Proceso e instalación para la preparación de superficie mediante descarga de una barrera dieléctrica.

Un proceso para la preparación de superficie de substratos inorgánicos,

caracterizado porque comprende lasoperaciones siguientes:

- un substrato se introduce o se hace extender a través de una cámara de reacción (6, 106), en donde al menos doselectrodos (1, 10, 110) están colocados, estando al menos una barrera dieléctrica (14, 114) colocada entre estos almenos dos electrodos (1, 10, 110);

- una tensión de alta frecuencia se genera, siendo dicha tensión tal que genera un plasma filamentario (12, 112) entrelos al menos dos electrodos (1, 10, 110);

- un inductor ajustable (L) colocado en paralelo con el inductor intrínseco de la instalación, que genera la tensióneléctrica, se emplea de modo que se reduzca el desplazamiento de fases entre la tensión y la corriente que segenera;

- moléculas (8, 108), de al menos un tipo, se introducen en la cámara de reacción (6, 106) de modo que, al producirseel contacto con el plasma, generen especies activas capaces de reaccionar con la superficie del substrato;

- la tensión y/o la frecuencia suministrada por el circuito del generador y/o la inductancia del inductor ajustable (L) seadaptan al principio de, o durante el proceso, de modo que se obtengan características de reacción óptimas;

- el substrato (2) se mantiene dentro de la cámara durante un periodo de tiempo suficiente para obtener unapreparación de superficie deseada en al menos uno de los lados de dicho substrato;

- la tensión y/o la frecuencia suministrada por el circuito del generador y/o la inductancia del inductor (L) se adaptande modo que se favorezca la producción de armónicos que prolongan el tiempo, durante cuyo tiempo la tensiónpermanece por encima de la correspondiente al sostenimiento de la descarga eléctrica

Proceso e instalación para la preparación de superficie mediante descarga de una barrera dieléctrica

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La invención se refiere a procesos e instalaciones para la preparación de superficie de substratos inorgánicos antes de su tratamiento.

PREÁMBULO

Existen varias operaciones para mejorar la calidad de las materias primas, tales como vidrio, acero o plástico, etc. Entre estas operaciones están el tratamiento de superficie y la preparación de superficie. En este caso, el tratamiento de superficie se refiere al tratamiento durante una deposición de película sobre un substrato, mientras que la preparación de superficie consiste, como su nombre indica, en la preparación de la superficie de un substrato, con el fin de hacer dicha superficie capaz de recibir un recubrimiento o en modificar sus propiedades de superficie creando nuevos enlaces (activación de superficie) . La invención se refiere a un proceso de preparación de una superficie mediante descarga de barrera dieléctrica (DBD) para limpieza, desengrasado, abrillantado, decapado u otra activación de la superficie, para poder modificar y/o mejorar las propiedades de superficie de dicho substrato. En particular, el objetivo de la invención es preparar la superficie para la finalidad, en particular, de la limpieza del substrato, eliminación de las capas orgánicas de contaminantes, de abrillantar la superficie, eliminando las capas inorgánicas o contaminantes o cualquier otra activación de la superficie creando nuevos enlaces sobre la superficie del substrato.

La invención se refiere, además, a una instalación para aplicar el proceso de DBD en cuestión, en particular de forma continua.

TÉCNICA ANTERIOR

El objetivo de las principales operaciones para preparar una superficie es eliminar, en primer lugar, los residuos orgánicos (por ejemplo, aceites) y toda la suciedad retenida en ella. Esta operación se denomina genéricamente “limpieza” o “desengrasado”. En segundo lugar, la superficie se somete a un tratamiento para reducir los óxidos, cuando están presentes. Esta operación se refiere genéricamente como “decapado” o “abrillantado”. Estas operaciones son importantes en un proceso industrial completo puesto que, si se controlan deficientemente, pueden surgir problemas (falta de adhesivo de los recubrimientos producidos después de la preparación de superficie; baja resistencia a la corrosión; problemas de apariencia) y no se puede garantizar la calidad del producto final.

