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1、低压等离子纳米涂层技术应用于气体和液体过滤介质的最新进展北京燕京电子有限公司编译比利时Europlasma 公司Filip Legein等离子体是电离了的“气体”，在真空状态下，射频发生器提供能量使气体发生辉光放电，电离成等离子态（物质的第四态）。它呈现出高度激发的不稳定态，包括处于高速运动状态的电子、处于激活状态的中性原子、分子、原子团（自由基）、离子化的原子、分子、分子解离反应过程中生成的紫外线、以及未反应的分子、原子等，但物质在总体上仍保持电中性状态。这些高能粒子和活性粒子与材料表面发生物理或化学的反应，从而达到材料表面清洁、激活、蚀刻、亲水性、疏水性、拒油性、低摩擦、易粘接、涂覆等各种
2、表面改性的目的。近年来，低压等离子体技术通过物质单体聚合作用，使沉积在材料表面的纳米级涂层，达到非常高级别的疏水性或拒油性。经过低压等离子处理，可以实现在气体过滤介质中永久的疏水或拒油性涂层，以及液体过滤介质、电池隔离膜等中永久的亲水性涂层。 通过低压等离子技术对过滤介质进行表面改性，由于其干式、环保的特点，越来越被人们广泛应用。用低压等离子体技术对气体和液体过滤介质进行处理，可提高过滤介质的质量，由于能量和化学品消耗很少，因此可降低生产成本。关键词：过滤介质，表面改性，纳米涂层，低压等离子体，亲水性，疏水性，拒油性， 等离子激活，等离子涂层引言：从上世纪80年代起，低压真空等离子体技术已在工
3、业上应用，起初是作为清洁和刻蚀方法应用，在印刷电路板上对其进行去污。后来，等离子体技术应用到硬塑料上，用洁净气体如氧气来激活聚合物，激活作用使聚合物外层分子链产生功能团，增加塑料表面的能量，从而增加了与油漆的黏结性或与油墨的黏结力，并能从三维方位对任何复杂形状的材料进行激活。这种对表面进行功能化的改性技术开辟了等离子体表面处理应用的新领域，如医疗器械、汽车内外饰件和电气消耗品等经等离子体处理后，具有高质量低成本的优势，且符合生态和环保要求。因此，等离子体表面激活技术被广泛应用，能代替打底漆、火焰处理或电晕处理等方法。Europlasma公司于15年前开始制造卷对卷(rollto-rol1)低压
4、等离子体处理设备，应用于柔性材料的等离子体激活。此后，很多机械制造厂都探索用低压等离子体表面处理技术对纺织品进行表面改性。在过滤介质产业上，等离子体涂层技术的应用得到了发展和突破。此工艺是用等离子体来聚合材料的单体，纳米级涂层沉积在材料表面，获得新的性能并具有持久的功能。采用创新的等离子体新工艺得到的沉积涂层具有高等级拒水和拒油效果；也可用于制造气体过滤产品或具有持久亲水效果的液体过滤产品以及电池隔板等。1 低压等离子体技术给物质增加能量可以使物质从固态转换为液态，从液态转换为气态，从气态转换为等离子体态(即称为物质第四态)。等离子体技术是工艺气体经电磁放电在低压(低温)状态下，建立稳定有效的
5、等离子体。在该条件下，工艺气体部分分解成基团和原子，并部分电离化。这些活性物质能够与材料的表面发生作用，在自然界中该作用表现为化学反应和物理过程。在等离子体处理设备中，与真空泵组相连接的工作箱体可以抽真空，内部充满工艺气体。为了有效地发挥等离子体作用，工作箱体中加入纯工艺气体，工作前的基础压力为（ Pa），一般工作压力为 Pa)。在工作箱体中有一组电极，频率为40 kHz、 MHz或 GHz。材料进行等离子体表面处理的模式有两种：一是被加工物质暴露在初级等离子体接地与动力电极之间；二是被加工物质暴露在电极外面的次级等离子体中，此处等离子体的腐蚀性较小。工艺气体可从气体先驱物或从液体或固体单体中
6、得到，单体供给装置保证被控制的工艺气体能进入箱体。2 低压等离子体涂层设备由于装载系统的不同，等离子体系统有多种外形。装载系统可以是一组托盘，置放硬件；也可以是一组卷绕系统，装载软性物质，如、薄膜和机织物等。处理过滤介质大部分采用卷对卷装载系统的低压等离子体涂层设备。图1是典型的卷对卷装载设备，被处理材料的卷芯是 75塑料筒，其宽度可达1 800 mm，卷装外径可达1 000 mm。图2是较小型的卷对卷装载设备，其卷装最大宽度为650 mm，卷装外径可达450 mm。图 1: Europlasma CD1800/1000 卷对卷设备图 2: Europlasma CD650/450 卷对卷装载
7、设备Europlasma公司还安装了空对空(air-to-air)低压等离子体系统。图3所示设备的处理材料宽度可达1500 mm。被处理材料是先经过几个低压的小型箱体，再经过中间大型箱体，其真空度可达到等离子体处理要求，然后再经过几个箱体，其压力逐渐增加到大气压力。创新型在线卷对卷装载系统在进行等离子体处理前可先进行湿性化学处理。图 3: Europlasma 公司在线空对空等离子处理设备图4是处理硬性过滤部件的等离子体处理设备。Europlasma CD4O0型设备真空箱体的内腔为400 mm400 mm400 mm，标准型托盘为4层，尺寸为305 mm360 mm40 mm。CD400型设
