TW202210170A - 用於電漿處理系統的臭氧降解的系統及方法 - Google Patents

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Abstract

本揭示內容描述了材料表面處理系統及方法，該些材料表面處理系統及方法採用副產品處理系統接收施加電漿時產生的副產品，該副產品處理系統用以降解副產品且自材料表面處理排出降解的副產品。所揭示的副產品處理系統在自材料處理系統排空之前改變副產品，以減少或消除副產品對周圍大氣的污染。

Description

用於電漿處理系統的臭氧降解的系統及方法
相關申請案的交互引用
本申請案為2020年7月29日提交的題為「用於電漿處理系統的臭氧降解的系統及方法」的美國臨時專利申請案第63/058,247號的非臨時專利申請案，其全部內容以引用的方式併入本文中。
一些材料表面處理系統利用高壓電極藉由放電處理諸如箔或薄膜之類的物品的表面。常規處理系統用於修改經處理材料的特性。該些系統可以採用電暈及電漿處理系統，該些電暈及電漿處理系統採用電暈電極及電漿電極產生用於處理材料的電漿。然而，使用電暈及電漿處理系統會產生副產品，若不進行處理，該些副產品可能會導致大氣污染。因此，製造商將自減輕副產品問題的材料表面處理系統或方法中受益。
揭示了用於材料表面處理的系統及方法。特別地，系統及方法採用副產品處理系統接收施加電漿時產生的副產品，該副產品處理系統用以降解副產品且自材料表面處理排出降解的副產品。
本發明的這些及其他特徵及優點將由以下詳細描述且結合發明申請專利範圍而變得顯而易見。
本揭示內容描述了材料表面處理系統及方法，該些材料表面處理系統及方法採用副產品處理系統接收施加電漿時產生的副產品，該副產品處理系統用以降解副產品且自材料表面處理排出降解的副產品。在一些實例中，處理氣體及/或大氣氣體在材料表面處理期間經受電漿放電。因此，氣體可能產生一或多個副產品。所揭示的副產品處理系統在自材料處理系統排空之前改變副產品，以減少或消除副產品對周圍大氣的污染。
在一些實例中，副產品包括臭氧。臭氧(O3 )為由自然或人工製程產生的三個氧原子組成的高活性氣體。然而，當曝露在大氣中時，臭氧可能會藉由與大氣氣體、敏感材料及/或有機化合物或結構相互作用而污染周圍環境。
臭氧為有問題的，因為它可能會在很長一段時間內保持揮發性。例如，空氣中的臭氧在較冷的溫度下可能有數月的半衰期，在標準溫度與壓力(standard temperature and pressure，STP)下可能有數天的半衰期。然而，臭氧在升高溫度(例如，250攝氏度或更高)下的半衰期可能只有數秒鐘。附加地或替代地，臭氧可以藉由曝露於特定輻射能量(諸如，紫外線範圍(例如，280-100 nm的紫外光C(ultraviolet C，UVC)範圍)內的波長)而降解。
在揭示的實例中，副產品處理系統用以自材料表面處理系統接收副產品以在捕獲及/或排放副產品之前降解副產品。例如，基於電漿的材料處理製程的副產品自材料處理環境排出且由副產品處理系統接收。副產品處理系統可包括用以接收、濃縮及/或隔離副產品的充氣部、歧管或其他結構。一旦在副產品處理系統內，則副產品降解裝置使副產品經受旨在降解副產品的一或多種技術。例如，技術可包括(例如，經由一或多個加熱元件)施加熱、(例如，經由一或多個輻射源)輻射及/或一或多種材料(例如，催化劑、化學製品如氯、結構捕獲等)以降低及/或以其他方式減輕副產品污染特性。
對於臭氧副產品，高能輻射及/或熱量的施加會導致臭氧(O3 )降解為氧氣(O2 )。因此，藉由副產品處理系統自材料表面處理環境引導臭氧副產品，一部分臭氧可以降解為氧氣。結果為釋放至工作環境及/或大氣中的副產品中含有污染臭氧的比例較低。
