349 mm线性大气压等离子体源：迈向大幅面低温表面处理

东京工业科学研究所团队发布线型远程等离子体源新进展，为工业表面改性与烟气治理装备放大提供思路

关键词
大气压等离子体,低温等离子体,表面处理,亲水化,线型等离子体源,多气体等离子体,工业烟气治理,静电除尘器

近年来，大气压低温等离子体因具有高活性粒子密度、无需真空系统、可在线连续处理等优势，在工业表面处理、半导体制造、杀菌消毒以及大气压CVD等领域快速升温[1–3]。对于静电除尘器（ESP）及工业烟气治理产业链而言，大气压等离子体技术既是上游表面功能化的重要手段，也是“等离子体+”协同净化与功能材料制备的潜在平台。在这种背景下，日本Institute of Science Tokyo（东京科学研究所，前东京工大相关团队）Junnosuke Furuya、Akitoshi Okino等人在第17届国际静电除尘会议（ICESP 2024, Kyoto）上报告了一种349 mm线性大气压远程等离子体源，用于大面积表面处理与亲水化调控，为工业放大应用提供了颇具参考价值的范例。

该研究聚焦于“大气压低温等离子体+大幅面处理”这一行业痛点。传统的大气压多气体等离子体喷射源通常为针状或小圆孔结构，典型喷孔直径约1 mm[10,11]，在实际应用中不得不通过二维扫描覆盖大面积基材：不仅系统结构复杂、运动控制难度高，而且在适配卷对卷生产线、宽幅板材连续处理时，容易成为节拍与均匀性的瓶颈。为此，研究团队开发了一种线型大气压远程等离子体源，将“点源”升级为“线源”，在单维扫描条件下即可覆盖宽达349 mm的处理宽度。

从结构设计看，这一线型远程等离子体源采用铝壳体整体接地，可直接与设备结构接触，更利于工程集成。等离子体通过内部放电区产生，再由1 mm×349 mm的窄缝型出射口均匀喷出，形成类似“气体帘幕”的等离子体幕帘，实现对金属、树脂等大面积基材的远程处理。内部电极施加13.56 MHz射频（RF），并在电极之间加入介质材料抑制弧光放电，保证在较高功率下仍维持均匀的辉光放电。为解决长电极在大功率条件下的温升问题，作者采用-10 ℃、86%乙醇冷却回路进行电极冷却，使线性结构在200–500 W RF功率下保持稳定运行，这对未来在高负荷连续工业生产场景下的可靠性具有现实意义。

在工艺气体方面，该线性远程等离子体源可在20 L/min的大流量条件下，稳定产生多气体低温等离子体。试验组合包括纯Ar、He，以及Ar+N₂、Ar+O₂、Ar+CO₂等混合气体系。成果表明，当RF功率为200 W时，仍能稳定维持多种混合气等离子体：氮气混入Ar的上限浓度为2.0%，氧气与二氧化碳的混入上限为0.5%。在视觉上，纯Ar、He等离子体呈白色发光，而当向Ar中掺入N₂后，放电区整体转为偏红色，这反映了活性物种组成及能量分布的显著变化，与此前同团队利用多气体等离子体喷流产生单重态氧和OH自由基的研究相呼应[12]。对于ESP及烟气脱除装置开发者而言，这类多气体大气压等离子体源在尾气预处理、催化剂表面活化、功能滤料改性方面具备潜在协同空间。

为了定量评价这类线型等离子体源的大面积处理能力与工艺窗口，研究团队选取铜板作为实验基材，考察其表面亲水化效果。实验采用远程等离子体处理方式：铜板放置于出射缝口下方1 mm处，以1 mm/s的扫描速度沿与缝口垂直的方向运动，从而在单维扫描路径上形成约349 mm宽的处理带。随后，在等离子体源长度方向（x轴）上等间距选取15个测点，每个点重复测试5次静态水接触角，取平均值评价亲水化程度和处理均匀性。

