CN114900939B - 一种耐等离子体刻蚀绝缘介质板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高压放电绝缘介质板技术领域，尤其涉及一种耐等离子体刻蚀的绝缘介质板及其制备方法，包括以下步骤：S1、研磨绝缘介质板及制备薄膜材料；S2、在绝缘介质板上喷涂薄膜材料；S3、热处理制得成品。本发明中的绝缘介质板表面粗糙化处理后喷涂薄膜，能有效保护绝缘介质板材料不被等离子刻蚀和不被高压击穿。

Description

一种耐等离子体刻蚀绝缘介质板及其制备方法

技术领域

本发明涉及绝缘介质板的技术领域，尤其涉及一种耐等离子体刻蚀绝缘介质板及其制备方法。

背景技术

低温等离子体技术是一个集物理学、化学、生物学和环境科学于一体的交叉综合性技术，在空气净化、杀局消毒、除臭等方面得到了广泛的应用。该技术显著特点是对污染物兼具物理效应、化学效应和生物效应，且有能耗低、效率高、无二次污染等明显优点。其净化作用机理包含两个方面：一是在产生等离子体的过程中，高频放电所产生的瞬间高能破坏一些有害气体分子内的化学键，使之分解为单质原子或无害分子；二是等离子体中包含大量的高能电子、正负离子、激发态粒子和具有强氧化性的自由基，这些活性粒子和部分臭气分子碰撞结合，在电场作用下，使臭气分子处于激发态。当臭气分子获得的能量大于其分子键能的结合能时，臭气分子的化学键断裂，直接分解成单质原子或由单一原子构成得无害气体分子。同时产生的大量·OH、·HO2、·O等活性自由基和氧化性极强的O3，与有害气体分子发生化学反应，最终生成无害产物。

在低温等离子体中，引用最广泛的是介质阻挡放电等离子体技术。从放电结构上讲，介质阻挡放电装置主要包含一个绝缘介质板和两个放电电极，其产生等离子体的必要条件是需要耐高压且介电常数稳定的绝缘介质材料，如陶瓷材料、无机复合材料和有机高分子等绝缘材料。陶瓷材料具有优良的耐压性能及稳定性，但也有脆性大、异性件加工难度低的固有特性，对低温等离子技术的发展阻力很大。无机复合材料和有机高分子等绝缘材料虽有好的耐压性能和易加工性，但是在高能等离子体的作用下，其结构会被破坏，材料表面的稳定性随着使用时间的增加逐渐变差，表面产生极强的亲水性，对等离子体放电的稳定性产生很大的影响，绝缘介质的寿命随之降低，等离子体设备的使用成本也随之增大。

因此，亟需改善无机复合材料和有机高分子绝缘材料的性能，发展抗等离子刻蚀的绝缘介质板刻不容缓。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种耐等离子刻蚀绝缘介质板的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明的目的是通过以下技术方案实现的：提供一种耐等离子刻蚀绝缘介质板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、研磨绝缘介质板及制备薄膜材料；