在一些實例中，副產品降解裝置可以包括輻射源(例如，紫外光源)及/或加熱元件(例如，電阻加熱器)以降解副產品。例如，紫外光源提供UVC波段的光(例如，波長在280奈米與100奈米之間)。
附加地或替代地，副產品處理系統可以結合其他裝置及/或技術以進一步影響臭氧降解。例如，副產品處理系統可包括一或多種催化劑及/或一或多種材料表面處理以加速副產品的降解。副產品降解裝置可以與電極及/或材料共線佈置，且可包括(例如，位於整個副產品處理系統的各個位置的)多個副產品處理裝置。可以優化副產品處理裝置的佈置及/或類型以及過濾器、催化劑等的添加以確保降解最大量的臭氧用於特定應用。
可以配備材料表面處理系統來處理具有低表面張力的各種材料(例如塑膠，諸如聚乙烯及聚丙烯)，該低表面張力抑制了與表面處理，諸如印刷油墨、塗料及/或黏合劑的結合。材料表面處理系統用於改變特定材料(例如塑膠及/或柔性基材)的特性以用於特定應用(例如，油墨、塗料、黏合劑及/或層壓材料)。例如，塑膠薄膜通常需要某種類型的表面處理，以實現與油墨、黏合劑等的適當化學結合。與紙張等多孔材料形成對比，其中油墨能夠滲透至介質中。
使用這些系統及方法可以有效處理多種材料(例如，聚乙烯、聚丙烯、尼龍、乙烯基、PVC、PET、金屬化表面、箔、紙及紙板原料)。
已經實施了各種技術為這些材料提供所需的材料特性。例如，電暈處理為一種表面處理，採用相對低溫的電暈放電來改變材料的表面特性。採用一或多個電極的電暈處理以合理的成本提供了理想的黏著特性。電暈電極產生高壓放電，且可有效改變工作材料(例如塑膠、紙、箔等)的表面能。
另一實例為電漿處理，其中將氣體注入電極放電以處理材料表面。例如，某些材料更容易接受電漿處理，而非電暈處理，以實現所需的材料特性，例如結合特性。
與電暈處理相比，電漿處理通常具有更高的成本及複雜性，例如使用更複雜的電極及更多的製程控制。因此，電漿處理的更多實施在工業中受到限制。然而，一些材料對電漿處理的反應比電暈處理更有利，例如，含氟聚合物、聚丙烯等。
如本文所揭示，分別採用電暈電極及電漿電極的電暈及電漿處理系統皆可用於降解副產品且自材料表面處理排出降解的副產品，如以下實例中所提供。
有利地，所揭示的材料表面處理系統及方法用以諸如在預先存在的抽空管或路徑中結合副產品處理系統。因此，現有的材料表面處理系統可以由副產品處理系統修整，無需向工作環境添加單獨的機器或裝置。
雖然本文參考材料表面處理系統提供了副產品處理系統的實例，但副產品處理系統適用於處理來自產生副產品的任何系統或製程的副產品。此外，雖然一些實例涉及包括臭氧的副產品，但其他副產品可以藉由使用例示性副產品處理系統類似地降解。例如，由於殺菌及/或殺微生物作用(例如，鈍化有機化合物、細菌、病毒(包括冠狀病毒)、蛋白質)，紫外光輻射及/或熱量的應用可用於對環境進行消毒、殺菌及/或淨化。
在揭示的實例中，提供了一種材料表面處理系統，該系統包括電極，該電極用以產生放電以產生由電離製程氣體組成的電漿且將電漿施加至處理環境中靠近電極的材料。亦包括副產品處理系統，用以接收施加電漿時產生的副產品，該副產品處理系統用以降解副產品且自材料表面處理排出降解的副產品。
在一些實例中，副產品包含臭氧。
在一些實例中，副產品處理系統包含用以降解副產品的紫外光源。在實例中，紫外光源提供波長在240奈米與260奈米之間的光。在一些實例中，紫外光源佈置在充氣部中，該充氣部用以接收來自處理環境的副產品且自材料處理系統排出降解的副產品。在一些實例中，紫外光源與電極共線佈置。
在一些實例中，副產品處理系統包含用以降解副產品的加熱元件。在一些實例中，副產品處理系統進一步包含用以加速降解副產品的一或多種催化劑。
在一些實例中，副產品處理系統包含一或多個表面，該表面一或多個包含加速降解副產品的材料。在實例中，材料包含碳、碳纖維或惰性表面處理。