Dos técnicas de preparación de superficie pueden distinguirse principalmente: procesamiento húmedo, en particular, procesamiento electromecánico, con el uso de soluciones básicas o ácidas y procesamiento en seco, en particular mediante el uso de una descarga de plasma.

La preparación de superficie es, actualmente, realizada esencialmente mediante procesamiento “húmedo”. Para aumentar la eficiencia del proceso, la preparación de superficie se suele combinar, en el caso de un substrato eléctricamente conductor, con una acción electrolítica.

En particular, en el caso de la metalurgia, la primera operación de preparación de superficie, mediante procesamiento húmedo, es, por supuesto, la limpieza mediante el uso de un disolvente. Esta operación ayuda a eliminar la mayor parte de los contaminantes orgánicos. La segunda operación es un desengrasado químico (en un baño) . Estas operaciones desengrasantes están previstas para destruir el residuo aceitoso delgado y para eliminar del 95 al 98% de la capa orgánica. Después de esta preparación de superficie, la contaminación residual es del orden de magnitud de 1 mg/m2.

Un baño de desengrasado está constituido, en general, por una solución basada en NaOH (hidróxido sódico) y productos adicionales. El hidróxido sódico proporciona a la solución una acción saponificante.

En el caso de un substrato conductor, se suele utilizar una operación de desengrasado electrolítico, tal como electroacabado. La solución se utiliza como electrolito y el material a tratarse ocupa la posición del ánodo y/o la posición del cátodo, de forma alternada. Una solución de compromiso se basa en el uso de polarizaciones de bandas alternadas del tipo de cátodo–ánodo /ánodo-cátodo. La composición de los baños electrolíticos es similar a la solución decreciente, pero las condiciones operativas difieren en función de la naturaleza del baño. Las operaciones de desengrasado, de tipo químico y electrolítico, se utilizan para eliminar la interfase químicamente ligada al substrato, proporcionándole la humectabilidad requerida para un tratamiento de superficie posterior. Después de esta preparación de superficie, la contaminación residual es del orden de magnitud de 0, 1 mg/m2.

De nuevo, en el campo de la metalurgia, después del desengrasado electrolítico, suele ser necesario realizar un ataque químico de la superficie con el fin de eliminar los óxidos posiblemente presentes. Habida cuenta del carácter básico o anfotérico de los óxidos, una solución de decapado ácido (ácido sulfúrico H2SO4 o ácido clorhídrico HCl) se utiliza a este respecto. En el caso de un substrato conductor, se puede añadir también un decapado electrolítico. Como en el caso de

la operación de desengrasado, se utilizan polarizaciones alternadas para el decapado. En general, son del tipo cátodoánodo/ánodo-cátodo aunque son posibles otras combinaciones.

Sin embargo, puesto que las normas medioambientales y de seguridad se hacen cada vez más restrictivas y estrictas, estos procesos se hacen muy costosos puesto que se obliga a las industrias a limitar las cantidades utilizadas y a reciclar el agua residual antes de su descarga.

Una solución posible para los problemas medioambientales consiste en sustituir la preparación de superficie obtenida mediante el procesamiento “húmedo” mediante el uso de una tecnología de plasma de alta presión o de plasma en vacío. Esta técnica tiene las ventajas de ser un proceso “seco” que no impacta desfavorablemente sobre el medio ambiente. En el campo de la preparación de superficie (limpieza, abrillantado y activación de la superficie) , los plasmas frecuentemente utilizados son plasmas en los que la temperatura del gas está próxima a la temperatura ambiente (plasma sin equilibrio) . Permiten la preparación de superficie de materiales sin modificar sus propiedades mecánicas.

Las especies activas (electrones, iones, metaestables, radicales, etc.) del plasma, que son así creadas, suelen poseer energías de unos pocos eV y pueden, de este modo, causar disociación o activación de enlaces químicos de superficie.