S2、在绝缘介质板上喷涂薄膜材料；

S3、热处理制得成品。

优选地，所述步骤S1中，绝缘介质板双面研磨。

优选地，所述步骤S1中，利用磨料研磨绝缘介质板，所述磨料包括高硬度陶瓷粉、化学分散剂与去离子水。

优选地，所述高硬度陶瓷粉、化学分散剂与去离子水的比例为(0.3-0.6)：(0.1-0.2)：(0.5-0.9)，所述高硬度陶瓷粉的粒度为1-10微米。

优选地，所述步骤S1中，所述薄膜材料包括基体和增强体，所述基体喷涂在绝缘介质板上，所述增强体喷涂在基体上。

优选地，所述基体为纳米氧化铝溶胶，所述基体的成膜厚度为0.1-0.5㎜。

优选地，所述增强体为Al₂O₃填充后的聚四氟乙烯，所述增强体的成膜厚度为0.1-0.5mm。

优选地，所述增强体的制备方法为：

A1、硅烷偶联剂对A l₂O₃进行表面改性；

A2、抽滤得到沉淀物，甲苯洗涤沉淀物后烘干，得到改性后的A l₂O₃；

A3、将改性后的Al₂O₃加入至聚四氟乙烯浓缩水分散液中，搅拌后制得增强体。

优选地，所述改性Al₂O₃与聚四氟乙烯的重量比例为(60-80)：(20-40)。

本发明中的绝缘介质板表面的粗糙化处理，能够使铝溶胶基体层高效的黏附于介质板表面。而铝溶胶基体层未完全干燥直接喷涂增强体A l₂O₃-PTFE(聚四氟乙烯)分散液，既能够使得增强体高效的黏附于基体表面，而且使用的A l₂O₃粉末为1-10微米的不同粒径，当喷涂于基体表面后，就会形成均匀且“或高或低，凹凸不平”的类似于荷叶表面的表面结构，同时加入聚四氟乙烯的作用，能够在介质板表面形成一层很强的超疏水层，使绝缘介质板的放电过程能够极为稳定，不受空气中水蒸气的干扰。另外，使用铝溶胶作为基体材料，并在增强体材料PTFE中使用Al₂O₃粉体作为填充，是由于二者均为氧化铝陶瓷材料，氧化铝具有很高的键能，等离子体中的高能粒子无法将其化学键打断破坏掉，因此氧化铝具有很好的耐等离子体刻蚀性和很好的耐高压性能，更够有效的保护绝缘介质板材料不被等离子刻蚀和不被高压击穿。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的流程图

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

此外，“大致”、“基本”等用语旨在说明相关内容并不是要求绝对的精确，而是可以有一定的偏差。例如：“大致相等”并不仅仅表示绝对的相等，由于实际生产、操作过程中，难以做到绝对的“相等”，一般都存在一定的偏差。因此，除了绝对相等之外，“大致等于”还包括上述的存在一定偏差的情况。以此为例，其他情况下，除非有特别说明，“大致”、“基本”等用语均为与上述类似的含义。

参照图1，本发明提供了一种耐等离子刻蚀绝缘介质板及其制备方法，具体方法如下：

1、绝缘介质板(A、B两面)表面粗糙化处理：

(1)固定绝缘介质板：将绝缘介质板固定在研磨设备上，绝缘介质板表面紧贴设备传送带表面；先研磨A面，再研磨B面，AB两面为绝缘介质板相对的两个面。

(2)配置研磨磨料：磨料为浆料形式，由高硬度陶瓷粉、化学分散剂与去离子水均匀混合而成，混合质量比例为陶瓷粉：分散剂：去离子水＝(0.3-0.6)：(0.1-0.2)：(0.5-0.9)，其中高硬度陶瓷粉可使用氧化铝，氧化锆，碳化硅等材质，且粒度为1-20微米，之后将磨料注入研磨设备料筒内。

(3)研磨绝缘介质板：启动设备，绝缘介质板固定不动，由传送带加载磨料对紧贴传送带表面的绝缘介质板进行研磨，磨料通过气泵由料筒直接送入传送带的一端，由传送到的另一端回收进料筒内。研磨时间为3-10分钟。

(4)绝缘介质板清洗：先用去离子水洗掉表面磨料，再用无水乙醇清洗1-2次。

2、在绝缘介质板表面增加耐刻蚀超疏水薄膜

(1)薄膜材料制备：薄膜材料为两层结构，底层为基体材料，上层为增强体材料。薄膜的厚度为0.2-1mm。

A、薄膜基体材料：基体材料使用纳米氧化铝溶胶，铝溶胶的制备技术已经成熟选用市面上PH为4-5的铝溶胶作为基体材料，铝溶胶具有稳定性好和粘结性好的特点，同时纳米氧化铝具有很好绝缘性和耐等离子体刻蚀性。基体材料的成膜厚度为0.1-0.5㎜。

