CN100595372C - 大气压等离子体处理纤维束或纤维线绳表面装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大气压等离子体处理纤维束或纤维线绳表面装置及方法，同轴套置石英内套管和石英外套管构成气体放电等离子体区，石英内套管的内表面或外表面通过真空蒸镀沉积金属膜形成高压电极；石英外套管外表面套接不锈钢丝网和水膜夹层构成接地电极。本发明利用同轴石英玻璃套管构造介质阻挡放电的非对称电极结构，一方面保证气体在夹层中具有特定的流层分布，减少气体的消耗；另方面冷却高压电极的自来水经导管流入水膜夹层中并与放电管上的不锈钢丝网构成放电管的透明接地电极，有效降低处理温度。根据不同纤维材料选择恰当的高压电极形式、气体组分、电源参数和处理速度，对纤维束或纤维线绳表面进行高效、低损耗和环保处理。

Description

大气压等离子体处理纤维束或纤维线绳表面装置及方法

技术领域

本发明涉及一种大气压气体放电等离子体对材料表面处理的装置和方法。

背景技术

高性能有机纤维具有高强度、高模量、高弹及耐热等优良性能，作为增强纤维材料在复合材料中具有广阔的应用前景，但由于这些纤维材料表面缺乏极性官能团，与基体材料间粘附性能差，因而有必要对其表面进行改性以改善与基体材料界面间的粘附性能。目前采用的处理方法有多种，其中使用气体放电等离子体处理高分子纤维材料表面替代传统的化学方法，具有节能和环保意义。

低气压气体放电非平衡等离子体技术在材料表面处理方面有着非常成熟的应用，但在诸如聚合物、织物以及纸张等材料表面实现连续处理的工艺过程，则需要制造体积庞大的真空室或采用分级预真空和高真空的隧道窑式系统，因而给这类应用带来极大的不便，同时大大增加了工艺成本；大气压气体放电非平衡等离子体技术无须配备真空系统，并且可在装置结构上进行灵活多样的设计，这样给诸多领域的应用带来了极大的方便，因而大气压气体放电非平衡等离子体技术日益引起等离子体物理、化工、环保及材料处理等领域学者与工程技术人员的浓厚兴趣。目前高分子材料表面等离子体处理主要是大面积单面处理，而作为复合材料中起增强作用的纤维或纤维束则须全表面处理；此外，由于纤维或纤维束占空间小，对大面积的气体放电可利用的放电区域有限，同时对于放电辅助性气体及反应性气体的消耗也有浪费，因而采用大面积放电方法处理纤维或纤维束不利于节能和降耗。采用大气压等离子体射流技术也可对纤维材料表面进行处理，大批量处理存在如下问题：1)大气等离子体射流温度高，对纤维表面的烧蚀作用降低纤维的机械强度，采用放电辅助性气体能降低处理温度，但要保证射流有足够的射程，需要高流量的气体，增加了气体的消耗；2)等离子体射流面与纤维面向、背向表面的作用有差异，影响处理的均匀性，从而影响复合材料中纤维与基体材料间的粘附性能。

发明内容

本发明为了解决上述存在的技术问题，而提供一种大气压等离子体处理纤维束或纤维线绳表面装置及方法。

本发明的技术方案是；一种大气压等离子体处理纤维束或纤维线绳表面装置，包括普通玻璃管，石英内套管，石英外套管，不锈钢丝网，高压电极冷却水管，其特点是：普通玻璃管内同轴套置石英内套管和石英外套管构成气体放电等离子体区，其中在石英内套管的内表面或外表面通过真空蒸镀沉积金属膜形成高压电极；石英外套管外表面套接不锈钢丝网，并与普通玻璃管之间留有缝隙作水膜夹层，普通玻璃管两端与石英外套管外壁封接后构成接地电极。

石英内套管与石英外管两端用聚四氟乙烯支撑固定，且保持石英内套管与石英外套管之间的气体间隙为3.0-6.0mm作为气体放电等离子体区；位于石英内套管与石英外套管之间的聚四氟乙烯支撑的同一半径圆上等间距开有直径为0.5-3.0mm的小孔若干对；在石英外套管一端口附近15.0mm处烧接直径为6.0mm的进气口，且开口朝向与石英内套管表面相切并与石英外套管轴向成30°；石英外套管外表面套接不锈钢丝网后与普通玻璃管之间留有的缝隙为2.0-3.0mm；石英内套管中设有高压电极冷却水管，水膜夹层中的水经冷却水导管流入高压电极冷却水管中；气体放电等离子体区通过气体质量与流量控制器连接气瓶；该装置的两端安装有转绕机。

