JPH09141087A - 大気圧グロー放電プラズマによる粉体の処理方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】粉体を水又は極性溶剤に極めて良好に分散させ
る為に粉体に大気圧グロー放電によるプラズマ処理を行
い親水性を付与する方法とその装置に関する。 【構成】少なくとも一方の電極が回転している円盤状の
相対する電極間に、一方の電極の中心部に設けた原料供
給口より粉体を前記電極間に供給し、粉体に回転電極に
基づく遠心力を与えると共に電極間に高周波高電圧を印
加して大気圧グロー放電プラズマを発生せしめ、該大気
圧グロー放電プラズマにより粉体表面を処理することを
特徴とする大気圧グロー放電プラズマによる粉体の処理
方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は分散性の悪い疎水性の粉
体を大気圧グロー放電プラズマ処理によって親水性とす
る処理方法とその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】大気圧グロー放電によるプラズマ励起で
フィルムや繊維を処理し、これによって被処理物の表面
を親水化して表面の濡れを向上し接着効果を高める事は
最近知られるようになって来た。そして、本発明者等は
このプラズマ処理を粉体にも適用し、粉体の表面をプラ
ズマ処理によって親水性もしくは疎水性とし、水、油ま
たは溶剤に対して分散性を向上させることを見出し、先
に出願した（特開平４−１３５６３８号参照）。続い
て、本発明者等は粉体のプラズマ処理について、更に向
上した方法及び装置を提案した（特開平４−１３５６３
８号、特開平６−３６５号又は特開平６−１３４２９６
号）。そして、これらの方法及び装置を使用することに
よって、粉体表面のプラズマ処理は一応の成果を上げた
が、処理する粉体の種類によっては、なお均一な処理が
出来なかったり、或いは、電極間隙に微細な粉体が詰ま
り、常に電極間の間隙を掃除し清浄に保たなければ作業
が困難な場合があった。

【０００３】即ち、グロー放電の中は高いエネルギー場
であり、粉体に対しては電場の周囲に発生した障壁（バ
リアー）が壁のような作用をするため、微細な粉体はカ
サ比重が小さく、軽いためにプラズマ中に入らず、粉体
の自重だけでは処理する事が出来ないことがあった。そ
のためにまず粉体微粒子をプラズマ中に入れるためかな
りの力を必要とした。また一部プラズマ中に入ったもの
も粉体によっては著しく帯電する為、静電的な付着が起
こり、取り出す事も困難な場合が生じる。粉体表面積は
フィルム等の表面積に比較して極めて大きく、数百倍に
なる為に全面を均一に処理するためには粉体の全面に対
し一様にプラズマが作用しなければならない。その為、
処理ガスと共に高速で粉体をプラズマ中に送り込むガス
の気流を利用する方法があるが、この方法は処理ガスの
量が膨大なものとなり、経済性がない。

【０００４】また上記特開平６−１３４２９６号記載の
方法は、粉体を皿のような容器に薄く入れ、これを電極
の間に位置せしめてグロー放電を行い励起されたプラズ
マで処理する方法であるが、この場合も振動をあたえて
粉体を流動させながら処理しないと粉体層の表面しか処
理されず、全面の処理は出来ない。そのために振動によ
って流動した粉体が飛散して反応容器中に漂い未処理の
粉体と処理された粉体が混合されて効果が充分発揮され
ず、また粉体が１種の誘電体として作用するために、厚
い誘電体を電極に取り付けたのと同様の結果となる。し
たがって電圧を上げなければグロー放電が起こりにく
い。これも経済性と安全面から工業的に使用する事は困
難である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明者は上記の様々
な問題点を解決すべく研究を重ねた結果、両方又はその
一方が回転する円盤状の上下電極間の中央部に粉体を送
入し、遠心力によって粉体に運動のエネルギーを与え、
プラズマ中を移動させる事により、連続的に粉体表面の
全面を完全に処理しうることを見出し、本発明を完成し
たもので、本発明の目的は、高収率で粉体の表面を大気
圧グロー放電プラズマ処理する方法とその装置を提供す
るにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、少なく
とも一方の電極が回転している円盤状の相対する電極間
に、一方の電極の中心部に設けた原料供給口より粉体を
前記電極間に供給し、粉体に回転電極に基づく遠心力を
与えると共に電極間に高周波高電圧を印加して大気圧グ
ロー放電プラズマを発生せしめ、該大気圧グロー放電プ
ラズマにより粉体表面を処理することを特徴とする大気
圧グロー放電プラズマによる粉体の処理方法、及び、ガ
スの導入口と排出口とを有するプラズマ反応容器内に配
置した少なくとも一方の電極の中心部に粉体供給口を設
けた円盤状の相対する一対の電極と、該電極間に大気圧
グロー放電プラズマを発生せしめるグロー放電プラズマ
発生装置及び電極を回転させるための回転装置とからな
る大気圧グロー放電プラズマによる粉体の処理装置であ
る。