在气体种类影响方面，作者首先在200 W RF条件下，对比了Ar、He和多种Ar+分子气（2% N₂、0.5% O₂、0.5% CO₂）等离子体对铜板接触角的影响。未经处理的铜板接触角约为98°，呈明显疏水状态。经纯Ar等离子体远程处理后，平均接触角降至约69°；He等离子体处理后则约为82°，亲水化效果相对较弱。值得注意的是，当向Ar中混入2.0% N₂时，平均接触角进一步降至约55°，比纯Ar处理多降低14°左右，提升幅度达1.4倍；掺入0.5% O₂和0.5% CO₂时，平均接触角分别降至约58°和63°。这一结果清晰表明：适量加入分子气可以显著增强大气压低温等离子体的亲水化能力。

结合前期多气体等离子体喷流研究[10–12]，作者推断：在O₂、CO₂体系中更易产生单重态氧等氧化性活性物种，而在含N₂体系中则可产生高密度的OH自由基等关键物种[12]。这些活性粒子在远程模式下抵达铜表面，通过取代表面污染和弱极性基团、引入羟基等亲水官能团，从而实现表面能提升和接触角下降。这一机理与工业中常见的等离子体预处理金属、塑料以提升胶接、涂装附着力的思路高度一致[11,14,15]，对涂装线、板材连续镀膜线、甚至电极板表面功能化（如在ESP极板上引入特定润湿性或催化层）都有直接启发意义。

但随之而来的另一个工程问题是处理均匀性。在200 W功率下，当使用Ar或He等离子体时，沿349 mm宽度方向的接触角离散度相对较低，说明大幅面均匀性尚可；然而一旦在Ar中混入分子气，离散度明显增大。例如，在Ar+2% N₂条件下，接触角离散度约为26.6，是纯Ar处理时的2.7倍。这意味着虽然亲水化强度提升了，但宽幅方向的工艺一致性却明显下降。作者认为，分子气等离子体的维持需要更高的电场能量[13]，在200 W条件下沿长电极方向容易形成局部“强放电区”和“弱放电区”，对应到表面则表现为亲水化不均匀。这对于追求大面积连续生产的工业用户是一个核心问题：仅仅“打亮”一部分区域远远不够，工艺窗口必须兼顾改性强度与面内均匀性。

针对这一问题，团队进一步固定气体为Ar+2% N₂，系统考察了RF功率从200 W提升至300 W、400 W和500 W时的亲水化强度与均匀性变化。结果显示，随着功率提升，铜板整体接触角持续下降，在500 W条件下，平均接触角约为45°，比200 W时再降低约10°，亲水程度显著提升。更关键的是，面内均匀性有了跃升式改善：在500 W时，15个测点的接触角离散度降至约4.51，仅为200 W时的约1/5.8。作者由此推断：在较低功率下，长缝内存在一定比例的“亚稳放电区域”，N₂等离子体未完全展开，OH自由基产率较低，从而导致局部亲水化不足；当RF功率提高到足够水平后，沿349 mm长度方向的放电更趋稳定连续，有效活性粒子分布更均匀，最终体现在宏观上就是处理区域接触角整体降低且波动极小。

从工艺放大视角看，这一结果向产业界传递了两个关键信号：其一，大幅面大气压远程等离子体处理并非简单的“把喷枪拉长”，而是一个涉及放电模式、流场分布、冷却与功率密度协同匹配的系统工程；其二，在追求多气体（尤其是含氮、含氧分子气）激活以获取更强表面功能化能力的同时，必须通过提高RF功率、优化电极与介质结构来保证跨尺度均匀性。这种思路同样适用于未来的“线源式”大气压等离子体在滤料改性、催化载体预处理及ESP极板复合处理单元中的集成设计。

总体而言，Furuya与Okino团队这项工作，将之前的点状多气体等离子体喷射技术[10,11]扩展到近35 cm宽的线型远程等离子体源，在不引入放电损伤的前提下实现大面积金属表面的快速亲水化处理。研究明确给出了不同气体体系在200 W功率下的稳定运行窗口，以及在Ar+2% N₂条件下RF功率从200–500 W对亲水化强度与面内均匀性的影响规律。这些定量数据不仅为后续优化分子气浓度、探索更大处理宽度提供基础，也为工业界在设计宽幅等离子体在线处理装备（如卷对卷预处理、宽幅极板或滤料功能化）时，合理选择气体配比与功率范围提供了直接参考。