在一些揭示的實例中，材料表面處理系統包括電極，該電極用以產生放電以產生由電離製程氣體組成的電漿且將電漿施加至處理環境中靠近電極的材料。副產品處理系統與電極的一部分共線佈置。副產品處理系統用以自處理環境接收施加電漿時產生的副產品、降解副產品且自材料表面處理排出降解的副產品。
在一些實例中，系統包括用以於材料接合的接地輥，待經受電漿的材料隨著電漿吸引至接地輥而自電極排出，其中接地輥電連接至參考電壓。在實例中，接地輥與副產品處理系統的一部分共線佈置。
在一些實例中，降解的副產品自副產品處理系統排放至副產品處理單元。在實例中，副產品處理單元包含過濾器、化學催化劑或熱源中的一或多者。
在一些實例中，電極包含電漿電極或電暈電極中的一者。在實例中，副產品包含臭氧。在實例中，副產品處理系統包含用以降解副產品的紫外光源或加熱元件中的一或多者。
在一些揭示的實例中，材料表面處理系統包括電極，該電極用以產生放電以產生由電離製程氣體組成的電漿且將電漿施加至處理環境中靠近電極的材料。副產品處理系統用以接收施加電漿時產生的副產品，該副產品處理系統包含輻射源，該輻射源用以照射副產品以使副產品降解。在一些實例中，副產品包含臭氧。
如本文所用，術語「電源」係指能夠在對其施加電力時向的材料處理系統供電的任何裝置，包括但不限於反向器、轉換器、諧振電源、準諧振電源等，以及與其相關的控制電路系統及其他輔助電路系統。該術語可包括能量儲存裝置及/或電路系統及/或連接以自各種外部電源汲取電力。
如本文所用，「電路(circuit)」或「電路系統(circuitry)」包括任何類比及/或數位組件、電源及/或控制元件(例如微處理器、數位訊號處理器(digital signal processor，DSP)、軟體等)、離散及/或積體組件或其部分及/或組合。
如本文所用，「功率轉換電路」及/或「功率轉換電路系統」係指將電功率自一或多種第一形式(例如，發電機輸出的功率)轉換為一或多種第二形式的電路系統及/或電氣部件具有電壓、電流、頻率及/或回應特性的任意組合。功率轉換電路系統可包括安全電路系統、輸出選擇電路系統、測量及/或控制電路系統及/或任何其他電路以提供適當的特徵。
如本文所用，術語「第一」及「第二」可用於列舉相同類型的不同組件或元件，但不一定暗示任何特定順序。
第1圖示出了材料處理系統10，該材料處理系統10包括與電源12電通訊的放電電極14。電極14可以佈置在外殼24中，該外殼24可產生受控處理環境(例如，受控壓力、溫度、副產品的內含物等)，在該受控處理環境中進行材料處理製程。在一些實例中，採用接地輥16(例如，具有接地路徑或其他參考電壓的接地裸輥)且佈置成允許材料輻22(例如，織物、紙、塑膠、薄膜等)流過電極14附近以便由電極14放電產生的電漿32處理。
在一些實例中，放電電極14由介電管(例如，陶瓷)或不銹鋼電極組成，且接地輥16由金屬材料(例如，不銹鋼輥等)或介電材料(例如，陶瓷或玻璃覆蓋的矽、彈性體、各種聚合物等)覆蓋的接地輥，該些接地輥協作以沿電極14的長度均勻分佈高壓電荷。
提供功率輸入的電源12可包括高壓變壓器、功率轉換器及/或電源(例如，市電)。在一些實例中，電源12向放電電極14提供約10瓦分每平公尺與110瓦分每平公尺之間的施加功率密度，且在一些實例中提供約20瓦分每平公尺與60瓦分每平公尺之間的施加功率密度，但亦可以考慮其他範圍。
系統10接收製程氣體，該製程氣體隨後經由導管27(例如，經由風扇、泵等)傳送至電極14與接地輥16之間的區域。當處理氣體28到達電極14時，高壓放電產生電漿32，該電漿32使處理氣體的分子電離。例如，製程氣體中電離分子的官能基(例如羥基)吸引至接地輥16，將電漿32拉向材料22。電漿32亦傳播電離分子的碰撞。具體地，回應於在材料表面處理製程中施加電漿32，可以改變材料的一或多種特性，例如調整材料的孔隙率、黏合能力或強度，作為非限制性屬性列表。例示性材料處理製程可產生一或多種副產品30(例如，水蒸氣、未反應氣體、臭氧)。