8、备还可以配备小型卷对卷装载系统，可根据产品需要量身定制各种不同尺寸的箱体。 图. 4: Europlasma CD400 等离子处理设备3 低压等离子体的激活作用在20世纪90年代早期，过滤工业开始用低压等离子体技术来激活过滤介质。等离子体激活作用使材料表面发生化学改性反应，但激活作用是不持久的，随着时间的推迟会逐渐衰退。被激活的过滤介质的存储期限一般是从数天到数月，取决于应用的要求。等离子体激活作用只作用于材料外表面的分子层，在聚合物分子链上建立新的化学基团，增加材料表面能量。表面能量越高，表现为与水的接触角越小，并具有良好的湿润性。激活气体是氧气、氮气、N2O,或者是混合气体，如N2H2，
9、根据加工材料及其以后的应用而选择气体品种。等离子体激活经常用于柔性和硬性过滤介质在粘接前、等离子体涂层前或化学涂层前的预处理步骤。等离子体激活可应用于用多孔塑料加工的硬性过滤介质中，低压等离子技术是独一无二的技术，因此激活作用可深入到多孔结构的内核心，如图5所示。图 5 多孔塑料制成的硬性过滤介质4. 低压等离子涂层 亲水涂层很长时期以来，工业界希望用等离子处理的材料表面能达到持久亲水性的效果。Europlasma公司开发了利用多种混合气体处理来达到持久的亲水涂层目的。这些混合气体为碳氢化合物和激活气体（如氧气或N2O）。持久亲水涂层工艺比单纯激活作用更受到欢迎。 血液过滤介质图6所示，在血液
10、过滤介质处理中就应用了持久亲水涂层工艺。在卷对卷设备上处理聚丙烯（PP）或聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT），得到持久亲水涂层，可用作血液过滤介质。 电池隔板图6 血液过滤器滤芯在电池隔板材料中，如可充放电镍氢电池的基材是PP或PBT,在自然状态中呈现拒水性。为了增加材料的湿润性，必须增加其表面能量，使电池具有较长的寿命。图7所示，聚合物材料，如用作镍氢电池中电池隔板的PP，采用持久亲水涂层工艺其亲水处理效果显著。对样品进行虹吸实验，未经涂层处理的材料无虹吸作用，而涂层材料在等离子处理两个月后，在200mm长度的样品上碱液（30%KOH无离子水溶液）的虹吸高度达到40mm。证明其具有持久亲水特性。
11、用该工艺处理的材料其虹吸效果比用其他任何化学方法处理更为有效。图 7: 经等离子持久亲水性涂层处理的PP的湿润性 持久功能的纳米涂层在20世纪90年代后期，创新的低压等离子技术实现了对处理材料进行单体聚合，具有新的持久功能的纳米涂层沉积于材料表面，使柔性和刚性材料得到高等级的输水和拒油效果。呼吸用口罩低压等离子涂层技术可应用于呼吸用口罩上，用几层熔喷PP材料作为过滤介质，在加静电前应用等离子体疏水或拒油涂层，可使材料对油性离子的过滤效率大大提高。按3M的AATCC试验方法118-1997要求，测得涂层材料一般的拒油水平达到3-4级。图8显示了用邻苯二甲酸二辛脂（DOP）测试的肉眼可见的拒油效果
12、。表1是用Certitest 8130仪器测试的过滤介质的过滤效果，用200mg的DOP粒子载体测试初始渗透率和经过一定时间后的延迟渗透率，试样是驻极五层单层的PP。表1数据清楚地证明，一层薄的等离子体拒油涂层就能增加过滤介质的初始和最终过滤效率，也即是经过涂层的R95过滤材料其性能可提升达到R99过滤材料的性能。图 8: 涂层熔喷PP拒油效果表1未经和经过等离子涂层的过滤介质性能比较样品等离子体涂层处理情况渗透率供应者面密度/初始延迟128未经128经过122未经122经过225未经225经过注：经过30min后的延迟渗透率；经过10min后的延迟渗透率。 空调（HVAC）系统用过滤材料根据
13、过滤介质检测规定的改变，在空调（供暖、通风、供冷）系统中越来越多地采用了等离子体涂层工艺，现介绍用异丙醇去静电后测试的过滤介质的中期效率。经过等离子体处理后再加静电的过滤材料，其初始和中期过滤效率均大大高于未经等离子体处理的过滤材料；用异丙醇去静电处理后，未经等离子体处理的过滤材料的过滤效率下降很多，但是经过等离子体处理的过滤材料的过滤效率则没有下降。经过等离子体处理的过滤材料具有抗酒精性。经等离子体处理的过滤材料用异丙醇去静电后具有很高的过滤效率，显著高于未经等离子体处理的过滤材料。未经和经过等离子体处理的过滤材料，两者过滤效率的差异在去静电之前就已显现。 内燃机用空气过滤材料用低压等离子体
14、涂层处理内燃机用空气过滤材料能够提高其过滤效率，这是一项新的应用。第六届欧洲“FLEXIFUNBAR”(多功能涂层应用于柔性材料，纺织品，玻璃及纸张)组织开发项目的目标是开发一种具有拒油疏水性能的新的空气过滤材料，并能通过倾析法试验获得成功。试验用材料是聚对苯二甲酸二丁酯(PBT)，等离子体涂层不会改变空气过滤材料的吸附灰尘能力和空气过滤效率。表2比较了PBT非织造过滤材料(新材料和老化材料)用4种不同等离子体涂层工艺(处理时间、工作室内输入电极功率)处理样品的倾析法试验结果，所用气体为混合的氟化碳。目标是试验持久时间至少要超过50 min，而经等离子体涂层处理后的材料持久时间长达9min；经
