用于通过大气等离子体处理将分子代码接枝到材料上的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请特此要求于2020年6月26日提交的名称为“Systems And Methods ForGrafting AMolecular Code Onto A Material By An Atmospheric Plasma Treatment[用于通过大气等离子体处理将分子代码接枝到材料上的系统和方法]”的美国临时申请序列号63/044861的优先权和权益。以上列出的美国申请出于所有目的通过援引以其全文并入本文。

背景技术

一些材料表面处理系统利用高电压电极通过放电来处理比如箔或膜等制品的表面。常规处理系统用于改变被处理材料的特性。然而，如果要将信息添加到材料中，则常规系统受限于常规打印方法，这些方法容易被更改、复制或移除。因此，制造商将从以更不易被擦除的方式将信息嵌入在材料上的材料表面处理系统或方法中受益。

发明内容

公开了用于通过表面处理方法将编码物质接枝到材料上的材料表面处理系统和方法。特别地，系统和方法使用电极产生包含编码物质的等离子体，编码物质然后在等离子体表面处理过程中被接枝到材料上。

结合所附权利要求，从以下详细描述中，本发明的这些和其他特征和优点将变得明显。

附图说明

在阅读以下详细说明和附图之后，本发明的益处和优点对于相关领域的普通技术人员将变得更加明显，在附图中：

图1是根据本公开内容的各方面的材料表面处理系统的示例示意图。

图2是根据本公开内容的各方面的材料表面处理系统的另一个示例示意图。

图3是根据本公开内容的各方面的材料表面处理系统的又一个示例示意图。

图4提供了根据本公开内容的各方面的表示示例机器可读指令的流程图，这些示例机器可读指令可以由图1至图3的示例材料表面处理系统执行以将分子代码接枝到材料上。

附图不一定按比例绘制。在适当情况下，相似或相同的附图标记用于指代相似或相同的部件。

具体实施方式

本公开内容描述了用于通过表面处理过程将编码物质(例如，分子代码)接枝到材料上的材料表面处理系统和方法。在一些示例中，材料经受包含分子代码的等离子体放电，分子代码在分子水平上被接枝到材料上，从而对经处理材料的特性影响很小或没有影响。

在一些示例中，用于将编码物质加以接枝的材料表面处理系统和方法包括用于接收包括分子代码的溶液的汽化器。汽化器产生具有分子代码的蒸气，蒸气然后被暴露于电极，在电极处的放电从离子化的过程气体和蒸气产生等离子体。然后将等离子体施加到靠近电极的材料，使得等离子体将分子代码接枝到材料上。

可以配备材料表面处理系统来处理具有低表面张力的表面的各种材料(例如，塑料，比如聚乙烯和聚丙烯)，低表面张力抑制与表面处理物(比如印刷油墨、涂料和/或粘合剂)的结合。材料表面处理系统用于更改特定材料(例如塑料和/或柔性基材)的特点以用于特定应用(例如，油墨、涂料、粘合剂和/或层压结构)。例如，塑料膜通常需要某种类型的表面处理而与油墨、粘合剂等实现合适的化学结合。这与像纸等多孔材料(其中油墨能够渗透到介质中)形成对比。

使用这样的系统和方法可以有效地处理多种材料(例如，聚乙烯、聚丙烯、尼龙、乙烯基塑料、PVC、PET、金属化表面、箔、纸和纸板原料)。

已实施各种技术来为这样的材料提供期望的材料特点。例如，电晕处理是采用相对低温的电晕放电来改变材料的表面特点的表面处理。采用一个或多个电极的电晕处理以合理的成本提供了期望的粘合特点。电晕电极产生高电压放电并且有效改变工作材料(例如塑料、纸、箔等)的表面能量。

另一个示例是等离子体处理，其中将气体注入电极放电以处理材料表面。例如，一些材料更容易接受等离子体处理而不是电晕处理，以便获得期望的材料特性，比如结合特点。

与电晕处理相比，等离子体处理通常与更高的成本和复杂性相关联，比如使用更复杂的电极和更多的过程控制。因此，等离子体处理的更多实施在工业中受到限制。然而，一些材料对等离子体处理的反应比对电晕处理的反应更有利(例如，含氟聚合物、聚丙烯等)。

如本文所公开的，分别采用电晕电极和等离子体电极的电晕处理系统和等离子体处理系统二者可以用于通过表面处理过程将编码物质(例如，分子代码)接枝到材料上，如下面的示例所提供的。

有利地，所公开的材料表面处理系统和方法被配置成将分子代码接枝到材料上而不影响材料后处理的期望特性。此外，材料表面处理系统和方法在分子水平上将分子代码整合到材料中，使得编码信息的去除极难引入、更改或移除，从而为材料制造商提供强健的保护。