B、增强体材料：增强体材料选用Al2O3填充增强的聚四氟乙烯(Al2O3-PTFE)。

增强体的成膜厚度为0.1-0.5mm。

其中Al2O3的粒度为1-10微米。

使用硅烷偶联剂对Al2O3进行表面改性，硅烷偶联剂选用KH570，在Al2O3体中加入无水乙醇制作成悬浊液，40℃水浴加热并搅拌50分钟，期间加入300-400mL的硅烷偶联剂进行水解反应，反应结束后抽滤得到沉淀物，将沉淀物用甲苯进行洗涤一次，60℃烘干得到改性KH570-Al2O3。

将改性KH570-Al2O3加入到固含量为40-60％的聚四氟乙烯浓缩水分散液中，常温搅拌30-60min，即可得到增强体材料浆料。其中，改性Al2O3与聚四氟乙烯的重量比例为(60-80)：(20-40)。

通过硅烷偶联剂改性的Al2O3能够有效的与聚四氟乙烯紧密结合，能够均匀的分散于聚四氟乙烯中。

(2)薄膜制备

薄膜制备采用超声喷涂的方式。首先将铝溶胶基体材料灌入超声波喷涂设备中，均匀的喷涂于粗糙化处理的绝缘介质板表面，喷涂次数根据成膜厚度进行规定，喷涂方法可选用静电喷涂、超声波喷涂或普通喷涂；其次，基体材料喷涂1-5Min后，具有较高的粘结性，能够将增强体材料有效的黏附于表面，再将增强体Al2O3-PTFE分散液按同样的方式喷涂与基材表面，喷涂次数根据成膜厚度进行规定。最后将喷涂后的绝缘介质板放入烘箱内，在80-160℃的温度下热处理50-80min，即可得到表面有耐刻蚀超疏水薄膜的绝缘介质板材料。

其中，当陶瓷粉的比例高于0.6或粒度大于20微米时，对复合材料绝缘介质板的结构会产生破坏作用；而当陶瓷粉的比例低于0.3时，对绝缘介质板的研磨效果较差，基体膜不能有效的黏附于介质板表面，成膜后膜层于介质板之间产生分离的情况。而后，在研磨过程中，研磨时间低于3min时，绝缘介质板表面研磨效果较差，基体涂层不能有效的黏附于介质板表面，成膜后出现剥离情况；研磨时间高于10min时，对绝缘介质板的结构造成破坏情况。

清洗时，仅可采用无水乙醇进行清洗，使用其他有机溶剂可能会破坏复合材料的结构。搅拌时，为使偶联剂的水解反应更充分，需保证温度及搅拌时长。

另外，关于聚四氟乙烯浓缩水分散液的固含量：当低于40％时，成膜后进行老化测试，测试温度25℃、测试湿度60％、测试电压8KV、测试时长100小时后，电容变化率为15.8％，吸水率变化率为30％，疏水效果不佳；当高于60％时，KH570-Al2O3与聚四氟乙烯难以紧密结合，成膜后表面无法形成“荷叶结构”，进行老化测试，测试温度25℃、测试湿度60％、测试电压8KV、测试时长100小时后，电容变化率为18.3％，吸水率变化率为27％，疏水效果不佳。改性Al2O3与聚四氟乙烯的重量比例为(60-80)：(20-40)；当改性Al2O3大于80％wt且PTFE小于20％wt时，热处理之后膜表面产生裂纹。当改性Al2O3小于60％wt且PTFE大于40％wt时，成膜后进行击穿电压和老化测试，整体的击穿电压为12KV；测试温度25℃、测试湿度60％、测试电压8KV、测试时长100小时后，电容变化率为16％，吸水率变化率为12％，耐刻蚀效果不佳。

再者，薄膜制备时需保证温度及处理时间的要求，若温度和时间低于要求，成膜效果较差，会出现膜与介质板分离的情况；若温度和时间高于要求，容易导致膜结构遭受破坏。

需要明确的是，基体厚度低于0.1mm时，增强体将无法有力的黏附在基体表面；而高于0.5mm后，整体厚度增大，影响放电效果；增强体厚度低于0.1mm时，击穿电压显著降低；高于0.5mm后，整体厚度增大，影响放电效果。