Varios tipos de plasma son conocidos en las tecnologías de plasmas:

“Plasma de descarga luminiscente” o plasma homogéneo que permite la deposición de recubrimientos de película delgada muy homogéneos y requiere un nivel de energía relativamente bajo. Sin embargo, es demasiado largo y debe limitarse dentro de un campo de frecuencia restringido para permanecer estable. Además, permite una diversidad más restringida de especies de película delgada.

La elevación del nivel de energía del plasma puede causar la descarga de arcos eléctricos. La colocación de una placa dieléctrica entre los electrodos permite obtener un estado intermedio entre la descarga luminiscente y los arcos eléctricos, denominado estado “filamentario”. Los filamentos son intrínsecamente inestables pero soportan un nivel de energía alto, que permite una reducción del tiempo de procesamiento y de este modo, acelerar la velocidad del substrato. Por otra parte, gracias a su producción aleatoria, se obtiene una velocidad de deposición de materiales paradójicamente homogénea, un muy alto número (normalmente, 106 por centímetro cuadrado por segundo) de micro-descargas que se producen durante un ciclo sobre un área dada.

Los documentos EP-1 381 257, JP 2001 035693 y US 2007/205727 dan a conocer instalaciones para generar un plasma de descarga luminiscente. Sin embargo, estas instalaciones tienen circuitos de control del tipo RLC en el secundario de los transformadores de HT (alta tensión) utilizados y su función es esencialmente estabilizar el tipo de descarga obtenida. Estos documentos no ofrecen la ventaja de operar tanto a baja presión como a la presión atmosférica y de permitir el tratamiento continuo sobre áreas amplias, lo que implica producir una potencia eléctrica activa en el orden de magnitud de hasta un megavatio, como lo hace la presente invención.

La tabla siguiente resume las principales diferencias entre el proceso químico convencional y el proceso de plasma.... [Seguir leyendo]

1. Un proceso para la preparación de superficie de substratos inorgánicos, caracterizado porque comprende las operaciones siguientes:

-un substrato se introduce o se hace extender a través de una cámara de reacción (6, 106) , en donde al menos dos electrodos (1, 10, 110) están colocados, estando al menos una barrera dieléctrica (14, 114) colocada entre estos al menos dos electrodos (1, 10, 110) ;

-una tensión de alta frecuencia se genera, siendo dicha tensión tal que genera un plasma filamentario (12, 112) entre los al menos dos electrodos (1, 10, 110) ;

-un inductor ajustable (L) colocado en paralelo con el inductor intrínseco de la instalación, que genera la tensión eléctrica, se emplea de modo que se reduzca el desplazamiento de fases entre la tensión y la corriente que se genera;

-moléculas (8, 108) , de al menos un tipo, se introducen en la cámara de reacción (6, 106) de modo que, al producirse el contacto con el plasma, generen especies activas capaces de reaccionar con la superficie del substrato;

-la tensión y/o la frecuencia suministrada por el circuito del generador y/o la inductancia del inductor ajustable (L) se adaptan al principio de, o durante el proceso, de modo que se obtengan características de reacción óptimas;

-el substrato (2) se mantiene dentro de la cámara durante un periodo de tiempo suficiente para obtener una preparación de superficie deseada en al menos uno de los lados de dicho substrato;

-la tensión y/o la frecuencia suministrada por el circuito del generador y/o la inductancia del inductor (L) se adaptan de modo que se favorezca la producción de armónicos que prolongan el tiempo, durante cuyo tiempo la tensión permanece por encima de la correspondiente al sostenimiento de la descarga eléctrica.

2. El proceso según la reivindicación 1, caracterizado porque los armónicos de tercer orden y de quinto orden son esencialmente favorecidos.

3. El proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque comprende, además, la operación siguiente: la posición y/o la configuración de al menos un electrodo (1, 10, 110) se varía de modo que se obtengan características de reacción óptimas.

4. El proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque comprende, además, la operación siguiente: la atmósfera dentro de la cámara (6, 106) es llevada a una presión predeterminada.

5. El proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la cámara (6) está abierta y comprende una zona de entrada y una zona de salida para el substrato.