【０００７】本発明におけるプラズマ反応容器は従来よ
り大気圧グロー放電プラズマ発生装置として使用されて
いるもので、ガスの導入口と排出口を有し、プラズマ発
生用電極を設置したものである。プラズマ発生用電極と
しては金属電極の少なくとも一方の電極を誘電体でカバ
ーしたものであり、誘電体は固くて、平面を維持できる
合成樹脂またはセラミックが好ましい。また耐熱性とし
て１００℃以上の熱でも変形しないものがよく、熱硬化
性樹脂のメラミン、尿素、ベークライト等、熱可塑性樹
脂ではメタアクリル、ポリカーボネート、ポリエステ
ル、ポリイミド等が好ましい。電極間に印加される高周
波電圧としては高周波の波長は別に制限はない。約１Ｋ
Ｈｚ〜１００ＫＨｚであり、現在真空の低圧プラズマ処
理で用いられている１３．５６ＭＨｚの高周波も使用で
きるが、大気圧グロー放電では熱の発生を押さえるため
に１ＫＨｚから１００ＫＨｚ位が好ましい。１ＫＨｚ以
下では高出力ではトランスが大きくなり、１００ＫＨｚ
以上では効率はよいが熱が発生しまた周波数が高くなる
につれて出力トランスのマッチングが難しい。電圧約２
０００〜７０００Ｖ程度であり、反応容器内に導入され
るガスの種類によって異なる。また電極間の間隙として
は５〜４０ｍｍ程度であり、この間隙も導入されるガス
の種類によって異なる。

【０００８】また、反応容器内にはプラズマ発生用不活
性ガスと共に粒子表面に親油性を付与する場合には導入
されるガスの種類は、例えばプロパン、ブタンペンタ
ン、ヘキサン、エチレン、ブテン、トリメチルペンタ
ン、トリメチロールプロパン脂肪族炭化水素及びその誘
導体、或いはベンゼン、トルエン、キシレン、スチレン
エチルベンベン、クメン等の芳香族炭化水素及びその置
換体又はシクロペンテン、シクロヘキセン等の脂環式炭
化水素及びその置換体であり、また、粒子表面に親水性
を付与する場合はアルゴンとヘリウムの混合ガス、アセ
トン、メチルエチルケトン等のケトン類化合物、エタノ
ール、プロパノール等のアルコール類、１，４−ジオキ
サン、メチルセルソルブ等のエーテル類、テトラメチル
シラン、トリメチルクロロシラン等のシラン化合物あっ
て、これらの条件は従来の大気圧グロー放電プラズマ発
生条件と異ならない（特開平４−１３５６３８号及び特
開平６−１３４２９６号参照）。