以下为本发明的具体实施例：

以4种材料作为对比，分别是：A云母基绝缘介质板、B表面喷涂单层铝溶胶的云母基绝缘介质板、C表面喷涂单层聚四氟乙烯的云母基绝缘介质板、D云母基绝缘介质板+本发明方法及材料，上述A\B\C\D四种绝缘介质均已云母绝缘介质板作为实验材料，分别制作成介质阻挡放电结构样品，其中四种薄膜的厚度均为0.8㎜。做以下测试：

一、初始电容测试：在相同室温环境湿度下测试上材料制作成的介质阻挡放电结构样品电容值，观察电容分布是否均匀。

二、击穿电压测试：上述样品接入高压电源，在放电电压逐渐升高后，测量其击穿电压。

三、老化测试：上述样品在25℃、60％湿度环境下测量电容值及绝缘介质表面吸水率之后，在8KV电压下连续工作100小时，然后在相同的环境条件下测量电容值及绝缘介质吸水率。

四、记录老化测试过程中放电电压的稳定性。

测试数据如下表：

一、初始电容测试：温度25℃，湿度45％。

由数据可知，使用本发明方法及材料的绝缘介质材料的放电结构电容分布极为均匀，能够有力保证产品的使用稳定性。

二、击穿电压测试：温度25℃，湿度45％。

样品	A-4	B-4	C-4	D-4
					击穿电压/KV	9.35	10.56	9.89	15.21

由数据可知，使用本发明方法及材料的绝缘介质材料的击穿电压最高可达到15KV，与原始材料A相比增加了约62.7％。

三、老化测试：测试温度25℃、测试湿度60％、测试电压8KV、测试时长100小时。

由数据可知，使用本发明方法及材料的绝缘介质材料在老化100小时后电容增大仅为4.2％，吸水率增大仅为6.4％，相比原始材料分别降低了87.5％和95.5％。

四、记录老化测试过程中放电电压的稳定性

由数据可知，使用本发明方法及材料的绝缘介质材料的放电结构在测试过程中，输出电压很稳定在8±0.2KV，电源调频次数低于10次，而其他材料均不稳定，电源调频次数较多。

综上，本发明所述的方法及材料对改善无机复合材料和有机高分子等绝缘材料介质板的各项性能有很明显的作用，具体表现为同一批次、不同样品绝缘介质板组装成介质阻挡放电等离子体装置后的电容值方差减小；相比无涂层介质板，击穿电压显著增大；在老化过程中，由于潮湿所引起的放电装置电容增大现象得到了遏制、和等离子体电源的匹配更稳定。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种耐等离子刻蚀绝缘介质板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、研磨绝缘介质板及制备薄膜材料；

S2、在绝缘介质板上喷涂薄膜材料；

S3、热处理制得成品；

所述步骤S1中，利用磨料研磨绝缘介质板，所述磨料包括高硬度陶瓷粉、化学分散剂与去离子水；

所述步骤S2中，所述薄膜材料包括基体和增强体，所述基体喷涂在绝缘介质板上，所述增强体喷涂在基体上；所述基体为纳米氧化铝溶胶，所述基体的成膜厚度为0.1-0.5mm；所述增强体为Al₂O₃填充后的聚四氟乙烯，所述增强体的成膜厚度为0.1-0.5mm。

2.根据权利要求1所述耐等离子刻蚀的绝缘介质板的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，绝缘介质板双面研磨。

3.根据权利要求1所述的耐等离子刻蚀绝缘介质板的制备方法，其特征在于，所述增强体的制备方法为：

A1、硅烷偶联剂对Al₂O₃进行表面改性；

A2、抽滤得到沉淀物，甲苯洗涤沉淀物后烘干，得到改性后的Al₂O₃；

A3、将改性后的Al₂O₃加入至聚四氟乙烯浓缩水分散液中，搅拌后制得增强体。

4.根据权利要求3所述的耐等离子刻蚀绝缘介质板的制备方法，其特征在于：所述改性后的Al₂O₃与聚四氟乙烯的重量比例为（60-80）：（20-40）。