在所公开的示例中，材料表面处理系统包括：汽化器，该汽化器用于接收包括分子代码的溶液，汽化器用于产生具有分子代码的蒸气；以及电极，该电极用于产生放电以产生包括离子化的过程气体和蒸气的等离子体并将等离子体施加到靠近电极的材料，其中，等离子体的施加将分子代码接枝到材料上。

在一些示例中，接地辊被配置成与材料接合，材料用于在等离子体被吸拉到接地辊时经受从电极放电产生的等离子体，其中，接地辊电连接到参考电压。

在示例中，由于等离子体的施加，材料的一种或多种特性被更改。在示例中，材料是聚合物、合成织造物和/或非织造物、天然纤维织造物、长丝、纱线、弹性体或金属中的一种。

在一些示例中，离子化的过程气体形成羟基、羧基、羰基或胺。在一些示例中，非离子化的过程气体被引入汽化器中，汽化器包括加热器以加热非离子化的过程气体和分子溶液以将非离子化的过程气体和分子溶液结合或汽化。

在一些示例中，电极包括等离子体电极或电晕电极之一。在一些示例中，电极连接到被配置成提供电流以启用电极的电源。

在一些示例中，材料是卷绕的幅材(rolled web)。在示例中，材料是平面结构。在示例中，材料是多面物体。

在一些公开的示例中，材料表面处理系统被配置用于处理平面物体。该系统包括：汽化器，该汽化器用于接收包括分子代码的溶液，汽化器用于产生具有分子代码的蒸气；电极，该电极用于产生放电以产生包括离子化的过程气体和蒸气的等离子体；以及一个或多个辊，该一个或多个辊用于将平面物体朝向电极输送以将等离子体施加到平面物体的靠近电极的材料，其中，等离子体的施加将分子代码接枝到材料上。

在一些示例中，接地块相对于材料与电极相反，材料用于在等离子体被吸拉到接地块时经受从电极放电产生的等离子体，其中，接地块电连接到参考电压。在示例中，由于等离子体的施加，材料的一种或多种特性被更改。

在一些公开的示例中，材料表面处理系统被配置用于处理具有不均匀几何形状的物体。该系统包括：汽化器，该汽化器用于接收包括分子代码的溶液，汽化器用于产生具有分子代码的蒸气；电极，该电极用于产生放电以产生包括离子化的过程气体和蒸气的等离子体；以及喷嘴，该喷嘴用于将等离子体施加到物体的靠近电极的材料，其中，等离子体的施加将分子代码接枝到材料上。

在一些示例中，电极延伸到本体中。在示例中，过滤器布置在本体内以用作被配置成接收蒸气的第一体积与包括一个或多个介电元件的第二体积之间的局部屏障。在示例中，第二体积被配置成使蒸气在电极与介电元件之间经受放电，从而产生等离子体。

在一些示例中，非直线输送器被配置成通过喷嘴关于材料的运动来施加分子代码。在一些示例中，电极包括等离子体电极或电晕电极之一。

如本文所使用的，术语“电力供应器”是指在向其施加电力时能够向材料处理系统供应电力的任何装置，包括但不限于逆变器、转换器、谐振电力供应器、准谐振电力供应器等，以及控制电路系统和与其相关联的其他辅助电路系统。该术语可以包括能量储存装置、和/或电路系统和/或从各种外部电源汲取电力的连接。

如本文中所使用的，“电路”或“电路系统”包括任何模拟和/或数字部件、电力和/或控制元件(诸如微处理器、数字信号处理器(DSP)、软件等)、分立部件和/或集成部件，或其部分和/或组合。

如本文中所使用的，“电力转换电路系统”和/或“电力转换电路”是指将电力从一种或多种第一形式(例如，由发电机输出的电力)转换为具有电压、电流、频率和/或响应特点的任意组合的一种或多种第二形式的电路系统和/或电气部件。电力转换电路系统可以包括安全电路系统、输出选择电路系统、测量和/或控制电路系统和/或用于提供适当特征的任何其他电路。

如本文中所使用的，术语“第一”和“第二”可以用于列举相同类型的不同部件或元件，并且不一定暗示任何特定顺序。

图1展示了材料处理系统10，该材料处理系统包括与电源12电联通的放电电极14。电极14可以布置在外壳24中，外壳可以产生在其中进行材料处理过程的受控环境(例如，受控压力、温度、副产物的抑制等)。在一些示例中，采用接地辊16(例如，具有接地路径或其他参考电压的接地裸辊)并将其布置成允许材料22(例如，织物、纸、塑料、薄膜等)的幅材通过电极14附近以便被电极14放电产生的等离子体32处理。