對於一些工業製程，一或多種副產品30可指定為在材料處理製程之後需要處理。例如，副產品可能以有害的方式與大氣反應，使得在可以將副產品30釋放至工作環境或大氣中之前需要對副產品30進行處理。如第1圖所示，一或多個排氣口52將副產品30自外殼24內的材料處理環境吸引至副產品處理系統49。例如，副產品處理系統49可包括管50(例如，導管、充氣部、歧管等)及副產品處理裝置54(及/或多個副產品處理裝置54A)。一旦經處理，處理過的副產品30A經由出口或充氣部56 (例如藉由風扇62的動力)自管50排出。
在一些實例中，副產品處理裝置54為紫外光源(例如，發射波長在280奈米與100奈米之間的紫外光C (ultra-violet C，UVC)帶中的光)。副產品處理裝置54佈置在管50 (或充氣部、歧管、導管等)中，使得電極14的部分或全部長度對應於副產品處理裝置54的長度。例如，排氣口52可以沿著副產品處理系統49或管50的長度佈置，使得副產品30容易經由排氣口52吸入管50中(例如，藉由風扇62產生的負壓，該風扇62可以位於氣室56處、處理單元60內及/或處理單元60之前及/或之後的一或多個位置)。一旦經處理，降解的副產品30A隨後經由充氣部56自材料處理系統10排出。在一些實例中，風扇62及/或其他裝置可用於調節經由及/或來自管50的排氣流量。
附加地或替代地，副產品處理系統49可以結合其他裝置及/或技術以進一步影響臭氧降解。例如，副產品處理裝置54、54A可包括用以降解副產品的加熱元件、一或多種催化劑(例如，引入管50內的大氣中，用作化學過濾器，包括MnO2 )，及/或一或多個材料表面處理以加速降解副產品(例如，碳、碳纖維、銅、銀或惰性表面處理，作為非限制性實例列表)。在一些實例中，這些裝置及/或技術中的一或多者(包括UV光的應用)可以提供在副產品處理單元60中。例如，副產品處理單元60可以自副產品處理系統49接收處理過的副產品30A進行附加處理。
在一些實例中，處理單元60可以附加地或替代地包括氮氧化物(NOx )緩解系統，該系統用以降低排氣副產品中升高的NOx 位準。在一些實例中，該NOx 緩解系統可以採用氨(NH3 )作為排氣的添加劑且將所得氣體引導至催化劑上。這種混合可以將NOx 轉化為天然基礎成分，諸如氮(N2 )及水(H2 O)。在一些實例中，NOx 緩解系統可以為與處理單元60分開的單元。例如，NOx 緩解系統可以直接連接至充氣部56及/或管50以接收副產品排氣30A，及/或連接至處理單元60本身。
在揭示的實例中，作為非限制性特性列表，材料為聚合物、合成紡織物及/或非紡織物、天然纖維紡織物、長絲、紗線、彈性體或金屬中的一種。在每一情況下，材料可能已經以各種組態進行處理。例如，材料可以呈現為基本上撓性的輻、膜、箔等，使得材料的傳送自源輥20轉移至接收輥18。在一些實例中，材料呈現為基本上平面，例如剛性、半剛性或撓性片、板塊、板等(參見例如第2圖的例示性系統)。
在一些實例中，材料處理製程由一或多個控制電路執行的諸如在積體或遠程計算平台上的一或多個程式控制。例如，控制電路、控制電路系統及/或控制器可包括數位及/或類比電路系統、離散及/或積體電路系統、微處理器、數位訊號處理器(digital signal processor，DSP)、現場可程式邏輯閘陣列(field programmable gate array，FPGA)及/或其他邏輯電路系統及/或相關軟體、硬體及/或韌體。控制電路或控制電路系統可位於形成部分或全部控制器的一或多個電路板上，且用於控制材料處理製程。控制電路可包括記憶體，該記憶體可包括揮發性及/或非揮發性儲存裝置及/或其他儲存裝置，以存儲資訊，例如程式指令，以供控制電路執行。
