JP5080701B2

JP5080701B2 - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP5080701B2
Application number: JP2012102391A
Authority: JP
Inventors: 啓子古賀
Original assignee: 学校法人中村産業学園
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2028-07-31
Also published as: JP2012196669A

Description

本発明は、プラズマ処理装置に関する。詳しくは大気圧下でグロー放電プラズマを利用して粉体の表面改質処理を行うプラズマ処理装置に係るものである。

プラズマは、薄膜形成、表面処理あるいは表面改質、大気圧汚染物質の分解および無害化などに利用されている。中でも、大気圧下でのプラズマ処理は、低圧プラズマのような真空装置を必要としないため、比較的安価で工業的に有利な技術であり、例えばフィルム表面に大気圧下においてコロナ放電プラズマを照射して、親水性、疎水性を付与し、接着性、印刷特性、帯電性を改善することが一般的に行われている。

一方、粉体の表面を大気圧下で改質することを目的とするプラズマによる粉体表面処理装置が提案されており、例えば特許文献１に記載されている。具体的には図８に示すように、上、下端部をガス通孔として開放するガラス管１０１の上，下端部近傍に、固体は通過させずガスのみを通過させるフィルター１０２、１０３を配置すると共に、このフィルター１０２の上方に所定の距離をおいて主放電電極１０４、１０４を配置し、更にガラス管１０１をフィルター１０２を配置する部分１０５との間の部分１０６を所要の長さにわたって小径となし、かつ上側の主放電電極１０４の上方部分１０７を最大径とした構成とされている。

特公平７−６８３８２号公報

しかしながらガスによる吹き上げ式の装置では、フィルターを通過するガスによって粉体をガラス管内で均一に吹き上げてプラズマ処理を行うものであるが、最大でも１ｃｍほどの内径のガラス管内で粉体をガスのみによって吹き上げて個々の粉体を分離するために、ガラス管内に充填する粉体の処理量が限られている。

また、ガスによってガラス管内の上部まで持ち上げられた粉体は、ガラス管の内壁面に沿って降下し、更にガスによって再び巻き込まれて上昇し、これを繰り返すことによって何回も主放電電極間を通過させることによってプラズマによる粉体の表面の処理を行うものであるが、粉体が主放電電極間を通過するときのみにしかプラズマによる照射が行われないために時間のロスが生じ表面処理効率が悪い問題がある。

本発明は、以上の点に鑑みて創案されたものであって、少量から大量の粉体を均一に大気圧グロープラズマ処理して、その表面に有用な官能基を付与するプラズマ処理装置を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、本発明に係るプラズマ処理装置は、中心電極と、該中心電極と所定の空隙部を介して配置された筒状の周辺電極とを有する放電容器と、前記中心電極及び前記周辺電極と連設された複数の仕切部と、前記中心電極表面若しくは前記周辺電極表面の少なくとも一方に設けられた誘電体と、前記放電容器の一端側に設けられ、前記空隙部に流体を注入可能に構成された流体注入手段と、前記放電容器の他端側に設けられ、前記空隙部から流体を排出可能に構成された流体排出手段と、前記中心電極と前記周辺電極との間に交流またはパルス電圧を印加した状態で、前記中心電極を回転の中心として前記放電容器を回転せしめる回転手段とを備える。

ここで、空隙部内に封入された処理粉体は、放電容器を卓上用ポットミル回転台などによって回転させることで試料粉体は攪拌されながら中心電極と周辺電極間に発生するプラズマ放電により大気圧での粉体の表面処理が可能となる。

また、中心電極及び周辺電極と連設された複数の仕切部が設けられることにより各仕切部との間に複数の空隙部が形成される。これらの空隙部内に試料粉体を封入することでプラズマ放電により試料粉体の処理量を増加させることが可能となる。

また、仕切部が、絶縁性素材である耐熱性プラスチック、ガラス、セラミックス、酸化アルミニウムのいずれかにより形成される場合には、異常放電を起こさずに処理することができる。

本発明のプラズマ処理装置では、同軸状に構成された放電容器本体の空隙部内に試料粉体を封入し、軸心円周方向へ回転させることによりガス圧によらないで粉体の攪拌を行うことが可能となる。

また、誘電体間の間隙を保持した状態で同軸円筒型誘電体バリア放電容器の直径を大きくする、あるいは長くすることにより粉体の処理容積を大きくすることができるために、粉体の処理量を上げることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を、その図面を参酌しながら詳述する。
図１は、本発明を適用したプラズマ処理装置における放電容器の一例を示す正面断面図、図２は、本発明を適用したプラズマ処理装置における放電容器の一例を示す側面断面図である。

