JPH08511898A - ポリマー材の大気圧のグロー放電プラズマ処理方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 定常状態のグロー放電プラズマが、１気圧の圧力下で、最大５ｃｍの距離離隔し、１−１００kHzで１−５kVのrms電位（２０）で無線周波（ＲＦ）充電された一組の絶縁された金属板電極の間の容積（Ｓ）に発生する。電極間の空間は、空気、窒素酸化物、およびヘリウム、ネオン、アルゴン、等もしくはこれらの混合物のような貴ガスにより占められる。電極は、最も安定で均一なグロー放電を発生させるよう調節されているインピーダンスマッチングネットワークにより充電される。また、前述したプラズマ装置を使用した、溶融吹き出し方法によるポリマー布の処理方法も含まれる。

Description

【発明の詳細な説明】 ポリマー材の大気圧のグロー放電プラズマ処理方法および装置 発明の背景 本発明は、フィルムや織物、すなわち織布や不織布のような、有機および無機 ポリマー材の表面の特性の改良方法および装置に関する。 溶融吹き出しによるポリマー布（Meltblown polymer web）の多くの有用性の ひとつは、湿電池の金属板の分離材である。ベースポリマー化合物は、電解液に 対し不透過性である。溶融吹き出しによる不織布の構造は、その表面が電解液に より完全に濡れている場合、イオン透過性である。残念なことに、湿潤性という 、この後者の必要条件は、ナイロン、ポリプロピレン、ポリエチレンおよび、ポ リ（エチレン テレフタレート）のような商業ベースのポリマーのほとんどの固 有の特性ではない。 これらのポリマーの、溶融吹き出し法による布は、最近 電池の極板を分離す るものとして使用されているにもかかわらず、湿潤性は界面活性剤を使って化学 的に付与されている。このプロセスにより、危険な工業廃棄物が生成するばかり でなく、有効期限が限られた製品が生産される。 湿潤性は、体を拭いたり清潔にするためのテッシュや布、外科用スポンジ、け が用包帯、女性用生理用品および再利用可能な編織物材（woven knit fabrics） にも望ましい特性である。同様に、湿潤性は印刷や積層化のための重要な材料表 面の特性である。 最近、ポリマー布のグロー放電プラズマ処理により、（湿潤性の付与に）いく らか成功が納められている。「プラズマ」という用語は、通常イオン、電子およ び中性種からなる部分的にイオン化されたガスをさす。物質のこの状態は超高温 、もしくは強い直流（DC）もしくは無線周波（RF）電界の作用によって生成され よう。高温もしくは「熱（ホット）」プラズマは天体中の軽量体、核爆発および 電気アークに代表される。グロー放電プラズマは、賦課された直流もしくは無線 周波電界によってエネルギーを与えられ、ついで中性の分子に衝突した自由電子 によって発生する。これらの中性分子の衝突によりエネルギーが分子に移り、光 子、准安定種、個々の原子、フリーラジカル、分子片、単量体、電子およびイオ ンを含むであろう何種類もの活性種をつくる。これらの活性種は化学的に活性で ある、および／もしくは表面を物理的に改質させることができ、それ故化学化合 物の新しい表面特性と現存する化合物の特性の改変の基礎となりえるのである。 暗放電コロナとして知られる低パワープラズマは、紙、ウール、そしてポリエ チレン、ポリプロピレン、ポリオレフィン、ナイロンおよびポリ（エチレン テ レフタレート）のような合成ポリマーといった熱に弱い材料の表面処理に広く使 用されてきている。比較的低エネルギーであるため、コロナ放電プラズマは表面 を損傷することなく材料表面の特性を変えることができる。 グロー放電プラズマは、材料表面の非破壊改変に有用な別のタイプの比較的低 パワー濃度のプラズマを代表するものである。これらのグロー放電プラズマは有 効量の可視紫外線放射を発生させることができる。グロー放電プラズマは、それ 故、活性種が共存するときに可視およびUV放射を発生するというさらなる有益性 を持つ。しかし、グロー放電プラズマは、これまで典型的にはバッチ処理と高価 な真空システムの使用を必要としうる10トール以下の低圧もしくは部分的に真空 である環境において発生に成功している。幾種類かのポリマー種は、低圧グロー 放電プラズマに照射されることで、表面の湿潤特性が強化される。しかし、化学 的／物理的機構は理解されていず そして特性は乾燥によって失われる。 １気圧下で低パワー濃度プラズマを発生させることは新しくはない。１気圧の 空気中での平行な金属板間のフィラメント放電は、19世紀末期より公共水道設備 の処理のために使われる大容量のオゾン生成のためにヨーロッパにおいて使用さ れてきている。このようなフィラメント放電は、オゾン生成には有用であるが、 材料の表面処理にはその有用性は限られている。その理由はプラズマフィラメン トが表面に穴を開けがちかもしくは表面を不均一に処理しがちだからである。 それ故、本発明の目的は、溶融吹き出し法によるポリマー布および他のタイプ のポリマー基材の湿潤性を強化するための副生物を出さない製造方法を提供する ことにある。 本発明のもうひとつの目的は、安定で再湿潤可能な生産物を供給するポリマー 布もしくはフィルムを処理するためのグロー放電プラズマ方法を開示することで ある。 本発明のいまひとつの目的は、大気圧下および標準温度においてグロー放電プ ラズマを通して無定限長のポリマー布もしくはフィルムを連続的に処理するため の方法と装置を提供することである。 本発明のさらなる目的は、１気圧もしくはわずかにそれより大きい圧力下で動 作可能性を持つグロー放電プラズマの構造と動作上のパラメーターを開示するこ とである。発明の要旨 本発明は、生成物として改良された布、好ましくは、一様な大気圧下でのグロ ー放電プラズマに暴露することにより表面の強化された溶融吹き出し法によるポ リマー布を提供するものである。本発明は、また前記布の製造に特に適合する方 法およびこの方法を実施するために特に設計された装置も含む。 後に説明もしくは明らかにされる本発明の上記および他の目的は、中間のプレ ートもしくはスクリーンをその間に持ちうるあるいは持たない電気的に絶縁され た一組の金属板電極に基礎を置く装置によって成し遂げられる。これらのプレー トは、面と面を向き合わせて平行に据え付けられるか、もしくは最大で約５セン チ離した逆の位置で一様に配列されている。好ましくは、プレートは、水冷され 、かつ不伝導性の絶縁物により覆われているとよい。 望ましい均一なグロー放電が観察されるところの動作周波数および他のパラメ ーターの領域を広げるために、インピーダンスマッチングネットワークが、電極 を充電するための回路に加えられる。マッチングネットワークのパラーターはグ ロー放電の最も安定で、均一な動作に対して調整される。この状態はプラズマ反 応器の反応力が最小のときに起こる。 両方のプレートにつなげられている無線周波電力増幅器は、１ないし少なくと も５kV rmsの作業電圧および１ないし100kHzで、少なくとも180ワットの反応性 プラズマパワーを与える。 プラズマの発生の開始を補助するために、市販で標準のテスラコイルによる放 電を無線周波エネルギ印加プレート間の空間で短時間行ってもよい。金属板電極 間の電界は、使用ガスを電気的に分解するのに十分である程強くなければな らず、空気を使用する場合に比べヘリウムおよびアルゴンに使用する場合は十分 弱くする。R.F.周波数は後で述べるように正しいレンジの中になければならない 。なぜならもし低すぎると、放電は開始せず、もし高すぎると、プラズマはプレ ート間でフィラメント放電を起こすからである。比較的限られた周波数帯におい てのみグロー放電プラズマ反応器は、大気下でフィラメント放電を起こすことな く均一なプラズマを形成する。 少なくともプラズマが発生しているプレート間の空間には、湿潤性および再湿 潤性といった所望の表面特性を作る目的でポリマーフィルムおよび布といった材 料の処理を行うために１大気圧の空気、ヘリウムもしくはアルゴンを充填し、保 持する。図面の簡単な説明 図面に関しては同じ参照符号は同じもしくは類似の要素を指す。図面の中の幾 つかの図において： 図１は、本発明の構成要素のアセンブリィの概略構成図である。 図２は、本発明にエネルギーを供給するために特に適したインピーダンスマッ チングネットワークである。 図３、４および５は、それぞれ電源の出力手段回路の代表例である。 図６は、本発明の別の実施例を示す概略図である。 図７は、中間グリッドプレートをもつ１大気圧下のグロー放電プラズマ反応器 の上部チャンバーを示す概略図である。 図８は、均一なグロー放電プラズマの電圧、電流および電力波形のグラフを示 す。 図９は、フィラメント放電プラズマの電圧、電流および電力波形のグラフを示 す。 