)密度低。
為了解決這一問題，專利US5968377公開了一種使用大氣壓等離子體的表面處理工藝，其中在電極之間施加脈沖電場。脈沖電場的施加使得可能在放電進(jìn)入電弧模式時(shí)切斷放電，并在下一瞬時(shí)重新啟動(dòng)它。所施加的電壓脈沖具有對(duì)稱的特征。然而，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)該工藝不能用于清潔涂敷有有機(jī)物質(zhì)的材料。這是因?yàn)樵谶@種情形下觀察到只有一部分有機(jī)物質(zhì)被氧化且在之后揮發(fā)，另一部分聚合。從而在長時(shí)間浸入等離子體之后，在表面上形成的膜只能部分去除。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是補(bǔ)救現(xiàn)有技術(shù)該工藝的缺點(diǎn)，提供用于連續(xù)清潔襯底表面的工藝，而不會(huì)得到環(huán)境毒性的副產(chǎn)物，處理速度大于10m/min。
為此目的，本發(fā)明的第一主題包括一種用于連續(xù)清潔涂敷有有機(jī)物質(zhì)的材料表面的工藝，特征在于包括以下步驟，在于引導(dǎo)所述材料進(jìn)入提供有含氧的氣流的處理區(qū)，在于使所述材料接地，并在于通過在所述材料的表面和至少一個(gè)覆蓋有介質(zhì)的電極之間施加電場而產(chǎn)生等離子體，所述電場是脈沖形式的，并包括相對(duì)于所述材料的連續(xù)正和負(fù)電壓脈沖，正脈沖的最大值電壓U+大于電弧放電電壓Ua，負(fù)脈沖的最大絕對(duì)值電壓U-小于放電電壓Ua。
具體地，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)正脈沖必須很高，即高于電弧放電電壓Ua的絕對(duì)值，以在處理區(qū)中產(chǎn)生足夠密度的等離子體，從而實(shí)現(xiàn)高清潔速度。
也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)負(fù)脈沖U-的絕對(duì)值最大電壓必須小于放電電壓Ua，從而不在兩個(gè)電極之間啟動(dòng)放電，因?yàn)槭褂眠^高的負(fù)電壓導(dǎo)致油的聚合，而使得不能得到良好的脫脂。
電弧放電電壓的值主要決定于反應(yīng)器中氣體的壓力，并決定于電極間距。這些參數(shù)按Paschen定律相聯(lián)系。
根據(jù)本發(fā)明的工藝還可進(jìn)一步按獨(dú)立或組合的方式具有以下特征-所述場的電壓上升時(shí)間小于或等于600ns，優(yōu)選地小于或等于60ns；-正脈沖的頻率大于或等于20kHz；-氣流包括空氣或氧；-材料是金屬的材料，優(yōu)選地是碳鋼；-有機(jī)物質(zhì)是用于提供臨時(shí)腐蝕防護(hù)的油，或例如在金屬材料上進(jìn)行(表面光軋)軋制操作而產(chǎn)生的不穩(wěn)定機(jī)械乳濁液(油/水混合物)；以及-材料是運(yùn)轉(zhuǎn)帶(running strip)的形式，并且該工藝的各個(gè)步驟通過沿運(yùn)轉(zhuǎn)帶的路徑連續(xù)放置的裝置連續(xù)進(jìn)行。
本發(fā)明的第二個(gè)主題包括一種用于實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的工藝的發(fā)生器，它包括按1到200kHz的頻率供給低壓脈沖的低壓電源，和用于將所述低壓脈沖轉(zhuǎn)換成高壓脈沖的器件。該發(fā)生器的電壓上升時(shí)間優(yōu)選地小于或等于600ns，更優(yōu)選地小于或等于60ns。
該發(fā)生器不同于專利US5968377中描述的發(fā)生器，因?yàn)樗沟每梢垣@得不對(duì)稱的電壓脈沖。這是因?yàn)椋cUS5968377中描述的發(fā)生器相反，脈沖斬波不是在高壓下進(jìn)行，而是在低壓下進(jìn)行，然后該信號(hào)被變壓器放大。在本發(fā)明的上下文中，述語“低壓”被理解成表示低于1kV的電壓。
