CN102869180A

CN102869180A - 大幅面介质阻挡放电等离子体表面处理系统

Info

Publication number: CN102869180A
Application number: CN2012100235224A
Authority: CN
Inventors: 汤文杰; 褚庭亮; 俞朝晖; 陈立强
Original assignee: Inst Of Printing Science And Technology Beijing
Current assignee: Inst Of Printing Science And Technology Beijing
Priority date: 2012-02-02
Filing date: 2012-02-02
Publication date: 2013-01-09

Abstract

一种大幅面介质的阻挡放电等离子体表面处理系统，在阻挡放电等离子体处理组件的上方设有臭氧吸收装置。所述的阻挡放电等离子体处理组件包括接地辊筒、电极板和输气装置，接地辊筒的主轴两端转动支撑在机架上，在接地辊筒的上面装有一对弧面与接地辊筒同轴心的并与该接地辊筒外周面留有相等放电间距的电极板，在该电极板内设有水冷通道和与其两端连接的循环水接口；在两个电极板之间装有输气装置。本发明处理强度强、处理时效性长、且具有臭氧吸收或催化分解能力，适合于大幅面的金属、薄膜、皮革等大多数包装材料，可实现不同速度在线式处理的等离子体表面处理。

Description

大幅面介质阻挡放电等离子体表面处理系统

技术领域

本发明涉及一种大幅面介质阻挡放电等离子体表面处理系统，适用于对大幅面(100mm-2000mm)的金属、薄膜、皮革等大多数包装材料的表面处理，是一种可实现不同速度在线式处理的等离子体表面处理设备。

背景技术

印刷表面处理技术最先是为解决塑料薄膜表面印刷、涂布附着力差的问题而发展起来的。常见的塑料薄膜基本材料主要为聚丙烯(PP)、聚已烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚酯(PET)等，其表面特性因分子结构基材的极性基团，结晶程度和塑料的化学稳定性等不同而有很大的差异，这些因素对印刷油墨层的粘附牢度影响很大。对属于极性结构的PS(聚苯乙烯)、PVC，印刷前不需要做表面预处理，但对于其表面结构是非极性的PP、PE、PET等，其化学稳定性极高，不易被大多数油墨溶剂所渗透和溶解，与油墨印刷的结合牢度很低，所以在印刷之前必须经过表面处理，使塑料表层活化生成新的化学键，使表面粗化，从而提高油墨与薄膜表面的结合粘附牢度；同时制造某些粒料过程中，按不同要求掺入了一定数量的助剂，附加剂，下开口剂，当吸膜定型后，这些助剂就浮在膜面，形成肉眼看不见油层，这些油层对印刷是完全不利的，它使膜面不易粘合，附着力下降，因此具有这些油层的薄膜材料就必须经过表面处理，使薄膜表层的油脂去除，提高油墨、涂层的附着牢度。

现有技术包括以下几种：

1、火焰处理：火焰处理方法是将空气加热到高温(3000°F以上)形成等离子体，对材料表面产生清洗、活化作用。火焰激活空气中的氧分子，使它们在材料的表面形成带有碳分子的极性分子。表面分子极性的增加和氧化减少了塑料的表面张力，增加了材料基体对油墨的吸附力。

火焰处理曾经是处理聚乙烯、聚丙烯和任何表面厚度超过10毫米的塑料时最受欢迎的方法。但是今天，火焰处理只保留作为铸模或吹模工艺的一部分，另外用于纸版和包装食品、饮料的材料的表面处理(如装牛奶的纸盒)。

它的缺点是处理对设备的空间和环境要求都较高、安全系数低，尤其是火焰处理存在气源(天然气)成分的变化导致处理强度不一致的问题。

2、电晕处理：电晕处理是在平板电极对面的针状电极上加有正电压，当电压升高到一定数值时，从针尖伸展出来的发光部分便会触及平板电极，并且分成许多线状的发光部分，它们均处于不停的闪烁状态，这些发光部分就是等离子体，对材料表面产生清洗、活化的作用。电晕等离子体使塑料表面产生游离基反应而使聚合物发生交联，表面变粗糙并增加其对极性溶剂的润湿，这些等离子体由电击和渗透作用进入被印体的表面破坏其分子结构，进而将被处理的表面分子氧化和极化，活化表面，以致增加承印物表面的附着能力。

电晕技术设备小型化、一键式特点完全能满足联机处理的要求，如今，几乎所有的塑料薄膜、纸张及金属箔材料都采用电晕法进行处理。但是它存在的缺点是处理强度弱、效果保持时间短、高功率处理容易产生针孔，且现有的系统无臭氧处理装置，臭氧直接排放危及操作人员健康和污染环境。