図１０は、電極に印加されるRMS（実効値）電圧の関数としての、mW/cm³単位 での全電力密度とプラズマ電力密度の両対数グラフである。 図１１は、R.F.周波数の関数としての、全電力密度およびプラズマ電力密度の 両対数グラフである。 図１２は、本発明の特別な動作実施例における増幅周波数と対応するブレーク ダウン電力の位相角のグラフである。 図１３は、本発明の特別な動作実施例における増幅周波数と対応する電力消費 のグラフである。具体例の詳細な説明 図１に示される本発明の概略構成図に関して、電極10は、代表的な正方形平面 寸法が21.6cm×21.6cmの大きさの銅板からなる。0.95cmの銅管の閉ループ11は、 極板（プレート）10に銀ろう付けされ、閉じた管状ループの反対側にはホースニ ップル12と13とがそれで接続される。電極板の端部は、電極端での電気的ブレー クダウンが起こらぬよう電極板と中間プレートとの間を分けるものと同じくらい の曲率半径を持たなければならない。ループ11に冷却液を流すための入口用ニッ プル12とそのような冷却液の出口ニップル13とに接続されている流体用導管は図 示されていない。 プレート10とループ11を有する金属製ユニットは、電極板の端部および後側か らの電気的なアークが起こらぬよう全側面を高度の不伝導性絶縁材料14によって 覆われている。 好ましくは、両プレート10間の距離sを平行を保ちながら最大約５cmに調整す る機構が与えられるべきである。そのような機構として上部および下部のプレー ト10に固定された棒状の調整具（ロッドアジャスター）15を図１に図式的に示す 。この配置により中間プレート30の位置は固定される。 平行ということは平行な平面という意味で使用されているが、この用語は表面 が平面でない物が実質的に等距離にあると言う意味をも示すと理解されるべきで ある。また他のシリンダーもしくはプレートに平行な軸を持つシリンダーの幾何 学的特性も含む。 プレート10は低インピーダンス、高電圧のR.F.電力増幅器20によってエネルギ ーを与えられ、この電力増幅器20は各々独立に１から少なくとも５kVのレンジの 可変電圧および１から100kHzのレンジの可変周波数の能力を持つ。R.F.電源20と プレート10の間には、図２により詳細が示されるインピーダンスマッチングネッ トワーク31が入ると考えられる。 プレートアッセンブリィは、周囲から隔離するためのバリアー21で囲まれてい る。バリアー21は、プレート10の間の投影された平板状の体積（空間）内を制御 されたガス雰囲気に保つのに適した囲繞構造をしている。入口ポート22は、空気 、ヘリウムもしくはアルゴン、ヘリウムもしくはアルゴンと酸素もしくは空気と の混合ガスもしくはアルゴンとヘリウムの混合ガスといった適当なガスを導入す るために設けられる。いずれにしても、隔離バリアー21内のガス圧は、それによ ってガス用の強固なシールの必要を除去もしくは減ずるように実質的にかけ られている。普通、入口ポート22を通って入る大気圧に加減されたガスの流入量 を漏出量と等しくするのに十分なように低く保てば十分である。隔離バリアー２ １の内側の圧力は本質的にバリアーの外側と同じなので、漏出量を増す大きな圧 力差はない。バルブ29によって調整されている通気用の導管（ベント管）28は囲 繞体の初期充填中の空気の漏出流路として設けられている。その後、バルブ29は 通常の動作の際は閉じられる。 材料を流すための狭いスリット23は、供給用リール24から巻取り用リール25へ 引き出される時、プレート10の間に材料布Ｗの経路を収容するために、隔離用バ リアー21の中に配設される。リール24および25の駆動は、プレート10間、かつあ る与えられた布の要素に対するプラズマの中の所定滞留時間を与えるよう制御さ れる。 （フィラメント放電とは反対に）望ましい均一なグロー放電プラズマを発生す る動作周波数および他のパラメーターのレンジを広くするため、図２にその一実 施例の概略が図示されているインピーダンスマッチングネットワークが、電極10 を充電するために電源回路に加えられている。このマッチングネットワークのパ ラメーターは、グロー放電の最も安定で均一な動作に対して調整される。この条 件はプラズマ反応器の反応力が最も小さくなったとき起こる。 図３ないし５は、各々の特徴（アトラクション）を持った交換可能な電源の変 形例（オプション）である。図３は、下部電極端子Ｔ₁が接地電位に接続されて いて、上部端子Ｔ₂が作業電位いっぱいに充電されている構成に相当する。