本發(fā)明的第三個(gè)主題包括用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的工藝的系統(tǒng)，包括用于使帶運(yùn)轉(zhuǎn)的接地的運(yùn)轉(zhuǎn)裝置，一組覆蓋有介質(zhì)并放置在待處理的所述述帶的表面對(duì)面的電極，放置在帶的表面附近的供氣裝置，和用于抽取由于涂敷帶的有機(jī)物質(zhì)的分解物所產(chǎn)生的氣體的裝置，這些電極被連接到根據(jù)本發(fā)明的發(fā)生器。
在本申請(qǐng)的上下文中，術(shù)語“介質(zhì)”被理解成表示介電常數(shù)大于6的材料。并且，術(shù)語“有機(jī)物質(zhì)”被理解成表示至少包含碳、氫和氧的任何化合物。上升時(shí)間被定義成電壓連續(xù)增加直到達(dá)到其最大值的時(shí)間。


參照附圖，以指出但并不暗示限制的方式給出一種實(shí)施方法的描述，從而說明本發(fā)明，在附圖中圖1表示根據(jù)本發(fā)明的處理系統(tǒng)的示意圖；圖2A表示該系統(tǒng)的電源的原理，圖2B表示其方框圖；圖3表示由根據(jù)本發(fā)明的發(fā)生器得到的電壓變化的波形圖；圖4表示在對(duì)應(yīng)于CH拉伸帶(stretching band)的波長范圍中按照油涂布量校正的樣品百分比反射率(％R)的變化；圖5表示由數(shù)字處理后的IRRAS記錄建立的校正曲線；圖6指示對(duì)于初始涂敷100mg/m2油的樣品作為處理時(shí)間函數(shù)的殘留油涂布量W的變化；圖7指示對(duì)于初始涂敷53mg/m2油的樣品作為處理時(shí)間函數(shù)的殘留油涂布量W的變化；以及圖8表示對(duì)于初始涂敷110mg/m2油的樣品作為處理時(shí)間函數(shù)的殘留油涂布量W的變化。
具體實(shí)施例方式
圖1表示包括旋轉(zhuǎn)支撐輥1的的處理系統(tǒng)，該旋轉(zhuǎn)支撐輥用于涂敷有腐蝕防護(hù)油的鋼帶2，它需要脫脂。該輥1按箭頭F指示的方向旋轉(zhuǎn)，并且如果需要可以被冷卻。它經(jīng)由帶2接地。
在輥的對(duì)面放置幾個(gè)涂敷有介質(zhì)的被冷卻的電極3。優(yōu)選地選擇陶瓷，例如氧化鋁或滑石(stumatites)，因?yàn)檫@些陶瓷能夠承受高溫。選擇的介質(zhì)具有大于6的介電常數(shù)，氧化鋁是可行的，它的介電常數(shù)在8和10之間，但滑石也是可行的，它的常數(shù)在6和8之間。
各個(gè)電極3由根據(jù)本發(fā)明的高壓發(fā)生器4供電?？梢园床煌姆绞教峁┨幚須怏w或氣體混合物，具體地，它可以在電極3的任一側(cè)由噴射器軌5來引入。也可以在該系統(tǒng)的每一側(cè)提供抽氣系統(tǒng)，用于抽取由油膜分解產(chǎn)生的氣體和揮發(fā)性物質(zhì)(未示出)。為了易于向處理區(qū)提供氣體，證明有利的是將處理區(qū)放入圍繞該帶和電極的室中。
鋼帶2接地，從而作為相對(duì)電極。它在輥1上運(yùn)轉(zhuǎn)，并露出其表面之一，受由于對(duì)處理氣體的放電作用產(chǎn)生的活性物質(zhì)的作用，這些物質(zhì)具體地是O·型的氧化物質(zhì)。
放電由發(fā)生器4支持，該發(fā)生器供給頻率可以在1到200 kHz之間變化的單極性電壓脈沖，其波形決定于該供給輸出到何種負(fù)載上。
圖2A表示脈沖電壓源的電路類型，它使用連接到升壓變壓器上的MOS功率晶體管。
圖2B表示專門為本申請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)的電源的框圖。它包括高速二極管框，其作用是在功率晶體管中和在變壓器中控制電壓和電流反向，以減小歐姆損失。按特定的方式安裝變壓器，以得到低電導(dǎo)、磁性材料的未飽和以及低寄生電容。
圖3包括表示在諸如由根據(jù)本發(fā)明的發(fā)生器供給的脈沖中連續(xù)的兩個(gè)脈沖期間電壓的變化。
