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Patent Searching and Data


Title:
PLASMA REACTOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2010/055190
Kind Code:
A1
Abstract:
A plasma reactor that can operate in a wide pressure range, from vacuum and low pressures to atmospheric pressure and higher pressures. The plasma reactor is also able to regulate other important settings and can be used for processing a wide range of different samples, such as relatively large samples or samples with rough surfaces.

Inventors:
BERTRAN SERRA, Enric (C/ Nuria 10, Corbera de Llobregat, E-08757, ES)
MOLINA MANSILLA, Ricardo (Instituto de Química Avanzada de Cataluña, C/ Jorge Girona Salgado 18-26, Barcelona, E-08034, ES)
ERRA SERRABASSA, Pilar (Instituto de Química Avanzada de Cataluña, C/ Jorge Girona Salgado 18-26, Barcelona, E-08034, ES)
Application Number:
ES2009/070510
Publication Date:
May 20, 2010
Filing Date:
November 17, 2009
Export Citation:
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Assignee:
CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTÍFICAS (CSIC) (C/ Serrano, 117, Madrid, E-28006, ES)
BERTRAN SERRA, Enric (C/ Nuria 10, Corbera de Llobregat, E-08757, ES)
MOLINA MANSILLA, Ricardo (Instituto de Química Avanzada de Cataluña, C/ Jorge Girona Salgado 18-26, Barcelona, E-08034, ES)
ERRA SERRABASSA, Pilar (Instituto de Química Avanzada de Cataluña, C/ Jorge Girona Salgado 18-26, Barcelona, E-08034, ES)
International Classes:
H05H1/46; B01J19/08; B01J19/18; B05C3/109
Attorney, Agent or Firm:
PONS ARIÑO, Ángel (Glorieta de Rubén Darío 4, Madrid, E-28010, ES)
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Claims:
R E I V I N D I C A C I O N E S

1.- Reactor de plasma (1 ) que comprende:

- una cámara de reacción (2) que dispone de al menos dos electrodos (7),

- una bomba mecánica (3) encargada del bombeo de gases hacia Ia cámara de reacción (2),

- un sistema de potencia (5) encargado de proporcionar energía al reactor, caracterizado porque adicionalmente comprende:

- un sistema de gestión de gases (4) encargado de medir y controlar el flujo de gases,

- unos instrumentos de medida (6) encargados de Ia adquisición de datos para el control del reactor durante Ia reacción.

2.- Reactor de plasma (1 ) según reivindicación 1 caracterizado porque Ia distancia entre electrodos (7) es regulable durante Ia reacción.

3.- Reactor de plasma (1 ) según reivindicación 1 caracterizado porque Ia bomba mecánica (3) es de doble etapa y es regulable.

A - Reactor de plasma (1 ) según reivindicación 1 ó 3 caracterizado porque Ia bomba mecánica (3) comprende adicionalmente un primer medidor de presión (8).

5.- Reactor de plasma (1 ) según reivindicación 1 caracterizado porque el sistema de gestión de gases (4) comprende adicionalmente:

- un control de flujo de gases (16) encargado de controlar Ia proporción de gases que entran en Ia cámara (cilindrica) (2),

- un sistema de válvulas neumáticas (17), que controlan Ia entrada de gases

- medios de gestión de gases (18) que permiten Ia selección de los gases a utilizar.

6.- Reactor de plasma (1 ) según reivindicación 1 caracterizado porque el sistema de potencia (5) comprende:

- una fuente alimentación (9) encargada de alimentar el reactor,

- un circuito adaptador (10) de impedancias ajustable,

- una etapa de alta tensión (11 ), - un generador externo de señal (12) para señales moduladas o pulsadas.

7.- Reactor de plasma (1 ) según reivindicación 1 caracterizado porque los instrumentos de medida (6) comprenden: - un medidor de potencia (13) encargado de captar los datos referidos a Ia potencia utilizada para ajustaría si fuera necesario

- un medidor de flujo másico (14) encargado de medir los flujos de masa de los gases, - un segundo medidor de presión (15) conectado a Ia bomba mecánica (3).