本发明的使用方法是：(1)将纤纤维线绳经石英内套管与石英外管两端的聚四氟乙烯支撑的开孔连续进入和穿出气体放电等离子体区；(2)将大气或经气体质量流量控制器的辅助气体与反应气体的混合气体，以一定角度射入气体放电等离子体区后绕管轴作螺旋流动，并与待处理的纤维或纤维束或帘子线运动速度方向相反；(3)开启10-100kHz，3-10kV的高频高压电源。

其中，纤维束或纤维线绳从聚四氟乙烯支撑的孔中穿过放电等离子体区，由自动稳速转绕机驱动，以设定的速度(1-70m/min)进行等离子体连续处理。

本发明的有益效果是：采用上述结构能对纤维束或纤维线绳全表面进行处理，明显改善纤维束或纤维线绳的表面结构与性能而不会降低纤维束或纤维线绳的机械强度，同时减少气体和能量消耗；

在大气压放电结构中，由循环的普通自来水体确保处理系统的较低处理温度，避免了高温(约150℃)拉伸作用下气体放电对纤维机械强度的影响；绕管轴流动的涡旋气流能有效降低气体的用量，并使套管夹层中气体分布均匀(从而产生均匀放电等离子体区)；通过选择高压电极结构(是否面向放电区、是否条状)、调控放电辅助气体与反应气体组分配比、放电功率和频率，对于给定的纤维束或纤维线绳达到理想的表面处理效果。

附图说明

图1是本发明的系统示意图；

图2是本发明的系统局部剖视图；

图3是石英套管端口聚四氟乙烯支架的局剖视图；

图4是图3中沿A-A的剖视图；

图5是反应器气体进入接口示意图；

图6是等离子体气体放电条状高压电极示意图；

图7是图6的左视图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1，2所示，本发明的大气压等离子体处理纤维束或纤维线绳装置，包括普通玻璃管与水膜4，石英内套管1，石英外套管2，不锈钢丝网3，高压电极冷却水管6，高压电极7(金属膜层)，冷却水导管8，气体质量与流量控制器10和气瓶，石英套管端口聚四氟乙烯支架12，转绕机13。

普通玻璃管与水膜4内同轴套置石英内套管1和石英外套管2之间构成气体放电等离子体区5，其中在石英内套管的内表面或外表面通过真空蒸镀沉积金属膜形成高压电极7；石英外套管2外表面套接不锈钢丝网3，并与普通玻璃管4之间留有缝隙作水膜夹层，普通玻璃管4两端与石英外套管2外壁封接后，不锈钢丝网3与水膜夹层共同构成接地电极。

本发明的的结构特点：

(1)内、外石英管1，2作为放电阻挡介质，石英管厚度、管径以及放电间隙的尺寸(在确保两管之间气体间隙为3.0mm~6.0mm的条件下，对内、外管的直径和长度没有限制)。在石英内套管1内或外侧表面(根据所处理纤维材料的结构和性能选择)采用真空蒸镀方法形成连续金属膜作为气体放电的高压电极7；石英外套管2外表面套上不锈钢丝网3，并用普通玻璃管4套在石英外套管2上，其间有2.0-3.0mm的缝隙作水膜夹层，两端与石英外套管2外壁封接，不锈钢丝网3与水膜夹层共同共同作为接地电极。

(2)水经冷却水导管8进入普通玻璃管与石英外套管2的夹层中对外管壁和电极冷却，而此时的外电极实际上是由局限夹层中流动的水膜与不锈钢丝网3共同构成(透明水电极便于观察和放电测量)；然后再经冷却水导管8流入高压电极冷却水管6内(插入内石英管1中)冷却石英内套管1壁和高压电极7；由于高压内电极7对高压电极冷却水管6间的电容要大于高压内电极7和不锈钢丝网3间的电容，在交流或脉冲高电压下同轴石英玻璃套管夹层中的气体(大气或其它混合气体)击穿形成气体放电等离子体，(图1，2所示)。

(3)石英内、外套管1，2两端用聚四氟乙烯支撑12固定，以保持两石英管之间的气体间隙为3.0~6.0mm，在聚四氟乙烯位支撑12于两管间隙的同一半径的圆上等间距地开有直径约为0.5~3.0mm的小孔若干对，如图3，4所示。

(4)在外石英管一端口附近约15.0mm处烧接直径为6.0mm的进气口9，开口朝向与石英内套管表面相切并与管轴成30°，如图5所示。

(5)高压电极7也可采用真空蒸镀方法在内石英管内或外侧表面形成沿管轴方向平行排列的有一定宽度的条状金属膜层，如图6，7所示。

本发明方法的具体实施步骤：

(1)将纤维束或纤维线绳穿过上述石英管两端聚四氟乙烯12的孔洞以及气体放电等离子体区5，在自动稳速转绕机13的带动下以各种设定的速度进行表面处理。

(2)放电辅助气体或与特种反应气体的混合气体进入放电区5，并与纤维或纤维束或帘子线11运动相反方向以螺旋路径绕管轴流动。

(3)在以同轴石英玻璃套管1，2为放电阻挡介质的放电管中，管内电场沿径向非均匀分布，石英内套管表面电场最强，放电电流密度高，因而功率密度高。为了减少相邻放电之间的相互作用，提高能量利用效率，高压电极采用沿管轴方向平行排列的有一定宽度的条状金属膜层。