低浓度的臭氧可消毒，但超标的臭氧则是个无形杀手。

A、它强烈刺激人的呼吸道，造成咽喉肿痛、胸闷咳嗽、引发支气管炎和肺气肿；

B、臭氧会造成人的神经中毒，头晕头痛、视力下降、记忆力衰退；

C、臭氧会对人体皮肤中的维生素E起到破坏作用，致使人的皮肤起皱、出现黑斑；

D、臭氧还会破坏人体的免疫机能，诱发淋巴细胞染色体病变，加速衰老，致使孕妇生畸形儿。

目前(2011年11月)，环境保护部对外公布《环境空气质量标准》(二次征求意见稿)和《环境空气质量指数(AQI)日报技术规定》(三次征求意见稿)，向全社会公开征求意见，其中二次征求意见稿的最大调整是将PM2.5和臭氧(8小时浓度)纳入常规空气质量评价，臭氧的污染越来越受到人们的关注。

发明内容

本发明旨在提供一种大幅面介质阻挡放电等离子体表面处理系统，以解决现有技术存在的处理强度较弱、处理时效短、不具有臭氧吸收或催化分解能力的问题。

本发明的技术方案是：一种大幅面介质阻挡放电等离子体表面处理系统，包括等离子体处理组件，其特征在于，所述的等离子体处理组件为介质阻挡放电等离子体处理组件。

在所述的介质阻挡放电等离子体处理组件的上方设有臭氧吸收装置。

所述的介质阻挡放电等离子体处理组件包括接地辊筒、电极板和输气装置，接地辊筒的主轴两端转动支撑在机架上，在接地辊筒的上面装有一对弧面与接地辊筒同轴心的并与该接地辊筒外周面留有相等放电间距的电极板；在两个电极板之间装有输气装置。

所述的输气装置由气刀和导流槽组成，在气刀的出气缝隙与接地辊筒的顶端之间设有导流槽，一对所述的电极板分别连接在该导流槽的两侧；该电极板、气刀和导流槽的长度均与接地辊筒的长度相对应。

在所述的电极板内设有水冷通道，该水冷通道两端连接有穿出电极板两端的循环水接口；所述的电极板的两端分别安装在一个弧形绝缘的电极支架一侧的安装台阶上，所述的循环水接口穿出电极支架外，电极支架的弧形与所述的接地辊筒同轴心；电极板面积可增大或缩小，接高压电源，电源电压10-30KV，频率为10-30KHz。

在所述的接地辊筒内设有冷却通道，该冷却通道的两端与循环水回路连接；所述的电极板不冷却。

所述的电极板与接地辊筒之间的放电间距为0.5-5mm，在该放电间距内产生等离子体；所述的电极支架两端将接地辊筒的两端的外沿拐角包围，在保证接地辊筒自由转动的前提下，尽量减少气流从端面漏出。

所述的臭氧吸收装置由抽风罩和臭氧消除器组成，抽风罩设在所述的等离子体处理组件的上部周围，其作用是防止臭氧扩散到操作环境中；在该抽风罩的顶端设有臭氧消除器，将臭氧吸收或催化分解。

所述的电极板由并列的多个电极棒组成，相邻的电极棒之间用粘接剂相互密封连接形成弧面，导流槽与电极板之间的空隙也用粘结剂填充。

所述的电极棒为水冷电极棒，包括介质管、金属管、绝缘管、端盖、有机胶、无机胶和金属粉，在介质管的两端从内之外依次设有端盖、有机胶和无机胶；金属管的长度小于介质管长度，两端口位于无机胶的中间位置，金属管与金属材质的端盖连接；在该金属管的两端各对接一绝缘管，两根绝缘管的外端穿出无机胶，该绝缘管的粗细和壁厚与所述的金属管一致；一个所述的端盖焊有高压导线，该高压导线延伸至电极棒外；在两个端盖之间填充金属粉；所述的金属管和绝缘管作为水冷通道，绝缘管的外端与循环水接口连接。

所述的电极棒为无水冷电极棒，包括介质管、端盖、有机胶、无机胶和金属粉，在介质管的两端从内之外依次设有端盖、有机胶和无机胶；两个端盖分别与一根金属导线的两端连接，其中一个端盖的焊有高压导线，该高压导线延伸至电极棒外；在两个端盖之间填充金属粉。

本发明的优点是：大幅面介质阻挡放电等离子体处理比电晕处理强度高，更能提高基材表面印刷的附着力：

1.等离子体处理强度高，加速液体扩散。等离子体强度越高，材料表面能越高，液体(涂料、油墨、粘合剂等)在材料表面扩散速度越快，越有利于高速印刷中快速、彻底固化。

2.等离子体处理强度高，加大润湿性能。等离子体强度越高，材料表面能越高，固化后的液体同基材表面接触越密切，产生的范德华力越强。

3.等离子体处理强度高，增大表面粗糙度。等离子体强度越高，材料表面粗糙度越大，液体与基材之间的有效粘结面积，又可使液体中的树脂渗入基材表面的细孔，溶剂挥发后树脂就会保留在细孔中，产生楔头作用从而提高印刷的附着力。