図４ と５は電気的に等価、端子Ｔ₁とＴ₂が180°位相がずれているが最大電位の半分 のみである。図４は中央で接地されたセンタータップ変圧器を表すが、図５は ソリッドステート電源回路の実施例を表す。 図６に示されているのは２つの変形実施例であり、その機能は布Ｗを通して前 後にプラズマからの活性種を含む往復動するガス流を駆動することである。これ は往復動するシャフト33によって駆動されるベローズ35もしくは往復動するシャ フト32によって動かされるピストン36のいずれかによって完成することができる 。上部チャンバーの容積の変化により布Ｗの両側の圧力差が周期的に反転し、従 ってガスの流れも周期的に反転する。もう一つの実施例のように、ピストンの後 ろからの流路を点線で示した管34のように下部チャンバーに結合することができ る。 図６による本発明の実施例には、両材料流通スリット23間を索引される布Ｗを 支持するために電気的に接地されたスクリーン30が設けられる。この構成は、布 に蓄積された電荷を減少させ、上部のガス入口チャンバーと下部の通気チャンバ ーとの間の圧力差動薄膜として移動している織物（布）Ｗを構造的に支持する。 この掃引流の差動によりプラズマからの活性種を含むガスによる布Ｗの内部の飽 和が保証される。 １気圧の、均一なグロー放電プラズマ反応器において使用される電界はわずか 数kV/cmで、この値はもし直流ならばバックグラウンドとなるガスを電気的にブ レークダウンするには低すぎる。ヘリウムおよび空気のようなガスはこのような 低い電界でブレークダウンされるが、しかし、もしプラスのイオン群が２枚の平 行なもしくは一様に離間した電極の間でトラップされると、プラズマ内でのガス の寿命が非常に延び、と同時に電子は絶縁された電極に自由に移動することがで き、そこで表面電荷と再結合もしくは表面電荷を増強する。それ故最も望ましい 均一な１気圧のグロー放電プラズマは、RF電界の印加周波数が中間スクリーンと 電極との間でイオンをトラップするのに十分なほど高く、しかしながらRF電圧の 半周期の間に電子がトラップされるほどには高くないとき発生する。電子は双極 子の静電気力によりトラップされるであろう。 もしRF周波数が低すぎてイオンと電子の両方が境界に達し、再結合しうるなら ば、これら粒子の寿命は短くて、プラズマは発生しないかもしくはプレート間の わずかな粗いフィラメント放電が起こるかのいずれかであろう。中間スクリーン と電極板の間をイオンが振動するような狭いバンドにもし印加周波数が入ってい ると、イオンは振動の半周期中にいずれかの境界に達する時間がなく、長時間振 動し続ける。もし、もっと動きやすい電子がまだプラズマ容積から離れ境界表面 に衝突することができるならば、その時、望ましい均一なプラズマが発生する。 もし、印加RF振動数がまだ高く、電子およびイオンの両方が放電にトラップされ ると、その時放電はフィラメントプラズマとなる。 本発明は如何なる特別な理論に限定されるわけではなく、我々は電極の間隔、 RMS電極電圧、および２枚のプレートの間でイオンはトラップするが電子はトラ ップせず、かつ所望の均一な１気圧のグロー放電プラズマを発生させる周波数の 間の関係を示す。図７は、１気圧のグロー放電プラズマ反応器の上部チャンバー の概略図である。この空間の下方の境界は中間の平面なスクリーンか底面であっ て、もしRF電源の出力側が接地されたセンターのタップを持つ２電極にプッシュ プル回路として接続されているならば、この空間の下方の境界のフローティング 電位（ポテンシャル）は接地０に近い。ここに報告されるデータの中において、 中間スクリーンは誘導電流チョークと介して接地された。図７の構成におい ては、示されているように、印加電界をＸ軸方向に取ったデカルト座標系が適用 されている。接地された中間スクリーンと上部の電極との間の電界の最大値はＥ₀ であり、スクリーンと電極の離間距離は距離ｄである。サンプルがその上にさ らされているところの中間スクリーンは、中間平面を通ってイオンが上部チャン バーから下部チャンバーもしくはその反対に行かないようにすると考えられる。 図７に示される電極間の電界は次式で与えられる。 １気圧のグロー放電は、磁界の影響を受けないプラズマにおいて作用すると考 えられる。２つのプレートの間でのイオンもしくは電子の動きを示す等式はロー レンツモデルで与えられ、ここで電子およびイオンは中性のバックグラウンドガ スとのみ衝突し、中性なガスとの最後の衝突以来RF電界から得た全エネルギーを 各衝突において放出する。