ここで示す放電容器１は、電極より形成される中心電極２と、この中心電極２と同軸状となる周辺電極３と、この中心電極２の外周面と周辺電極３の内周面に密接状に嵌着され誘電体４と、この誘電体４との間に形成される空隙部５とから構成されている。

誘電体４はガラスなどの絶縁体より形成され、この誘電体４との間に形成される空隙部５はプラズマ放電に必要な一定の距離を保ちながら中心電極２と周辺電極３の直径、あるいは全長を長くすることにより空隙部５の容量を大きくすることができる構成とされている。

次に、周辺電極３の誘電体４の内周面に、第２の凸部６が中心電極２方向の空隙部５に向けて突設され、この第２の凸部６は耐熱性プラスチック、ガラス、セラミックス、酸化アルミニウムなどの絶縁性素材より形成されると共に、空隙部５内に充填された粉体が放電容器１を回転させることによって第２の凸部６によって攪拌することができる構成とされている。
更に、第２の凸部６は空隙部５間の２／１以上から１未満とすることにより粉体の攪拌が確実に行われる構成とされている。

また、放電容器１の一端側の空隙部５の開放端にはガス注入管７が取り付けられている。このガス注入管７は、シリコンゴムより形成される密閉膜部８に貫通した状態で取り付けられている。

また、放電容器１の空隙部５の他端側には、シリコンゴムより形成される密閉膜部８が取り付けられると共に、この密閉膜部８にガス排出穴９が開口され、このガス排出穴９に気体のみを通過させるフィルター１０が設けられている。

なお、本実施例では、第２の凸部を詳述するものであるが、中心電極に周辺電極方向に突出する第1の凸部（図示せず。）、あるいは第1の凸部および第2の凸部の両者を設ける。若しくは複数の第1の凸部および第2の凸部を設けた構成であっても構わない。
また、図３に示すように、誘電体の内周面に凹凸形状の係留用窪み部１５を形成することにより粉体の攪拌が行える構成とされるものであっても構わない。

また、図４は、本発明を適用した粉体用大気圧プラズマ処理装置における放電容器の他の例を示す正面断面図である。
図１において詳述した誘電体４との間に形成される空隙部５を仕切るための仕切部１６が誘電体４間に渡設されるものであり、この仕切部１６はガラス、セラミックス、あるいはナイロンなどの耐熱性を有する絶縁性素材より形成され、例えば２個の仕切部１６によって空隙部５を２部屋に分ける（図４（A）参照。）、あるいは３個の仕切部１６によって空隙部５を３部屋に分ける（図４（B）参照。）と共に、それぞれの部屋に粉体および混合ガスを導入することができる構成とされている。

次に、図５に示すように、放電容器本体１を卓上用ポットミル回転台１１によって回転させるものであり、この卓上用ポットミル回転台１１は電動モーター（図示せず。）によって同一方向に駆動回転する放電容器本体１の軸線と平行となるように２本の回転体１１と間に放電容器１を載置し、１本の回転体１４を電動モーターによって駆動回転させることにより放電容器１を回転させる構成とされている。

そして放電容器１の中心電極２と周辺電極３にブラシ電極端子１２をそれぞれ接触させ、これらの電極端子１２間に高周波電源１７が接続された構成とされている。

また、放電容器１のガス注入管７にヘリウムガスボンベと窒素ガスボンベからの混合気体を注入するガスホース１３が連結されている。このガスホース１３とガス注入管７との連結にはベアリング等を介して放電容器１が回転した状態での注入が行える構成とされている。

なお、本実施例では放電容器を卓上用ポットミル回転台によって回転させる機構を詳述するものであるが、必ずしも放電容器の回転は卓上用ポットミル回転台である必要性はなく、例えば放電容器の中心電極を回転自在な状態で枢支し、モーターおよび変速機を介して直接的に駆動回転させる機構など電圧を印加しながら回転させることができる機構であればいかなる機構であっても構わない。

以上の構成よりなる本発明のプラズマ処理装置を用いてポリプロピレン重合粉末の表面処理を行った。
実施例１
ノーメックス（芳香族ナイロンの共重合体からなる厚さ約０．７ｍｍの絶縁紙、デュポン社製）より形成される羽根１枚を備える誘電体間の空隙部内に、ポリプロピレン重合粉末（日本ポリプロ（株）製、ＮＯＶＡＴＥＣＰ−８０００Ｓ，平均粒径３００マイクロメートル）１５ｇを投入し、卓上用ポットミル回転台（日陶科学（株）製ＡＺＮ−５１Ｓ）に載せて５〜８ｒｐｍの回転速度範囲内にて回転させた。