(4)为了保证高速转绕纤维束或纤维线绳的表面处理效果，则需要增加放电区轴向长度和增加电源的放电激励频率，采用上述条状电极结构可在有限的功率内提高能量的利用率，并由于等效电容量的减小，电源的高端频率资源也可得到有效利用。本发明装置可用频率10~100KHz，峰值电压为3.0~10.0kV的交流电源。

本发明的实施例：开水阀，水体经高压电极冷却水管6流入水膜4夹层；接通电源，套管夹层中的空气在交流高压作用下产生气体放电，形成脉冲等离子体区5；或者打开气瓶开关和气体质量流量控制器10，气体从进气接口9进入石英套管放电等离子体区5并以涡流绕管轴流动，调节气体流量和组成比例，可改变气体放电等离子体特性；将直径为0.3-3.0mm的纤维或纤维束或纤维线绳11从聚四氟乙烯支撑12的孔中穿过放电等离子体区5，由自动稳速转绕机13驱动，以设定速度(1-70m/min)进行等离子体连续处理。

Claims (8)

1.一种大气压等离子体处理纤维束或纤维线绳表面装置，包括普通玻璃管(4)与水膜，石英内套管(1)，石英外套管(2)，不锈钢丝网(3)，高压电极冷却水管(6)，其特征在于，所述普通玻璃管(4)内同轴套置石英内套管(1)和石英外套管(2)构成气体放电等离子体区(5)，其中在所述石英内套管(1)的内表面或外表面通过真空蒸镀沉积金属膜形成高压电极(7)；所述石英外套管(2)外表面套接不锈钢丝网(3)，并与普通玻璃管(4)之间留有缝隙作水膜夹层，普通玻璃管(4)两端与石英外套管(2)外壁封接后，不锈钢丝网(3)和水膜共同构成接地电极，在所述石英外套管(2)一端口附近15.0mm处烧接直径为6.0mm的进气口(9)，且开口朝向与石英内套管(1)表面相切并与石英外套管(2)轴向成30°，所述石英内套管(1)中设有高压电极冷却水管(6)；所述水膜夹层中的水经冷却水导管(8)流入高压电极冷却水管(6)中。

2.根据权利要求1所述的大气压等离子体处理纤维束或纤维线绳表面装置，其特征在于，所述石英内套管(1)与石英外套管(2)两端用聚四氟乙烯支撑(12)固定，且保持石英内套管(1)与石英外套管(2)之间的气体间隙为3.0-6.0mm作为气体放电等离子体区(5)。

3.根据权利要求2所述的大气压等离子体处理纤维束或纤维线绳表面装置，其特征在于，位于石英内套管(1)与石英外套管(2)之间的所述聚四氟乙烯支撑(12)的同一半径圆上等间距开有直径为0.5-3.0mm的小孔若干对。

4.根据权利要求1所述的大气压等离子体处理纤维束或纤维线绳表面装置，其特征在于，所述石英外套管(2)外表面套接不锈钢丝网(3)后与普通玻璃管(4)之间留有2.0-3.0min缝隙作为水膜夹层。

5.根据权利要求1所述的大气压等离子体处理纤维束或纤维线绳表面装置，其特征在于，所述气体放电等离子体区(5)通过气体质量流量控制器(10)连接气瓶。

6.根据权利要求1所述的大气压等离子体处理纤维束或纤维线绳表面装置，其特征在于，该装置的两端安装有转绕机(13)。

7.一种大气压等离子体处理纤维束或纤维线绳表面方法，其特征在于，具体步骤是：

1)将纤维或纤维束或帘子线经石英内套管(1)与石英外套管(2)两端的聚四氟乙烯支撑(12)的开孔连续进入和穿出气体放电等离子体区(5)；

2)将大气或经气体质量流量控制器(10)的辅助气体与反应气体的混合气体，以一定角度射入气体放电等离子体区(5)后绕管轴作螺旋流动，并与待处理的纤维或纤维束或帘子线运动速度方向相反；

3)开启10-100kHz，3-10kV的高频高压电源。

8.根据权利要求9所述的大气压等离子体处理纤维束或纤维线绳表面方法，其特征在于，所述纤维束或纤维线绳(11)从聚四氟乙烯支撑(12)的孔中穿过放电等离子体区(5)，由自动稳速转绕机(13)驱动，以设定的1-70m/min速度进行等离子体连续处理。

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