ローレンツモデルにおけるイオンもしくは電子の動き を与える等式は次式で与えられる。 ここで、右辺の第一項はローレンツ衝突項であり、この項にしたがって衝突頻 度ｖ_cで起こる衝突のたびにモーメントｍｖが失われる。等式２のｘ成分は次式 で与えられる。 ここで等式１からくる電界Ｅは等式２の右辺に代入されている。等式３の一般 解は、下記式で得られる。 ここで、定数Ｃ₁とＣ₂は次式で与えられる。 １気圧のヘリウムのグロー電は、ω／２πが１から30kHzの間の周波数で動作 される。ここで、１気圧のヘリウムでは以下の通りである。 等式７ａと７ｂで与えられるイオンと電子の衝突頻度（周波数）はRF周波数よ りもはるかに大きい、すなわちｖ_c＞＞ω。である。イオンおよび電子に対する Ｖ_c＞＞ωなる関係は、Ｃ₂が定数Ｃ₁よりもはるかに大きいこと、または下記を 意味する。 プレート間の電界内のイオンおよび電子の時間依存位置は、等式８を等式４に 代入して与えられ、次式として得られる。 半周期中のイオンもしくは電子のRMS変位は次式で与えられる。 もしＶ₀がヘルツ単位の駆動周波数であるとすると、ラジアン単位でのRF周波 数は次式で与えられる． そして、プレート間の最大電界をプレート間に現れる最大電圧Ｖ₀によって近 似することができる。 もし問題の電荷が、全１周期の間に中間面からどちらか一つの電極板までの放 電幅を横切って動くなら、次式を書くことができる。 等式13は、粒子のRMS変位がプレート間に電荷を溜めるために全間隔の半分よ り少なくなければならないことを述べている。図７で示す幾何学において、距離 ｄは接地された中間スクリーンと充電された電極の間の距離で特定される。等式 11ないし13を等式10に代入すると次の関係が得られる。 もしそれ以上でプラズマ容積内において電荷の蓄積が起こるべきである臨界周 波数ｖ₀を解くならば、次のようになる。 等式15において、衝突頻度（周波数）ｖ_cは１気圧ではイオンもしくは電子に ついて各々等式７ａと７ｂにより近似的に与えられ、RMS電圧は、均一な放電が 起こる状態の上限と下限を与える。 １気圧の均一なグロー放電プラズマ反応器を動作させる時のパラメーターの範 囲は表１に与えられる。この放電が行われるところの通常の圧力は１気圧である 。表１に示された数Ｔｏｒｒの変動は、その日毎の気圧の変動を表そうというも のではなく、暴露されている織物を通って上部のプラズマから活性種を動かすこ とを目指している、中間面のスクリーンを横切る圧力差分を表すものである。表 １に示されたRMS電力はプラズマに供給される正味の電力で、これはプラズマ内 に現れる反応力よりも少ない。２電極板間のプラズマの全容積は次式で与えられ る。 ここで、ｄはプレートから中間スクリーンまでのｃｍ単位での距離である。 表１に示される電力密度は、電気アークやプラズマトーチのそれよりはるかに 低いが、コロナ放電といった他の形式でのプラズマ処理に伴う電力密度よりその 大きさで数オーダーも高い。１気圧のグロー放電プラズマの電力密度は、通常暴 露された織物を傷めない程度に十分低く、表面処理に対して用いられるコロナプ ラズマよりも十分に高い、なんとなれば前者は後者よりも遥に活性な種を提供し なければならないからである。電子の運動温度および濃度（個数密度）といった プラズマのパラメーターは、我々の発明の開発の初期段階ではいくらか推論的で ある。フローティングラングミュールプローブ（Langmuir prove）を使ってプラ ズマ中間面を探査して得られた幾つかの結果によれば、中間面のスクリーンを接 地することなしに、プラズマは数100ボルトのプラスの電位にフロートするであ ろうことが示される。イオンの運動温度はしばしば室温での原子の運動温度に極 めて近く、これらの高い圧力において頻繁にイオンは原子に衝突する。すなわち 電子は明らかに中性のバックグランドの原子を励起するのに十分な数とエネルギ ーを持った状態にとどまり、したがってこのグロー放電を発生する。可視の光子 を放射する励起状態の存在は、電子が少なくとも１電子ボルトの運動温度を持つ ということを意味する。この高圧でのプラズマのパラメーターの測定が非常に難 しく、これはデバイ（Debye）距離に比して電子の平均自由行路が短いため通常 のラングミュールプロービング法が採用できないからである。