6. El proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la cámara (106) está cerrada en sus dos extremidades.

7. EL proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el substrato (2) es aislante y constituye, por sí mismo, una barrera dieléctrica.

8. El proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el substrato (2) es conductor y forma, por sí mismo, un electrodo.

9. Instalación para la preparación de superficie de substratos (2) que comprende: una cámara (6, 106) ; medios de transporte y medios de soporte para el substrato dentro de la cámara; un suministro de energía de alta tensión y alta frecuencia, conectado a los al menos dos electrodos (1, 10, 110) , estando dichos electrodos situados a cada lado del substrato (2) ; al menos una barrera dieléctrica (14, 114) colocada entre los al menos dos electrodos (1, 10, 110) ; medios de regulación/control del suministro de energía para la introducción en el interior de la cámara (6, 106) de moléculas (8, 108) adaptadas para la generación, como consecuencia del contacto con un plasma filamentario, de especies activas capaces de reaccionar con la superficie del substrato y medios para extraer sustancias residuales, caracterizada porque un inductor ajustable (L) está colocado en paralelo con la inductancia del circuito del suministro de energía, siendo las características de este inductor ajustable (L) tales que permite el desplazamiento de fases entre la tensión generada entre los electrodos (1, 10, 110) y la corriente total suministrada por la fuente de alta tensión.

10. Instalación para la preparación de superficie según la reivindicación 9, caracterizada porque los medios de regulación del suministro de energía y los medios de control de la inductancia (L) están acoplados de modo que permitan la generación de armónicos que prolonguen el tiempo, durante el cual la tensión entre los electrodos (1, 10, 110) se mantiene a un valor superior al necesario para el sostenimiento de la descarga eléctrica.

11. Instalación para la preparación de superficie según una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 10, caracterizada porque la cámara (6) está abierta en sus dos extremidades.

12. Instalación para la preparación de superficie según una cualquiera de las reivindicaciones 9 o 10, caracterizada 5 porque la cámara (106) está cerrada en sus dos extremidades.

13. Instalación para la preparación de superficie según una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, caracterizada porque la cámara (6) está incorporada en una línea de producción de substrato de tipo continuo y/o discontinuo.

14. Instalación para la preparación de superficie según una cualquiera de las reivindicaciones 9, 10 y 12, caracterizada porque la cámara (106) está incorporada en una línea de producción de substrato de tipo discontinuo.

15. Instalación para la preparación de superficie según una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 14, caracterizada porque los medios de soporte y/o de transporte constituyen uno de los electrodos (1) . 15

16. Instalación para la preparación de superficie según una cualquiera de las reivindicaciones 9, 10 y 12, caracterizada porque está incorporada en una línea de deposición que funciona a baja presión.

17. Instalación para la preparación de superficie según una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 14 y 16, caracterizada

porque el plasma se genera en dos zonas separadas que se depositan en cada lado del substrato, de tal manera que la superficie sea preparada simultáneamente a cada lado de este substrato.

18. Instalación para la preparación de superficie según una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 17, caracterizada porque la potencia de la instalación es de al menos 100 kW. 25

19. Instalación para la preparación de superficie según la reivindicación 18, caracterizada porque la potencia de la instalación es de al menos 200 kW.

20. Instalación para la preparación de superficie según la reivindicación 19, caracterizada porque la potencia de la 30 instalación es de al menos 500 kW.

21. Instalación para la preparación de superficie según una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 20, caracterizada porque el inductor comprende:

- una bobina (22) que se compone de un haz de elementos conductores (30) aislados entre sí, que se devana alrededor de un mandril (24) ;

-un núcleo de émbolo magnético (26) colocado en el interior de este mandril (24) y aislado de dicho mandril (24) ;

-un dispositivo de posicionamiento (28) conectado al núcleo del émbolo (26) ;

-un enlace de aislamiento que une el núcleo del émbolo (26) al dispositivo de posicionamiento y

-un sistema de control capaz de actuar sobre el dispositivo de posicionamiento, de modo que se ajuste la posición del 45 núcleo del émbolo magnético (26) con respecto al mandril (24) .