在一些示例中，放电电极14包括介电管(例如，陶瓷)或不锈钢电极，接地辊16包括不锈钢辊或覆盖有陶瓷或玻璃的接地辊，二者配合以沿着电极14的长度均匀地分布高电压电荷。

提供电力输入的电源12可以包括高电压变压器、电力转换器和/或电力供应器(例如，市电)。在一些示例中，电源12向放电电极14提供的施加的功率密度在大约每平米10瓦特-分钟和每平米110瓦特-分钟之间，并且在一些示例中在大约每平米20瓦特-分钟和每平米60瓦特-分钟之间，然而也考虑其他范围。

如图所示，系统10包括汽化器或闪蒸器26以接收一个或多个输入，比如气体或流体。在图1的示例中，输入包括含有分子代码和/或过程气体的溶液。分子代码可以包含关于特定性征的信息，这些性征可以在分子水平上被接枝到材料22上。信息可以包括例如后续可以通过分析材料的化学成分来展现的位置、实体、过程。

在一些示例中，分子代码溶液将由大约20至110份去离子水对1份分子代码溶液构成，并且在一些示例中，由大约40至80份去离子水对1份DNA溶液构成，然而也考虑其他范围。在一些示例中，分子代码溶液将以一定速率被引入汽化器26，该速率为大约每分钟每厘米电极长度0.1毫升和每分钟每厘米电极长度1.0毫升之间，并且在一些示例中，在大约每分钟每厘米电极长度0.3毫升和每分钟每厘米电极长度0.8毫升之间，然而也考虑其他范围。

在一些示例中，过程气体可以包括不同气体的混合物，包括氮气和氧气的混合物。例如，过程气体混合物可以包括浓度在大约99％与80％之间并且在一些示例中在大约97％与88％之间的氮气，然而也考虑其他范围。等离子体气体混合物可以包括浓度在大约20％与1％之间并且在一些示例中在大约12％与3％之间的氧气，然而也考虑其他范围。在一些示例中，过程气体或混合物气体在被离子化时可以形成某些官能团，比如羟基、羧基、羰基或胺，作为示例的非限制性列表。

汽化器26接收具有分子代码和/或过程气体的蒸气28，蒸气然后经由导管27(例如，经由风扇、泵等)被输送到电极14与接地辊16之间的区域。在示例中，汽化器26包括加热器34以产生热量以将输入物转化为蒸气28。例如，汽化器26可以将输入物加热到大约100摄氏度与250摄氏度之间并且在一些示例中在大约180摄氏度与220摄氏度之间的温度，然而也考虑其他范围。

在一些示例中，可以采用一个或多个传感器(例如，流量计、压力传感器等)或阀来监测和/或控制分子代码溶液和/或过程气体作为蒸气28进入闪蒸器26和/或进入外壳的速率和/或量。因此，一旦分子代码溶液已被汽化，蒸气28可以由过程气体以一定流量输送到电极14，该流量在大约每分钟每厘米电极长度1升与每分钟每厘米电极长度10升之间并且在一些示例中在大约每分钟每厘米电极长度2升与每分钟每厘米电极长度5升之间，然而也考虑其他范围。

当蒸气28到达电极14时，高电压放电产生等离子体32，等离子体将过程气体的分子和分子代码离子化。例如，过程气体中的离子化分子的官能团(例如，羟基)用作分子代码的结合剂，分子代码然后被吸引到接地辊16，从而将具有分子代码的等离子体32吸拉到材料22上。等离子体32还传播离子化分子的碰撞。结果是，分子代码被接枝到材料22上。例如，分子代码是在分子水平上被接枝的，从而对经处理材料的特性影响很小或没有影响。特别地，在材料表面处理过程中，可以更改材料的一个或多个特性，比如调整材料的孔隙率、粘合能力或强度，作为特性的非限制性列表。示例性材料处理过程可以产生一种或多种副产物30(例如，水蒸气、未反应的气体、臭氧)，这些副产物可以作为排放物从处理区域被抽走和/或用于附加处理。

在公开的示例中，材料是聚合物、合成织造物和/或非织造物、天然纤维织造物、长丝、纱线、弹性体或金属中的一种，作为特性的非限制性列表。在每种情况下，材料可以以各种配置呈现以用于处理。例如，材料可以呈现为基本上柔性的幅材、膜、箔等，使得材料的输送从源辊20转移到接收辊18。在一些示例中，材料呈现为基本上平面的，比如刚性、半刚性或柔性片、板、板材等(参见例如图2的示例系统)。在一些示例中，材料呈现为具有不均匀的几何形状，使得分子代码的施加可以通过使用非直线输送器和/或可运动电极布置来实现(参见例如图3的示例系统)。在每个示例配置中，系统和方法被设计成根据所公开的技术施加分子代码。