電子数密度は、し かし、マイクロ波干渉法によって測定することができよう。 図８と９には、同じ電極離間距離およびガスフロー条件において、しかしなが ら２つの異なった周波数においてヘリウム中で行った電圧と電流との２つの波形 が示される。図８は、周波数2.0kHzでの均一なグロー放電域で測定され、図９は 、周波数8.0kHzの均一なプラズマの動作帯域よりも上の周波数でフィラメント放 電が観測される領域で測定された。我々のRF電源の高出力インピーダンスはトレ ースＢで示す電圧の波形となり、これは非常に正弦波に近い。反応電流波形（ト レースＣ）は各周期で２回、１回は電圧が正のとき、もう１回は電圧が負のとき に、プラズマのブレークダウンによって妨げられる。トレースＡは、ヘリウム中 ではなく空気中での同じ電圧および動作条件での反応電流波形を示す。この条件 下では空気中ではいかなるプラズマも認められず、電力は完全に反応性を有す。 このトレースＡの純粋に反応的な電流をトレースＣの全プラズマ電流から引くと トレースＤが求められる。プラズマ（トレースＥ）中に含まれる瞬間的な電力は 、反応電流（トレースＤ）を上回る過剰なプラズマ電流とその時点での電圧（ト レースＢ）を掛けることにより求められる。平均電力は、示されているプラズマ の存続期間に渡って積算しこれをこの期間で割ることにより求められる。プラズ マへの電力と電力密度をこの極めて正弦波から外れている電流波形に対し計算し た方法はこの方法である。均一な放電を示す図８とフィラメント放電を示す図９ は、特徴的に異なる電力波形をトレースＥに示す。これは均一な放電をフィラメ ント放電から区別する方法である。 プラズマ電力はプラズマ中での活性種の生成率の比例するので興味あるところ である。反応電力は、プラズマ電源と其に伴う装置を動かすために必要な電力の 定格を決めるので重要である。全電力はプラズマ電力と反応電力の合計である。 図10には平行なプレートに印加されているRMS電圧の関数として、mW/cm³単位で 表したプラズマ電力と全電力の両対数グラフである。図10での活性なプラズマの 容積は1.63ｌで、この時のヘリウムガスのプラズマ内での中間スクリーンと各プ レートとの間の離隔距離ｄは1.75cmである。図11は、周波数の関数として両対数 軸上にプロットされた電力密度の同様の表示である。均一なプラズマ放電の領域 の大体の範囲を矢印で示す。これらのデータは、図10と同じプラズマ容積と電極 離隔距離に対してヘリウムガス内で測定された。実施例 １ 本発明の最初の動作実験例において、物理的な装置について記述している図１ は、１気圧のヘリウム中、標準温度でプレート10間の離隔距離ｓを3.0cmとした ときにグロー放電プラズマを維持する。プレートは4.4kV rms作業電位に充電さ れた。これらのパラメーターを一定に保つため、R.F.周波数は独立な変数として 増加された。従属変数として、図12は電圧波形ノードに応じて決められるような 対応するブレークダウン電流の位相角を図にしたものである。同様に、図13は各 R.F.周波数の時にプラズマを維持するために必要とされる反応およびプラズマ入 力電力を含む、全電力を図にしたものである。実施例 ２ 本発明の第２の動作実験例において、物理的な装置が示されている図１は、１ 気圧のヘリウム中、標準温度でプレート10間の離隔距離ｓを1.0cmとしたときに グロー放電プラズマを維持するために使用される。この実施例において、R.F.周 波数は30kHzに一定に保たれ、プレート電位は独立の変数として操作され、電流 のブレークダウンの位相Θ（表２）と全電力Ｐ（表３）は従属の変数として測定 された。 実施例 ３ 本発明の第３の動作実験例では、1.5kV rms電位に充電された電極板10間の離 隔距離ｓの１cmの間に１気圧のヘリウムが入れられた。R.F.周波数は独立の変数 として操作された。測定された従属変数として、表４にはブレークダウン電流の 対応する位相角Θを報告する。表５に示す従属変数は対応する全消費電力のデー タを報告する。 実施例 ４ 3.1ｌという最大容積のヘリウムプラズマは、R.F.周波数４kHzであるとき５kV rmsの電位をもつプレート離間距離3.2cmにおいて上述の装置を用いて得られた 。 ナイロン、ポリ（エチレンテレフタレート）、ポリプロピレンおよびポリエチ レンから作られたところの溶融吹き出し法による布は、湿潤性および再湿潤性の 増大という所望の材料特性をつくり出すためここに書かれたグロー放電プラズマ にさらされて処理されている。 