Description:
REACTOR DE PLASMA

D E S C R I P C I Ó N

OBJETO DE LA INVENCIÓN

El objeto principal de Ia presente invención es un reactor de plasma versátil, en configuración de descarga, con barrera dieléctrica para tratamientos a presión regulable, desde el vacío y presiones reducidas hasta Ia presión atmosférica y presiones superiores.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En los campos de Ia física y Ia química, se denomina plasma a un gas constituido por partículas cargadas y neutras (tales como electrones, iones y radicales libres) y cuya dinámica presenta efectos colectivos dominados por las interacciones electromagnéticas entre las mismas. Con frecuencia se habla del plasma como un estado de agregación de Ia materia con características propias, diferenciándolo de este modo del estado gaseoso, en el que no existen efectos colectivos importantes.

Las aplicaciones del plasma son muy variadas y también ampliamente divulgadas. En Ia patente estadounidense 514,170 ("Incandescent Electric Light", 6 de febrero de 1894), Nikola Tesla describe una lámpara de plasma. Esta patente es de una de las primeras lámparas de alta intensidad. Tesla tomó un tipo de esfera incandescente con el elemento conductor suspendido y Ie aplicó alto voltaje, creando así Ia descarga. Más tarde, Tesla llamaría a su invención "Inert Gas Discharge Tube". En Ia actualidad se pueden encontrar multitud de reactores de plasma que pueden ser utilizados para funciones muy variadas. Entre ellos se pueden encontrar los reactores de plasma de corona, que podrían suponer una alternativa al reactor de plasma objeto de esta invención en determinadas aplicaciones; si bien el reactor de plasma objeto de esta invención supone una mejora sobre éstos ya que permite trabajar con materiales rugosos tales como los textiles tricotados, para los cuales los reactores de corona no son de aplicación.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN.

El reactor de plasma objeto de esta invención está concebido para su posible utilización en todo tipo de materiales. Se puede usar ventajosamente para el tratamiento de materiales porosos o rugosos, y también se puede usar ventajosamente con materiales en los que Ia aplicación del vacío supone un inconveniente o no es factible. Una de las características especiales del generador de plasma que se describe en este documento es su capacidad para trabajar en un amplio rango de presión, de forma regulable, yendo desde el vacío a presiones superiores a Ia atmosférica o superiores.

El reactor también es capaz de trabajar en un amplio rango de frecuencia, entre 4 kHz y 100 kHz, dada Ia incorporación del generador de funciones, permitiendo trabajar a mayor frecuencia incluso, dado que el amplificador continua siendo lineal por encima de los 100 kHz.

El reactor de plasma descrito en este documento dispone de un sistema de gestión de gases constituido por tres líneas de gas independientes. Cada una de ellas dispone de un controlador de flujo másico (conectado a una central con fuente de alimentación y controles, para introducción manual de las consignas y lecturas de los flujos) que puede conectarse a ordenador vía conector serie o RS-232, tres válvulas neumáticas pilotadas a través de una interfaz con conector serie o RS232 al ordenador, y un programa informático para el control del sistema.

A su vez el sistema comprende o puede comprender varios medidores de presión con lectura de Ia presión en diferentes puntos, como por ejemplo uno en Ia cámara o reactor de plasma (sensor de presión con rango de 1 mbar a 2 bar) y otro sensor de presión, como por ejemplo uno del tipo Pirani, con sensibilidad de 10 3 mbar a 100 mbar, situado en Ia línea de aspiración (vacío primario) conectada a Ia bomba mecánica.

Otra de las características diferenciadoras del reactor de plasma que se describe en este documento es Ia posibilidad que ofrece de poder regular Ia distancia entre electrodos durante Ia reacción.

En función del gas o gases empleados y de las condiciones de trabajo que se apliquen, tales como presión, potencia o distancia entre electrodos, se generan plasmas con distintas propiedades. Por Io tanto se pueden obtener resultados diferentes con los plasmas generados, permitiendo distintos y variados tratamientos que se darían al material al variar dichas condiciones de trabajo. Entre otros usos que puede tener el reactor, se podrían incorporar átomos o grupos químicos distintos al material, también se podría eliminar o absorber material superficial, otra posibilidad sería Ia utilización del plasma en procesos de polimerización, y también puede ser útil para procesos de catálisis de reacciones entre compuestos presentes en el material; por Io tanto ofrece una gran variedad de aplicaciones, todo ello de forma regulable.