在一些實例中，製程氣體可以包含不同氣體的混合物，其中包括氮氣及氧氣的混合物。例如，製程氣體混合物可以包括濃度在約99%與80%之間的氮氣，且在一些實例中，在約97%與88%之間，然而亦可預期其他範圍。電漿氣體混合物可以包括濃度在約20%與1%之間的氧氣，且在一些實例中，在約12%與3%之間，然而亦可預期其他範圍。在一些實例中，作為非限制性實例列表，製程氣體或混合氣體在電離時可形成某些官能基，例如羥基、羧基、羰基或胺。
第2圖示出了另一例示性材料處理系統10，該材料處理系統10用以處理用於處理的基本上平面的物品。如第2圖所示，輸送系統包括平台及/或帶41中的一或多者，材料結構36 (例如，基本上平面的結構，例如剛性、半剛性或撓性片、板塊、板等)擱置在該平台及/或帶41上，因為該材料結構36穿過電極14與接地塊38之間的區域。在一些實例中，平台41由一或多個輥40、42驅動，且用作材料結構36的傳送機。在附加或替代實例中，材料結構36擱置在一或多個輥40、42上，且在沒有平台41的幫助下經由外殼24傳送。副產品處理系統49根據關於第1圖提供的實例操作，以處理來自材料處理製程的副產品30。
第3圖提供了根據本揭示內容的各態樣的表示例示性指令100的流程圖，該些指令100可以由第1圖及第2圖的例示性副產品處理系統執行，以降解副產品。在方塊102中，進行採用電漿的材料表面處理製程(例如，藉由使用電漿或電暈電極)。在方塊104中，電漿處理的副產品排放至副產品處理系統。在方塊106中，激活副產品處理裝置，使得副產品(例如臭氧)降解(例如還原成氧氣)。在方塊108中，將降解的副產品自副產品處理系統排出(例如，至副產品處理單元及/或環境)。
如本文所用，「及/或」係指列表中由「及/或」連接的任何一項或多項。例如，「x及/或y」表示三元素集合{(x), (y), (x, y)}中的任何元素。換言之，「x及/或y」係指「x及y中的一者或兩者」。作為另一實例，「x、y及/或z」係指七元素集合{(x), (y), (z), (x, y), (x, z), (y, z), (x, y, z)}。換言之，「x、y及/或z」係指「x、y及z中的一或多者」。如本文所用，術語「例示性」係指用作非限制性實例、例子或說明。如本文所用，術語「例如(e.g.)」及「例如(for example)」列出了一或多個非限制性實例、例子或說明的列表。
雖然已經參考某些實施方式描述了本方法及/或系統，但熟習此項技術者將理解，在不脫離本方法和/或系統的範圍的情況下，可以進行各種改變且可以替換等效物。此外，在不脫離本揭示內容的範圍的情況下，可以進行許多修改以使特定情況或材料適應本揭示內容的教導。例如，所揭示實例的系統、區塊及/或其他組件可以組合、劃分、重新佈置及/或以其他方式修改。因此，本方法及/或系統不限於所揭示的特定實施方式。相反，無論是字面上的還是在等效原則下，本方法及/或系統將包括落入發明申請專利範圍內的所有實施方式。
10:材料處理系統 12:電源 14:放電電極 16:接地輥 18:接收輥 20:源輥 22:材料 24:外殼 27:導管 28:處理氣體 30,30A:副產品 32:電漿 36:材料結構 38:接地塊 40,42:輥 41:平台 49:副產品處理系統 50:管 52:排氣口 54,54A:副產品處理裝置 56:充氣部 60:副產品處理單元 62:風扇 100:指令 102,104,106,108:方塊
在審查以下詳細描述及附圖後，本發明的益處及優點對於相關領域的一般技藝人士將變得更加明顯。
第1圖為根據本揭示內容的各態樣的材料表面處理系統的例示性示意圖。
第2圖為根據本揭示內容的各態樣的材料表面處理系統的另一例示性示意圖。
第3圖為根據本揭示內容的各態樣的例示性機器可讀指令的流程圖，該些機器可讀指令可由第1圖及第2圖的例示性材料表面處理系統執行以處理材料表面處理製程的副產品。