可以看到，第一脈沖是正的，并持續(xù)大約1.8μs，然后是低幅度的負(fù)脈沖，持續(xù)48.2μs。在這種情形下，正脈沖的最大電壓U+是12.7kV，負(fù)脈沖絕對(duì)值的最大值U-是1.8kV。處理反應(yīng)器使用介質(zhì)阻擋(Al2O3)放電，電極間距被設(shè)置成3mm。
在由電發(fā)生器向介質(zhì)覆蓋的電極發(fā)出正電壓脈沖期間，記錄到正電流脈沖，4μs之后，接著是低幅度的負(fù)電流脈沖。隨后，當(dāng)在介質(zhì)上測得的電壓為負(fù)時(shí)，電流為虛零。正電壓上升時(shí)間大約是400ns。這樣的電壓上升時(shí)間值使得放電可以在5kV的最小電壓下發(fā)生。
例1通過使樣品經(jīng)受根據(jù)本發(fā)明的脈沖電場從而對(duì)其脫脂，對(duì)涂敷有腐蝕防護(hù)油(Quaker TINNOL N200)的軟鋼帶的兩個(gè)樣品進(jìn)行處理。在每一個(gè)帶上的油涂布量分別是100mg/m2和53mg/m2。在大氣壓下存在30l/min的氧氣流的情形下進(jìn)行處理。
處理反應(yīng)器使用可放電的介質(zhì)阻擋(Al2O3)，包含兩個(gè)尺寸為25×200mm2的矩形電極。電極間距為3mm。
對(duì)從兩條帶中各自取出的樣品進(jìn)行不同持續(xù)時(shí)間的等離子體處理。然后通過掠射紅外吸收光譜(IRRAS)測量每一個(gè)處理后的樣品上的殘留保護(hù)油涂布量。
在這些實(shí)驗(yàn)測量之前，基于按照使用相同的IRRAS分析儀并使用相同的油(Quaker TINNOL N200)的涂布量校正的樣品建立校正曲線。
圖4表示在對(duì)應(yīng)于CH拉伸帶的波長范圍(按cm-1表示)中按照油涂布量校正的樣品百分比反射率(％R)的變化。從最接近水平線的曲線開始，校正樣品包括10mg/m2、32mg/m2、50mg/m2、71mg/m2、100mg/m2和150mg/m2的油。在樣品上沒有油導(dǎo)致100％的百分比反射率。
圖5表示基于對(duì)于每一個(gè)校正后樣品所作的IRRAS記錄而建立的校正曲線。
圖6表示使用100kHz的頻率，在不同等離子體處理時(shí)間之后，從帶有100mg/m2油的帶上取出的樣品上的殘留油涂布量的變化。應(yīng)注意7到8秒的時(shí)間足夠清潔帶。
圖7表示使用100kHz的頻率，在不同等離子體處理時(shí)間之后，從帶有53mg/m2油的帶上取出的樣品上的殘留油涂布量的變化。應(yīng)注意3到4秒的時(shí)間足夠清潔帶。
例2處理涂油并且經(jīng)表面光軋?zhí)幚淼能涗搸?，從而使用相同的反?yīng)器并在如例1所述的相同實(shí)驗(yàn)條件下清潔該鋼帶。帶上的油涂布量是110mg/m2。
從經(jīng)表面光軋的帶上取出的樣品經(jīng)受不同持續(xù)時(shí)間的等離子體處理。隨后，使用如例1所述的方法，通過掠射紅外吸收光譜(IRRAS)測量每一個(gè)處理后的樣品上的殘留油涂布量。
圖8表示在不同的等離子體處理時(shí)間之后，從帶上取出的樣品上殘留油涂布量的變化。應(yīng)注意，20秒的時(shí)間足夠清潔帶。
例3采用覆蓋有150mg/m2Quaker TINNOL N200油層的鋼帶，重復(fù)例1的試驗(yàn)。
通過向其施加不同的電場，處理從帶上取出的樣品。得到這些樣品和控制樣品表面的XPS譜，F(xiàn)e/C和O/C比由對(duì)應(yīng)峰的積分來計(jì)算。
在下表中給出了得到的結(jié)果和測試條件

Fe/C比越高，材料的表面越清潔。
比較采用脈沖DC發(fā)生器得到的三個(gè)結(jié)果，可以看到，在正電壓脈沖具有至少20kHz的頻率時(shí)，脫脂處理的速度有很大的提高。