随着大气压低温等离子体技术在表面工程与烟气治理两大赛道的持续融合，以线型远程等离子体源为代表的“大幅面低温处理”装备，有望在未来与静电除尘、催化过滤、功能涂层工艺形成更紧密的工艺耦合，成为新一代高效、柔性、可在线升级的工业平台。

参考文献
[1] Kumagai W, Miyahara H, Hotta E, Okino A. Atmospheric line remote plasma source for surface treatment. The Sixth Asian-European International Conference on Plasma Surface Engineering. 2007;310:4007.
[2] Takamatsu T, Ichikawa M, Hirai H, Sasaki R, Shibata M, Miyahara H, Matsumoto Y, Okino A. Sterilizing effect of various gases by damage-free multi-gas plasma jet. 38th IEEE International Conference on Plasma Science. IP2H-23.
[3] Yamazaki K, Yasui Y, Suematsu H, Noguchi T, Suenaga Y, Okino A. Improvement of hydrophilic property by organic thin film formed by atmospheric plasma CVD. Plasma and Fusion Research. 2021;38:U1621A.
[4] Sasaki R, Kumagai W, Miyahara H, Shimada R, Hotta E, Okino A. Atmospheric large sized remote plasma source for surface treatment. IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials. 2009;129(12):903–908.
[5] Suzuki H, Ogasawara T, Iwata Y, Bae H, Toyoda H. High-speed hydrophilic and ashing treatments of polyimide using Ar/O2 atmospheric-pressure microwave line plasma. Japanese Journal of Applied Physics. 2022;61:SI1008.
[6] Vinogradov IP, Lunk A. Dependence of surface tension and deposition rate of fluorocarbon polymer films on plasma parameters in a dielectric barrier discharge. Surface and Coatings Technology. 2005;200:695–699.
[7] Xu M, Mori Y, Liu Z, Fukuyama Y, Sumiya Y, Zhan T, Okino A. Design and characterization of an upscaled dielectric barrier discharge-based ten-layer plasma source for high-flow-rate gas treatment. Applied Sciences. 2024;14(27):10027.
[8] Fang Z, Qiu X, Kuffel E. Dielectric barrier discharge in atmospheric air for glass-surface treatment to enhance hydrophobicity. IEEE Transactions on Plasma Science. 2006;34(4):1216–1222.
[9] Rehn P, Vio W. Dielectric barrier discharge treatments at atmospheric pressure for wood surface modification. Holz als Roh- und Werkstoff. 2001;61:145–150.
[10] Miyahara H, Shibata M, Oshita T, Takamatsu T, Okino A. Hydrophilization of polyimide film using damage-free multi-gas plasma jet. Journal of Chemical Engineering of Japan. 2013;39(4):372–377.
[11] Nakashima N, Shibata M, Takamatsu T, Sasaki R, Miyahara H, Okino A. High-speed reduction of oxide film and surface hydrophilization using atmospheric multi-gas plasma jet. ESCAMPIG XXI. 2011:4.
[12] Takamatsu T, Uehara K, Sasaki Y, Miyahara H, Matsumura Y, Iwasawa A, Ito N, Azuma T, Kohno M, Okino A. Investigation of reactive species using various gas plasmas. RSC Advances. 2014;4:39901.
[13] Shibata M, Hirai H, Takamatsu T, Sasaki R, Miyahara H, Okino A. Hydrophilization and oxide removal using damage-free multi-gas plasma jet. 30th International Conference on Phenomena in Ionized Gases. Belfast, Ireland; 2011:1–4.
[14] Takamatsu T, Hirai H, Sasaki R, Miyahara H, Okino A. Surface hydrophilization of polyimide films using atmospheric damage-free multigas plasma jet source. IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials. 2013;41(1):119–125.
[15] Yamasaki S, Sasaki R, Miyahara H, Hotta E, Okino A, Shimada R. Hydrophilization treatment of copper surface using an atmospheric damage-free plasma source. IEEE Transactions on Plasma Science. 2006;34(4):1216–1222.

获取更多静电除尘相关专业论文，请访问 https://isesp.org/conference-papers/