15、过老化处理后材料的水倾析时间虽然减少，但仍超过50min。不论新过滤材料还是老化过滤材料，倾析效率都处在高水平。经过等离子体涂层处理的材料握持灰尘能力和过滤效率均得到提高。表2 F13级PP过滤效率测试结果（%）样品新过滤材料老化过滤材料持久时间/min倾析效率/%持久时间/min倾析效率/%对比材料-涂层工艺 18060涂层工艺29060涂层工艺39362涂层工艺49060 其他过滤材料过滤介质生产者面临着行政部门的压力，要求其利用环境友好技术来替代当前湿法化学涂层方法，同时用户对过滤材料的拒油疏水等级要求进一步提高。欧洲ACTECO组织Europlasma公司及其合作者开发了很多新的涂层方
16、法来迎接这样的挑战。通过喷射和等离子体处理两者结合方法或单独用等离子体处理方法来进行纳米涂层，并考虑用低压真空等离子体和大气等离子体两者结合方法或用多种气体和液态先驱物两者结合来进行。低压等离子体全氟单(Perfluoromonomers)的聚合作用可得到最佳效果。在低压等离子体中沉积单体消耗量很少，对操作者和环保无影响，沉积工艺是在可控环境中进行的。聚酯(PET)纤维、棉及其，聚四氟乙烯(PTFE)薄膜经等离子体涂层处理后拒油水平可达7级以上(3M标准)。应用低压等离子体聚合作用进行涂层，同时还能使材料得到良好的抗磨损性和耐水性。5 等离子体涂层处理的经济性低压真空等离子体处理工艺，特别是利
17、用大型卷对卷处理设备，其成本是非常低的。表3是用Europlasma公司CD1800/600设备对25 g/m2 的PP进行拒油涂层的成本分析。该设备的运行速度为5 m/min；产品质量达到拒油3级(3M标准)，一卷长度7 500 m，门幅 m，总生产时间为27 h。如果此系统每周生产7 d，三班运转，每年生产47周，则全年共生产292卷；每卷13 500m2 ，共计全年生产万m2 。在批量生产中涂层成本约005欧元/m2 ，生产成本(主要包括气耗和电耗)约为003欧元/m2 ，如果用等离子体激活或亲水处理成本会更低，全部成本约为欧元/m2。主要设备尺寸合适，能力充分利用，固定成本约为总成本的
18、37 。如果用全氟单体聚合来达到拒油7级以上水平(3M标准)，需要更精密设备，处理时间更短，保持折旧成本在同样水平，则其生产成本也在欧元/m2，比诸多化学处理方法成本要低得多。表3 PP拒油涂层成本分析成本因素注解每平方米成本(欧元)电耗成本 欧元/KWh气耗成本总运行成本人工费用35 欧元/小时总可变成本折旧成本10年折旧总成本6 结语在过滤工业中已有多处能应用低压等离子体技术：多孔过滤介质等离子体激活；血液过滤产品亲水涂层； 电池隔板亲水涂层；其他过滤介质拒水/拒油涂层。低压等离子体技术适用于批量生产，低成本并具有环境清洁的优越性。推动过滤产品生产者对过滤介质的处理工艺从湿性化学方法转变为
19、干法清洁等离子体先进技术，有利于环境保护。Innovative nanocoatings for gas and liquid filter media by low pressure plasma technologyFilip Legein (Europlasma Ltd，Belgium)Abstract： The low pressure plasma technology and coating equipment were introducedUsing plasma coatingprocess with seve01 mixed gases，the treated materia
20、ls have permanent hydrophilityThe low pressure plasma process can made the novel nanocoated material surface have high grade hydrophobicity and olenphobicity by polymerization of monomer The gas and liquid filter media treated by low pressure plasma technology have good quality and low production costKeywords：low pressure plasma，surface treatment，coating，filter media,nanocoating, Hydrophilic, Hydrophobic ,Oleophobic, Plasma Activation, Plasma Coating