材料の湿潤性は、ａ）材料表面で保たれている水玉の角度とｂ）所定の材料の 長さに沿って毛細管作用によって吸収するのに要する時間とを含む２種のテスト のいずれか一方もしくは両方により客観的に測定される。 このようなテストにより、ポリエチレン、ナイロン、ポリエステルおよびポリ エチレンのフィルムは、2.5分間プラズマに照射された後に、水球の角度が非常 に減少したということで証明されたように、湿潤性および再湿潤性が大いに改良 されたということがわかった。 ５kV,４kHzで電極板離間距離4.5cmのときのグロー放電プラズマによる2.5分間 の照射により、ポリ（エチレンテレフタレート）布は、０°の表面水球角度とIN DA標準吸収テストにより測定された37.37秒という吸収率を示した。プラズマ照 射に先立って、布は大きな水球角度を持ち、吸収能は全く持たなかった。 同様に、同じプラズマに60秒暴露した後、高い水球角を持ちなんら吸収能を持 たなかったナイロン布が、湿潤性および再湿潤性について表面水球角度０°およ び16.16秒の吸水率（INDA標準テスト）という値を出した。 もう１つ他の試験では、２つの異なった溶融吹き出し法による布、ポリ（エチ レン テレフタレート、PET）とポリプロピレン（PP）を、ヘリウムおよびヘリ ウムと活性なガスの混合ガスを作業ガスとして、0.5分ないし２分の処理時間の 間、１気圧のグロー放電プラズマによって処理した。電源電圧は1,000V_rmsない し4,000V_rmsであり、周波数は１kHzないし100kHzであった。布は、繊維の大きさ が２ないし2.5ミクロン、細孔の大きさが20〜25ミクロン、および多孔度90％で あった。表６はこれらの処理から得られた最初の幾つかの結果を示す。 湿潤性は接触角度、吸収性、および布の厚さ方向と表面での液体に対する浸潤 性により正当化された。吸収性は、液体（２回蒸留水）が2.4cm上がる時間を測 定する、INDA標準（１st 10.1-92）に従って測定された。繊維の表面の物理的変 化は、ETEC オート スキャン マイクロスコープを2,000 ｘ（倍）から4,000 ｘ（倍）のところで使用してとった顕微鏡写真によって分析された。 現在多くのデータは得られていないが、１気圧の環境空気で８kV/cmの電界に おいて図１に示される装置により均一なグロー放電プラズマが保持されることは 注目されるべきことである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 ０８／１４５，３４９ (32)優先日 1993年10月29日 (33)優先権主張国 米国（ＵＳ） (31)優先権主張番号 ０８／１４５，７８６ (32)優先日 1993年10月29日 (33)優先権主張国 米国（ＵＳ） (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＵ，ＣＡ，ＪＰ，ＫＲ，Ｒ Ｕ (72)発明者 リュウ，チャオユ アメリカ合衆国 37916 テネシー州 ノ ックスビル ＃405 ローレルアヴェニュ ー 1611 (72)発明者 ワーズワース，ローリー シー. アメリカ合衆国 37922 テネシー州 ノ ックスビル ビショップ ブリッジロード 2024 (72)発明者 スペンス，ポール ディー. アメリカ合衆国 37916 テネシー州 ノ ックスビル ＃202Ａ サウス17ティエイ チストリート 410 (72)発明者 ラルーシ，モニール アメリカ合衆国 37916 テネシー州 ノ ックスビル ローレルレーン 1611 アパ ートメント 101

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．無線周波（ＲＦ）増幅手段によってエネルギが付与される電気的に絶縁され た一組の電極を有し、前記ＲＦ増幅手段が、１ないし１００kHzで１ないし少な くとも５kVの電位を持つインピーダンスマッチングネットワークでエネルギを前 記電極に付与し、前記電極が、約１気圧の圧力のグロー放電プラズマ維持ガスで 前記電極間の容積空間を充填する手段に対して互いに反対側に等距離に整列され かつ固定されるグロー放電プラズマ発生装置であって、 前記装置は、ＲＦ電界の印加周波数を付与することによって均一な１気圧のグ ロー放電プラズマを生成し、かつ維持する手段を有し、前記ＲＦ電界の印加周波 数は、前記電極間の前記プラズマの陽イオンをトラップするのに十分に高いが、 前記プラズマの電子も、またＲＦ電圧の半サイクルの間にトラップされるほど高 くないグロー放電プラズマ発生装置。 ２．前記電極板間の前記容積空間を充填する前記手段は、前記電極板およびこれ らの電極板間の容積空間を囲繞する囲繞体を有する請求項１に記載の装置。 ３．請求項１または２に記載の装置であって、前記ガスの実質的に定常な供給流 によって前記囲繞体内の圧力を約１気圧に維持するガス供給手段を有する装置。 ４．前記ガスは、ヘリウム、アルゴン、空気またはこれらの任意の２つの混合物 である請求項１ないし３のいずれかに記載の装置。 ５．前記電極板は、流体冷却されている請求項１ないし４のいずれかに記載の装 置。 ６．前記電極板から熱を引き抜くために流体流導管が前記電極に結合されている 請求項５に記載の装置。 ７．インピーダンスマッチングネットワークを持つ無線周波（ＲＦ）増幅手段に よってエネルギが付加された２個の電極間の容積空間内にグロー放電プラズマを 発生する方法であって、該方法は、前記増幅手段を動作させて、１ないし１００ kHzの周波数で１ないし少なくとも５kV_rmsの電位に前記電極を充電する工程と、 前記電極間の容積空間をグロー放電プラズマ維持ガスで約１気圧の圧力に充填す る工程とを有し、 均一な１気圧のグロー放電プラズマは、電極間のプラズマの陽イオンをトラッ プするのに十分に高いが、プラズマの電子がまたＲＦ電圧の半サイクル中にトラ ップされるほど高くないＲＦ電界の印加周波数を用いることによって生成されか つ維持されるグロー放電プラズマ発生方法。 ８．前記電極は、前記ガスの実質的に連続な流れによって内部的に充填される周 囲のガスバリヤによって囲繞される請求項７に記載の方法。 ９．前記ガスは、ヘリウム、アルゴン、空気またはこれらの任意の２つの混合物 である請求項７または８に記載の方法。 １０．前記電極は、それらの間の離隔距離が５ｃｍ以下であるように位置決めさ れる請求項７ないし９のいずれかに記載の方法。 １１．前記電極の少なくとも一方は、他の電極に対してその位置が調整可能であ る請求項１０に記載の方法。 １２．前記増幅器周波数は、１ないし１００kHzのレンジに亘って可変である請 求項７ないし１１のいずれかに記載の方法。 １３．前記増幅器電位は、１ないし少なくとも５kV_rmsのレンジに亘って可変で ある請求項７ないし１２のいずれかに記載の方法。 １４．布の表面特性を改善する方法であって、該方法は、一対の離間した電極間 の容積空間にグロー放電プラズマ維持ガスを充填し、前記電極間に活性種を持つ 維持された、均一なグロー放電プラズマを発生させ、ここで、前記電極は、約１ ないし１００kHzの周波数で約１ないし少なくとも５kV_rmsのレンジに亘って無線 周波増幅手段によって充電され、前記布を前記電極間かつ前記プラズマ内に所定 時間間隔、かつ前記布を通して前記活性種を差分的に動かす圧力下に位置させる ことからなる布の表面特性改善方法。 １５．前記ガスは、貴ガスである請求項１４に記載の方法。 １６．前記ガスは、ヘリウム、アルゴン、空気またはこれらの任意の２つの混合 物である請求項１４に記載の方法。 １７．前記布は、溶融吹き出し法によるポリマー布である請求項１４ないし１６ のいずれかに記載の方法。 １８．前記周波数は、約１ないし３０kHzである請求項１４ないし１７のいずれ かに記載の方法。 １９．前記布は、前記プラズマ内に所定経過滞溜時間を与えるために実質的に連 続な速度で、前記電極の間を引き張られる無定限長さを持つ請求項１４ないし１ ８のいずれかに記載の方法。 ２０．約１ないし１００kHzの周波数で、約１ないし少なくとも５kV_rmsの電位で 動作する無線周波増幅手段によって発生される持続性のある大気圧のグロー放電 プラズマへの所定時間の暴露によって製造される湿潤性および再湿潤性が強化さ れた表面を持つ溶融吹き出しポリマー布。 ２１．前記プラズマは、貴ガスによって持続される請求項２０に記載の溶融吹き 出しポリマー布。 ２２．前記ガスは、ヘリウム、アルゴン、空気またはこれらの任意の２つの混合 物である請求項２０に記載の溶融吹き出しポリマー布。 ２３．請求項２０ないし２２のいずれかに記載の溶融吹き出しポリマー布であっ て、ポリプロピレンから製造される溶融吹き出しポリー布。 ２４．前記周波数は、約１ないし３０kHzである請求項１ないし２３のいずれか に記載の溶融吹き出しポリマー布。