附圖不一定按比例繪製。在適當的情況下，相似或相同的附圖標記用於指代相似或相同的組件。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
10:材料處理系統
12:電源
14:放電電極
16:接地輥
18:接收輥
20:源輥
22:材料
24:外殼
27:導管
28:處理氣體
30,30A:副產品
32:電漿
49:副產品處理系統
50:管
52:排氣口
54,54A:副產品處理裝置
56:充氣部
60:副產品處理單元
62:風扇

Claims (20)

  1. 一種材料表面處理系統，包含： 一電極，用以產生一放電以產生由多種電離製程氣體組成的一電漿，且將該電漿施加至一處理環境中靠近該電極的一材料；及 一副產品處理系統，用以接收施加該電漿時產生的一副產品，該副產品處理系統用以降解該副產品卻自該材料表面處理排出該降解的副產品。
  2. 如請求項1所述之材料表面處理系統，其中該副產品包含臭氧。
  3. 如請求項1所述之材料表面處理系統，其中該副產品處理系統包含用以降解該副產品的一紫外光源。
  4. 如請求項3所述之材料表面處理系統，其中該紫外光源提供一波長在240奈米與260奈米之間的光。
  5. 如請求項3所述之材料表面處理系統，其中該紫外光源佈置在一充氣部中，該充氣部用以接收來自該處理環境的該副產品且自該材料處理系統排出該降解的副產品。
  6. 如請求項3所述之材料表面處理系統，其中該紫外光源與該電極共線佈置。
  7. 如請求項1所述之材料表面處理系統，其中該副產品處理系統包含用以降解該副產品的一加熱元件。
  8. 如請求項1所述之材料表面處理系統，其中該副產品處理系統進一步包含用以加速降解該副產品的一或多個催化劑。
  9. 如請求項1所述之材料表面處理系統，其中該副產品處理系統包含一或多個表面，該一或多個表面包含用以加速降解該副產品的一材料。
  10. 如請求項9所述之材料表面處理系統，其中該些材料包含碳、碳纖維或一惰性表面處理。
  11. 一種材料表面處理系統，包含： 一電極，用以產生一放電以產生由多種電離製程氣體組成的一電漿，且將該電漿施加至一處理環境中靠近該電極的一材料；及 一副產品處理系統，與該電極的一部分共線佈置，該副產品處理系統用以： 自該處理環境接收施加該電漿時產生的一副產品；及 降解該副產品，且自該材料表面處理排出該降解的副產品。
  12. 如請求項11所述之材料表面處理系統，進一步包含一接地輥，用以與該材料接合，待經受該電漿的該材料隨著該電漿吸引至該接地輥而自該電極排出，其中該接地輥電連接至一參考電壓。
  13. 如請求項12所述之材料表面處理系統，其中該接地輥與該副產品處理系統的一部分共線佈置。
  14. 如請求項11所述之材料表面處理系統，其中該降解的副產品自該副產品處理系統排放至一副產品處理單元。
  15. 如請求項14所述之材料表面處理系統，其中該副產品處理單元包含一過濾器、一化學催化劑或一熱源中的一或多者。
  16. 如請求項11所述之材料表面處理系統，其中該電極包含一電漿電極或一電暈電極中的一者。
  17. 如請求項11所述之材料表面處理系統，其中該副產品包含臭氧。
  18. 如請求項11所述之材料表面處理系統，其中該副產品處理系統包含用以降解該副產品的一紫外光源或一加熱元件中的一或多者。
  19. 一種材料表面處理系統，包含： 一電極，用以產生一放電以產生由多種電離製程氣體組成的一電漿，且將該電漿施加至一處理環境中靠近該電極的一材料；及 一副產品處理系統，用以接收施加該電漿時產生的一副產品，該副產品處理系統包含一輻射源，該輻射源用以照射該副產品以使該副產品降解。
  20. 如請求項19所述之材料表面處理系統，其中該副產品包含臭氧。
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