【０００９】次に処理ガスであるが、既に大気圧グロー
放電でプラズマを励起するガスとしてヘリウムガス又は
ヘリウムとアルゴンの混合ガスまたはアルゴンガスにケ
トンの蒸気を微量混合したものが発明者等の発明により
知られている。通常、粉体の処理は分散性能を向上させ
る目的が主体であり、その為に水中または極性溶媒中に
細かく分散するように親水性を高める処理を行う。それ
には上記不活性ガスのプラズマ中を通過させて表面を僅
かエッチングするか、またはＣＦ₃のようなガスを微量
不活性ガスに混合したガスのプラズマ中を通せば著しい
親水性が得られる。特に本発明の場合はガスは単に大気
圧の雰囲気を作る為に必要なだけであり、不活性ガスだ
けで処理する場合は漏れを補充し、または粉体にまだ付
着している空気の影響が出ない程度の少ない流入量でも
構わない。すなわちグロー放電が安定に発生するように
流入させれば良い。処理される粉体としては特に限定さ
れないが、例えばカーボン、酸化アルミ、酸化チタン、
亜鉛華等であり、その粒径は通常の粉体から超微粒子の
範囲の何れでもよい。

【００１０】本発明においては、回転する電極間の中央
部に粉体を供給するものであり、粉体は回転電極の回転
力によって遠心力により運動エネルギーが付与される。
遠心力は粉体の重量（Ｗ）と回転する円盤の半径（γ）
更に回転の角速度（ω）の二乗の積、すなわちｆ＝Ｗγ
ω²で表されるから回転速度が上がると粉体の重量は軽
くても極めて大きな遠心力エネルギーでグロー放電の中
を処理されながら移動し円盤の外に飛ばされる。そのた
めにロスもなくすべての粉体が全表面を均一に処理され
て放出されるのである。処理される粉体の比重によっ
て、回転数を変える必要があるからモーターの回転数は
可変のものが良い。したがって誘導モーターの場合はイ
ンバーターを使用するか、無段変速機を介して行いまた
は直捲モーターでスライダックを使用して回転数を自由
に変えられるものが好ましい。

【００１１】次に図をもって本発明にかかる装置を説明
する。図１は本は発明にかかる大気圧グロー放電プラズ
マ発生装置の説明図であり、図２は金属電極の斜視図、
図３は上下電極を同時に回転する場合の１例の側面図、
図４は他の電極の側面図及び平面図であり、図５は電極
に設けた放熱板の側面図である。図１において、プラズ
マ反応容器１にはプラズマ処理用のガスが導入パイプ７
を通して導入口より導入され、また、反応容器１に設け
られた排出口を通して排出パイプ８より反応容器外に排
出される。反応容器１内に上下に配置された円盤状の金
属電極２、２’に誘電体３、３’が張り付けられてお
り、誘電体３、３’が一定の間隔を保って相対してい
る。この電極は図２に示されているように、中心に原料
供給口４を有する上部金属電極２と回転軸９に直結され
ている下部金属電極２’とよりなり、それぞれの金属電
極には誘電体３、３’でカバーされ、誘電体３、３’が
一定の間隙をもって相対している。回転軸９は回転装置
１０に連結し、回転装置１０によって下部電極は回転す
る。上部電極としては誘電体の表面に、下部電極として
は誘電体の裏面にそれぞれ電極となる金属膜を張り合わ
せてもよい。これは接着剤で金属箔を張り合わせても、
またメッキや真空蒸着、スパッターによって行ってもか
まわない。しかしこのような平面電極では金属箔は誘電
体よりも半径の小さいものが必要であり、これは高電圧
をかけた場合火花やアークが直接金属間に回りこむのを
防ぐためである。

【００１２】また上下電極を図３に示すように、エポキ
シ樹脂のような電気絶縁性のネジまたはボルト、ナット
１１で連結し上下電極共回転させれば中の処理ガスも遠
心力により移動するから更に効果的である。大量の粉体
を長時間処理する場合は電力も大きく、その結果発熱量
も大きくなるため合成樹脂よりなる誘電体では変形を起
こす場合がある。このような場合は円盤状の金属電極に
誘電体としてガラスまたは琺瑯加工したものを使用す
る。また熱を逃がすためには、放電用のスリットを設け
たヒートシンク（放熱板）を電極にすればよい。これは
大電力用のパワートランジスターに使用されているもの
と同じであるが回転させる為に特別な配慮が必要であ
る。