El reactor de plasma que se describe en este documento está diseñado para su utilización en aplicaciones industriales basadas en tratamientos superficiales de materiales y sus estructuras nanométricas sin modificar las propiedades internas de los mismos. Las modificaciones inducidas en Ia superficie de un material pueden tener entre otras aplicaciones la funcionalización de materiales tanto orgánicos como inorgánicos (control de las propiedades superficiales de adhesión, hidrofilia/hidrofobicidad, generación de nuevos grupos químicos o reactivos). A su vez el reactor de plasma descrito en este documento puede ser utilizado para Ia eliminación de compuestos, como por ejemplo en Ia degradación de capas superficiales o Ia eliminación de impurezas superficiales, Io cual Io hace especialmente útil para Ia eliminación o inactivación de sustancias u organismos patógenos como virus, bacterias, etc.

Al haber sido diseñado como un reactor versátil, el reactor objeto de Ia invención permite operar también a presión reducida utilizando una gran variedad de gases para generar plasma, entre ellos por ejemplo el vapor de agua, que es barato, inocuo y además requiere poca agua para el tratamiento. Todo el sistema está controlado por ordenador, de forma que cuando se trabaja con una mezcla de gases por ejemplo, es posible modificar

Ia proporción de dichos gases, como por ejemplo de helio con respecto al gas residual o reactivo, pudiendo producir un plasma homogéneo o filamentoso (de tipo corona) según se necesite. Finalmente en el diseño del reactor también se tuvo en cuenta Ia incorporación de sistemas de medición que permiten realizar medidas de Ia composición del gas de plasma mediante técnicas fotométricas (OES), tanto antes como durante el proceso.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para completar Ia descripción de esta invención y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de sus características, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de Ia misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un dibujo en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado Io siguiente:

Figura 1.- Muestra una vista esquemática general de todos los componentes del reactor.

Figura 2.- Muestra el resultado de Ia formación de grupos hidrófilos obtenidos mediante el tratamiento con el reactor.

Figura 3.- Muestra el resultado de Ia oxidación superficial obtenida mediante el tratamiento con el reactor.

EJEMPLO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN.

Tal y como se ha detallado en Ia descripción del reactor de plasma (1 ) objeto de Ia invención, éste puede ser utilizado para varias aplicaciones, como por ejemplo Ia esterilización así como Ia funcionalización de materiales.

En el presente ejemplo de realización se describe el tratamiento con plasma de unas muestras monolíticas poliméricas, con un tiempo de tratamiento de

40 segundos. Para ello se introduce Ia muestra a tratar dentro de Ia cámara de reacción (2), y en este caso concreto Ia muestra consiste en bloques o monolitos de poliestireno-divinilbenceno (PS-DVB).

Una vez colocada Ia muestra a tratar entre dos electrodos (7) planos circulares se procede al ajuste de todos los elementos del sistema según los parámetros designados previamente para este tratamiento. Para Ia realización de este tratamiento se establece una distancia de trabajo de 1cm entre los electrodos.

Para ello se ajusta el sistema de gestión de gases (4) mediante el cual se acciona el control de flujo de gases (16) encargado de controlar Ia mezcla de gases que entran en Ia cámara de reacción (2), un sistema de válvulas neumáticas (17) se encarga de permitir Ia entrada de los gases y mediante unos medios de gestión de gases (18) se regulan las condiciones deseadas para Ia mezcla de He y aire residual. Los parámetros de trabajo se miden mediante un sistema de medida (6) que está formado por un medidor de potencia (13) encargado de captar los datos referidos a Ia potencia utilizada para ajustaría si fuera necesario, un medidor de flujo másico (14) encargado de medir los flujos de masa de los gases, un segundo medidor de presión (15) conectado a Ia bomba mecánica (3). El reactor hace un uso combinado de un primer medidor de presión (8) ubicado en Ia cámara de reacción (2) y un segundo medidor de presión (15) conectado a Ia bomba mecánica (3) encargada del bombeo de gases.

El sistema de potencia (5) y el generador externo de señal (12) se ajustan a 3OW, Ia frecuencia de trabajo se establece en 9 kHz; estos datos son verificados mediante unos instrumentos de medida (6) que van combinados con los diferentes sensores. Para ello se conecta el reactor a una fuente alimentación (9), ésta va conectada a los electrodos (7) mediante un circuito adaptador (10), el sistema se completa con una etapa de alta tensión (11 ) y un generador externo de señal (12).

Una vez configurado todo el sistema se procede a tratar Ia muestra durante 40 segundos, al final del tratamiento se comprueba el cambio en el material que pasa de ser hidrófugo a ser hidrófilo, tal y como se muestra en las figuras 2 y 3.