更に、ヘリウム４．５?／ｍｉｎ、窒素０．４５?／ｍｉｎの混合ガスを放電容器の空隙部内に導入し、１分間流した後、そのまま混合ガスを流しながら高周波電源（春日電機（株）製ＡＧＦ−０１２）にて、３６ｋＨｚの正弦波電圧を印加し、プラズマ出力０〜２００Ｗで所定の時間プラズマ処理を行った。

ここで、前記処理されたポリプロピレン粉末をＸ線光電子分光装置（ＸＰＳ）（（株）島津クレイトスＡＸＩＳ−１６５）にて光電子スペクトルの測定を行い、Ｎ_１ｓ、Ｃ_１ｓピークの面積から求めたＮ／Cの原子比とプラズマ出力および処理時間の関係を図６および図７に示す。

図６および図７から窒素がプラズマ出力、処理時間とともに増加しており、ポリプロピレン粒子表面に窒素官能基が導入されたことが判明した。

実施例２
次に、放電容器の空隙部を実施例１において詳述したノーメックスより形成される３個の仕切部によって３つのスペースに区分し、それぞれのスペースに各１０ｇ、合計３０ｇの処理量とし、実施例１と同じ条件下でプラズマ出力２００Ｗ、処理時間５分でのプラズマ処理を行った。

実施例３
また、放電容器の空隙部を実施例１において詳述したノーメックスより形成される３個の仕切部によって３つのスペースに区分し、それぞれのスペースに各１５ｇ、合計４５ｇの処理量とし、実施例１と同じ条件下でのプラズマ処理を行った。

ここで、実施例１、実施例２および実施例３で処理したポリプロピレン重合粉末のXPSスペクトルから算出した窒素と炭素の原子比N／Cとの比較結果を下記表1に示す。

以上の結果より仕切部によるスペースを設けてポリプロピレン重合粉末の処理量を実施例１における処理量に対して２倍、あるいは３倍に増加させた場合でも窒素と炭素の原子比N／Cは実施例１の０．１９に対して０．２６、あるいは０．２２となっており付加量は減少しないことから間仕切りをすることによりポリプロピレン重合粉末の処理量を増加させることが可能となる。

また、ポリエチレン粉体（粒径２０マイクロメートル）を、吹き上げ式プラズマ照射装置を用いて、２１００W、ヘリウム流量４SLM、アンモニアガス組成０．７５％で5回処理したところ、N／Cの値は、最大で０．０５６であった。
この結果から本発明を適用したプラズマ処理装置と従来の吹き上げ式プラズマ照射装置によるプラズマ処理において窒素と炭素の原子比N／Cに大きな差があることが判明した。

本発明のプラズマ処理装置では、粉体を混合ガス圧によって混合攪拌するのではなく円筒形状の放電容器を回転させることによって攪拌させることで粉体の処理量を増加することが可能となる。

本発明を適用したプラズマ処理装置における放電容器の一例を示す正面断面図である。本発明を適用したプラズマ処理装置における放電容器の一例を示す側面断面図である。本発明を適用したプラズマ処理装置における放電容器の誘電体の他の例を示す説明図である。本発明を適用したプラズマ処理装置における放電容器の他の例を示す正面断面図である。本発明を適用したプラズマ処理装置の一例を示す説明図である。本発明を適用したプラズマ処理装置による実施例１におけるプラズマ出力と原子比の関係を示すグラフ図である。本発明を適用したプラズマ処理装置による実施例１におけるプラズマ処理時間と原子比の関係を示すグラフ図である。従来の吹き上げ式プラズマ照射装置の一例を示す説明図である。

１放電容器
２中心電極
３周辺電極
４誘電体
５空隙部
６第1の凸部
７ガス注入管
８密閉膜部
９ガス排出穴
１０フィルター
１１卓上用ポットミル回転台
１２ブラシ電極端子
１３ガスホース
１４回転体
１５係留用窪み部
１６仕切部
１７高周波電源

Claims

中心電極と、該中心電極と所定の空隙部を介して配置された筒状の周辺電極とを有する放電容器と、
前記空隙部の概ね全長が複数の仕切部で仕切られることで形成された複数の部屋と、
前記中心電極表面若しくは前記周辺電極表面の少なくとも一方に設けられた誘電体と、
前記放電容器の一端側に設けられ、前記部屋内に流体を注入可能に構成された流体注入手段と、
前記放電容器の他端側に設けられ、前記部屋内から流体を排出可能に構成された流体排出手段と、
前記中心電極と前記周辺電極との間に交流またはパルス電圧を印加した状態で、前記中心電極を回転の中心として前記放電容器を回転せしめる回転手段とを備える
プラズマ処理装置。
前記仕切部が、絶縁性素材である耐熱性プラスチック、ガラス、セラミックス、酸化アルミニウムのいずれかにより形成された
請求項１に記載のプラズマ処理装置。