【００１３】図４に特殊電極の側面図と上面図である。
図において２は電極となる金属であり、３はその表面に
設けられた誘電体の琺瑯である。周辺と中心部は火花放
電が生じないように縁を設け、グロー放電を起こす間隙
より広くとってある。電極には同心円のスリット隆起部
を設け流入ガスによって発生した熱が奪い去られるよう
にしてある。電極をヒートシンクにする事は上部電極だ
けでも良く、回転させない時はどのような形のヒートシ
ンクを使用してもよいが、下部電極とともに回転させる
場合はスムースな回転が出来るようバランスをとったも
のが必要である。また隆起部にはさらにこまかく溝をつ
くり（図５ 部分図）出来るだけ放熱面積を大きくす
る。

【００１４】次にこのような装置を使用してプラズマ処
理方法について述べる。処理ガスは図１の矢印のように
少しずつ流入されるが、粉体は遠心力で移動しガス流で
運ぶ必要がないから導入される処理ガスの流量は非常に
少なくてすみ、上記のように予め粉体タンクを処理ガス
で置換すれば空気の流入もなく常に変わらぬ条件で処理
する事ができる。反応容器１内の空気をヘリウムかヘリ
ウムとアルゴンの混合ガスで置換し高周波電源１１から
例えば１０ＫＨｚ、２５００Ｖの高周波電圧を上下電極
間に印加すると誘電体の間隙でグロー放電が起こり、こ
のグロー放電は下部電極２’を回転軸９を介して回転し
ても持続する。反応容器１の上部に粉体タンク５を設
け、粉体タンク５の下部より回転定量バルブ６を通して
粉体タンク５より一定量ずつ被処理粉体を反応容器１内
の上部電極に設けた原料供給口４に落下させ、グロー放
電雰囲気中に供給するようにする。被処理粉体は、予め
粉体タンク５内に入れるが、この粉体タンク５は勿論の
事、粉体内も多くの空気を抱き込んでいるから、ヘリウ
ムかヘリウムとアルゴンの混合ガスで先に置換しておく
方が好ましく、必要ならば粉体タンク５を真空にして空
気を除去し、その後ヘリウム等のガスで置換すれば更に
好結果が得られるので、プラズマ処理ガスを粉体タンク
内に供給できるようにしておくことが好ましい。

【００１５】大気圧グロー放電で処理する場合は真空の
低圧プラズマ処理と異なり１００℃までの常温処理が特
徴であり、またガスを常時流すために処理ガスが冷却用
ガスを兼ねヒートシンクによる冷却も効率良く行う事が
出来る。また融点の低い有機物粉体を処理する場合、放
熱冷却で足らなければ半導体を使用し電流で冷却するペ
ルチェ効果による方法も可能である。このような条件の
もとで粉体を上部電極２の原料供給部４から回転する下
部電極２’の中央に落下させるとそれぞれの粉体粒子は
遠心力により強い運動エネルギーを与えられる。反応容
器から排出されるガスは再使用が可能であり経済性も極
めて大きい。次に実施によりその効果を説明する。

【００１６】

【実施例及び比較例】

実施例１ 図の装置において円盤電極は直径３０ｃｍのものを使用
し円盤には誘電体として合成マイカの厚み１．５ｍｍに
電極としてステンレスの薄板の直径２６ｃｍのものを張
り合わせた。したがって誘電体の方が半径で２０ｍｍ大
きくなり火花の廻り込みは起こらない。上部の円盤電極
は固定し、下部電極の中心に小型直捲モーターのシャフ
トを接続してダイレクトドライブとし、回転数はスライ
ダックにより電圧を変化して変化させた。上部電極の中
央には粉末を入れる開口部がありこれらはすべて反応容
器の中におさめられている。上部電極と下部電極はそれ
ぞれ高周波の電源に接続されており下部電極は安全のた
め接地を行う。電極間の間隔は１０ｍｍである。親水化
を行う粉末として東洋炭素製造所のＢ−２カーボンを選
び、予め水の中で粉末が分散せず浮く事を確かめておい
た。次に反応容器中の空気をアルゴン６０、ヘリウム３
９．５、四フッ化炭素０．５容量部の混合ガスで置換
し、電極間に５ＫＨｚ、３５００Ｖの電圧を印加する。
美しいオレンジ色のグロー放電が発生する。次に下部電
極を回転させてもグロー放電は安定して維持される。回
転数は１００回／分である。次に上部電極の開口部から
少しずつカーボン粉末を入れていくと回転する下部電極
の中心部に小さなピラミッドを作り、回転数を上げるに
従いピラミッドの下辺が崩れグロー放電の中に飛ばされ
る。この時の回転数は１５００回／分であった。回転数
が１５００回を越えると、ピラミッドは小さくなり直ぐ
にグロー放電中に飛ばされグロー放電で励起されたプラ
ズマで連続的に処理され容器の壁に当たり底に溜まる。
処理されたカーボン粉末は未処理のものは、全く水に分
散せず水上に浮いてしまうのに対して処理されたカーボ
ン粉末は水中に良好に分散し、浮くものは極めて少な
く、親水性向上に大きな効果があった。