此外，可以看到，對(duì)于40kHz的頻率，22秒之后帶被完全脫脂，而在100kHz的頻率下，需要不到10秒達(dá)到相同的結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種用于連續(xù)清潔涂敷有有機(jī)物質(zhì)的材料(2)的表面的方法，特征在于，包括以下步驟引導(dǎo)所述材料(2)進(jìn)入提供有含氧氣流的處理區(qū)中，使所述材料(2)接地，并且通過在所述材料(2)的表面和至少一個(gè)覆蓋有介質(zhì)的電極(3)之間施加電場而產(chǎn)生等離子體，所述電場是脈沖的并且包括相對(duì)于所述材料(2)的連續(xù)正和負(fù)電壓脈沖，正脈沖的最大電壓U+大于電弧放電電壓Ua，負(fù)脈沖的絕對(duì)值最大電壓U-小于放電電壓Ua。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，特征在于所述電場的電壓上升時(shí)間小于或等于600ns。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，特征在于所述正脈沖的頻率大于或等于20kHz。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的方法，特征在于所述氣流包括空氣或氧氣。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，特征在于所述材料(2)是金屬材料。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，特征在于所述材料(2)是碳鋼。
7.如權(quán)利要求5或6的方法，特征在于所述有機(jī)物質(zhì)是用于提供臨時(shí)腐蝕防護(hù)的油或不穩(wěn)定的機(jī)械乳濁液。
8.如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的方法，特征在于所述材料(2)是運(yùn)轉(zhuǎn)帶的形式，并且該方法的各步驟通過沿運(yùn)轉(zhuǎn)帶的路徑接連放置的裝置連續(xù)進(jìn)行。
9.一種可用于實(shí)施如權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的方法的發(fā)生器(4)，特征在于包括供給1至200kHz頻率的低壓脈沖的低壓電源，和包括用于將所述低壓脈沖轉(zhuǎn)換成高壓脈沖的器件。
10.如權(quán)利要求9所述的發(fā)生器，特征在于電壓上升時(shí)間小于或等于600ns。
11.一種用于實(shí)施權(quán)利要求8所述的方法的系統(tǒng)，包括用于使所述帶(2)運(yùn)轉(zhuǎn)的接地的運(yùn)轉(zhuǎn)裝置(1)，一組覆蓋有介質(zhì)并放置在待處理的所述帶(2)的表面對(duì)面的電極(3)，放置在所述帶(2)的表面附近的供氣裝置，以及用于抽取由于涂敷帶(2)的有機(jī)物質(zhì)分解而產(chǎn)生的氣體的裝置，這些電極(3)連接到如權(quán)利要求9或10所述的發(fā)生器(4)。
12.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，特征在于所述介質(zhì)包括氧化鋁。
13.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，特征在于所述介質(zhì)包括滑石。
全文摘要
本發(fā)明涉及對(duì)涂敷有有機(jī)物質(zhì)的材料(2)表面連續(xù)清潔的方法。本發(fā)明的方法包括以下步驟，包括引導(dǎo)材料(2)進(jìn)入提供有含氧的氣流的處理區(qū)中；使材料(2)接地，并通過在材料(2)的表面和至少一個(gè)覆蓋介質(zhì)的電極(3)之間施加電場而產(chǎn)生等離子體，所述電場是脈沖形式的并包括相對(duì)于材料(2)的連續(xù)正和負(fù)電壓脈沖。并且，正脈沖的最大值電壓U+大于電弧放電電壓Ua，負(fù)脈沖的最大絕對(duì)值電壓U－小于放電電壓Ua。本發(fā)明也涉及用于執(zhí)行所述方法的發(fā)生器和裝置。
文檔編號(hào)C23G5/00GK1633524SQ03804161
公開日2005年6月29日 申請(qǐng)日期2003年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月19日
發(fā)明者丹尼爾·沙萊, 帕特里克·肖凱, 杰拉德·巴拉維恩, 伯納德·拉庫爾, 文森特·皮埃什 申請(qǐng)人:于西納公司