在一些示例中，材料处理过程由一个或多个程序控制，该一个或多个程序由比如在集成或远程计算平台上的一个或多个控制电路执行。例如，控制电路、控制电路系统和/或控制器可以包括数字和/或模拟电路系统、分立和/或集成电路系统、微处理器、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)和/或其他逻辑电路系统和/或相关联的软件、硬件和/或固件。控制电路或控制电路系统可以位于一个或多个电路板上，这些电路板形成控制器的一部分或全部，并且用于控制材料处理过程。控制电路可以包括存储器，该存储器可以包括易失性和/或非易失性存储器装置和/或其他存储装置，以存储信息，比如程序指令，以便由控制电路执行。

可以测试已经通过本文公开的过程处理的材料以展现嵌入的编码信息。例如，可以使材料经受一种或多种化学测试技术(例如，电泳、色谱、光谱、质谱等)，从而将分子代码中包含的信息反编译。这种测试的结果表明分子代码的存在或不存在。

图2展示了另一个示例材料处理系统10，该材料处理系统被配置用于处理基本上平面的待处理物品。如图2所示，输送系统包括一个或多个平台和/或带41，在材料结构36穿过电极14与接地块38之间的区域时，材料结构36(例如，基本上平面的结构，比如刚性、半刚性或柔性片、板、板材等)放置在平台和/或带上。在一些示例中，平台41由一个或多个辊40、42驱动，并且用作材料结构36的输送器。在附加的示例或替代示例中，材料结构36放置在一个或多个辊40、42上并且在没有平台41的帮助的情况下被输送通过外壳24。

图3提供了又一个示例材料表面处理系统50，该材料表面处理系统被配置用于处理具有不均匀几何形状的物体70。例如，物体70可以是具有多个表面的三维物体，这些表面中一个或多个将被处理以将分子代码接枝到物体70的材料上。因此，分子代码的施加可以通过使用非直线输送器和/或通过电极关于物品的运动和/或物品关于电极的运动来实现。

在图3的示例中，电源12向延伸到本体52中的电极54提供电力。过滤器60布置在本体52内以用作被配置成接收蒸气64的第一体积76与包括一个或多个介电元件62的第二体积78之间的局部屏障。蒸气64经由导管56从汽化器26输送，蒸气64包括分子代码和/或过程气体。蒸气64被引入第二体积78，蒸气在第二体积处在电极54与介电元件62之间经受放电，从而产生等离子体66以经由喷嘴58施加到物体70。以这种方式，分子代码在暴露于等离子体66的区域处被接枝到物体70的材料上。

在一些示例中，比如氮气等前体气体可以经由导管74被引入到本体52中。附加地或替代地，系统50可以被完全或部分地封围在外壳中。在一些示例中，物体70可以经由接地的直接路径接地，或者经由接地的连接器或参考电压接地。

图4提供了根据本公开内容的各方面的表示示例指令100的流程图，这些示例指令可以由图1至图3的示例材料表面处理系统执行以将分子代码接枝到材料上。在框102处，比如在蒸发器或汽化器处接收包括分子代码的溶液。在框104处，溶液和过程气体被汽化并在框106中被引入到电极。在框108处，蒸气被离子化以产生等离子体，在框110中，等离子体被施加到材料的表面以将分子代码接枝到材料上。

如本文所使用的，“和/或”是指列表中由“和/或”连接的多个项中的任何一项或多项。作为一个示例，“x和/或y”是指三元素集合{(x),(y),(x,y)}中的任何元素。换言之，“x和/或y”是指“x和y中的一个或两个”。作为另一示例，“x、y和/或z”是指七元素集合{(x),(y),(z),(x,y),(x,z),(y,z),(x,y,z)}中的任何元素。换言之，“x、y和/或z”是指“x、y和z中的一个或多个”。如本文所使用的，术语“示例性”是指用作非限制性示例、实例、或图示。如本文所使用的，术语“例如”和“比如”引出一个或多个非限制性示例、实例、或图示的列表。

尽管已经参考某些实施方式描述了本方法和/或系统，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本方法和/或系统的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以替换等效物。此外，在不脱离本公开内容范围的情况下，可以做出许多修改以使特定情况或材料适应于本公开内容的教导。例如，所公开的示例的系统、框和/或其他部件可以被组合、划分、重新布置和/或以其他方式被改变。因此，本方法和/或系统不限于所公开的特定实施方式。相反地，本方法和/或系统将包括无论是从字面上还是依据等同原则落入所附权利要求的范围内的所有实施方式。