【００１７】実施例２ 実施例１と全く同様の装置に粉末としてルチル型酸化チ
タンを使用した。反応容器中にアルゴン：ヘリウム＝５
０：５０容量比の混合ガスを入れて空気を置換し１０ｍ
ｍ間隔の電極に３ＫＨｚ ４０００Ｖの高周波電圧を印
加してグロー放電を行い下部回転電極の回転数を１５０
０回／分として上部電極の開口部から酸化チタンの粉末
を入れ、実施例１と同様に処理した。処理された酸化チ
タン粉末は親水性が向上し未処理のものと比較して分散
性が著しく良好になった。比較試験の結果を次に示す。
未処理の酸化チタンとプラズマ処理を行った酸化チタン
をそれぞれ各１ｇを別々の試験管に入れ更に蒸留水２０
ｃｃを加えて良く振蕩する。次にこの試験管を立てて静
置し、分散した酸化チタンの粉末が沈降して上が透明に
なるまでの時間を測定した。未処理のものは２３秒で完
全に沈降したが、実施例２の処理を行ったものは微細な
粉末が浮遊して沈降が遅く、完全に沈降するまで３分以
上を要した。したがってプラズマによって親水化された
２次粒子の形成を防いでいる事は明らかであり、大きな
効果が認められた。

【００１８】

【発明の効果】以上述べたように本発明では粉体を回転
する大気圧グロー放電プラズマ発生電極の中心部に供給
し、粉体に遠心力に基づく運動エネルギーを付与し、こ
れによって粉体を移動させると共にプラズマ処理を行う
ため粉体の京面を均一に処理することが出来、従来の粉
体の大気圧グロー放電プラズマ処理の場合に比してその
作業性が大いに向上させることが出来た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかるプラズマ処理反応装置の説明図

【図２】本発明で使用する電極の斜視図

【図３】上下電極を同時に回転する場合の１例の側面図

【図４】他の特殊電極の側面図及び平面図

【図５】電極に設けた放熱板の側面図

【符号の説明】

１ プラズマ反応容器 ２ 金属電極 ３ 誘
電体 ４ 原料供給口 ５ 粉体タンク ６ 回転定
量バルブ ７ ガス導入口 ８ ガス排出口 ９ 回転軸 １０ 回転装置 １１ 電極連結用ボルト、ナット

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも一方の電極が回転している円
   盤状の相対する電極間に、一方の電極の中心部に設けた
   原料供給口より粉体を前記電極間に供給し、粉体に回転
   電極に基づく遠心力を与えると共に電極間に高周波高電
   圧を印加して大気圧グロー放電プラズマを発生せしめ、
   該大気圧グロー放電プラズマにより粉体表面を処理する
   ことを特徴とする大気圧グロー放電プラズマによる粉体
   の処理方法。
2. 【請求項２】 ガスの導入口と排出口とを有するプラズ
   マ反応容器内に配置した少なくとも一方の電極の中心部
   に粉体供給口を設けた円盤状の相対する一対の電極と、
   該電極間に大気圧グロー放電プラズマを発生せしめるグ
   ロー放電プラズマ発生装置及び電極を回転させるための
   回転装置とからなる大気圧グロー放電プラズマによる粉
   体の処理装置。