4.等离子体能量较大时，可以打开材料表面的化学键，形成活性基团，在薄膜和液体中的树脂之间生成化学键，从而增大附着力。

附图说明

图1是本发明实施例的总体剖视结构示意图；

图2是本发明上述实施例的总体的立体结构(局部分解)示意图；

图3是本发明上述实施例中等离子体处理部分的立体结构示意图；

图4是图3的A-A剖视图；

图5是图4的B-B剖视图；

图6是本发明的臭氧吸收器的立体结构示意图；

图7是本发明的臭氧吸收器的立体结构示意图；

图8是本发明的水冷电极板实施例的立体结构示意图；

图9是图8中一个电极棒的立体结构示意图；

图10是图9的轴向剖视图；

图11是本发明的无水冷电极板实施例的立体结构示意图；

图12是图11中一个电极棒的立体结构示意图；

图13是图12的轴向剖视图；

图14是本发明的电极棒内的中间分叉型金属管的结构示意图。

具体实施方式

参见图1～图14，本发明一种大幅面介质阻挡放电等离子体表面处理系统，包括介质阻挡放电等离子体处理组件A，在所述的介质阻挡放电等离子体处理组件A的上方设有臭氧吸收装置B。

所述的介质阻挡放电等离子体处理组件A包括接地辊筒7、电极板6和输气装置，接地辊筒7两端的主轴11转动支撑在机架10上，在接地辊筒7的上方装有一对弧面与接地辊筒7同轴心的并与该接地辊筒7外周面留有相等放电间距的电极板6，在该电极板6内设有水冷通道和与其两端连接的循环水接口9。在两个电极板6之间装有输气装置。

所述的输气装置由气刀5和导流槽14组成，气刀5为沿接地辊筒7的轴向设置的腔体，在该气刀5的底端设有与接地辊筒的顶端相对的出气缝隙(喷嘴)51，在该气刀5上设有高压进气接口4。在该出气缝隙51与接地辊筒7的顶端之间设有导流槽14，一对所述的电极板6对称地通过密封剂15连接在该导流槽14的两侧。该电极板6、气刀5和导流槽14的长度均与接地辊筒7的长度相对应。

所述的电极板6的两端分别安装在一个半圆形绝缘的电极支架12一侧的安装台阶(截面为直角凹槽)13上，所述的循环水接口9穿出电极支架12外侧，电极支架12的弧形与所述的接地辊筒7同轴心。

所述的电极板6与接地辊筒7之间的放电间距T为0.5-5mm，在该放电间距内产生等离子体。在保证接地辊筒7自由转动的前提下，所述的电极支架12的端面的内圆无限接近于接地辊筒7外周面(电极支架12两端将接地辊筒7的两端的外沿拐角包围(参见图5)，两者间隙P为10um-500um，尽量减少气流从端面漏出。

所述的臭氧吸收装置B由抽风罩3和臭氧吸收器2组成，抽风罩3设在所述的等离子体处理组件A的上部周围，其作用是防止臭氧扩散到操作环境中。在该抽风罩3的顶端设有臭氧吸收器2，将臭氧吸收或催化分解。

所述的臭氧吸收器2的一个实施例是内上下重叠设置多个微孔铝蜂窝除臭氧滤网21。

所述的臭氧吸收器2的另一个实施例的上下两端设有滤网23，在两个滤网23之间放置臭氧分解催化剂22。

本发明的电极板6为可拆卸式结构，面积可增大或缩小，接高压电源，电源为高频脉冲电源，电压10-30KV，频率为10-30KHz，可作为电晕放电的电源。

电极板6加上高压电源后，电极板6与接地辊筒7之间的间隙产生等离子体。气刀5提供线性均匀气流，气刀的出气缝隙51的有效长度可为100-2000mm，气刀5的高压进气接口4与压强≥5bar的高压气源连接。气刀5产生的气流经过导流槽14通入电极板6与接地辊筒7的放电区域中，使放电更为均匀。

电极支架12用于支撑电极板6的两端，电极支架12上还设有循环水接口9(一端为进水口，另一端为出水口)，用于冷却电极板。

电极支架12和导流槽14的材质为绝缘材料，如聚四氟乙烯、酚醛树脂等。

图4中是在导流槽14两侧与电极板6之间填充密封剂15。

本发明的介质阻挡放电处理(LDBD)与电晕放电处理的区别在于：

电晕处理是在平板电极对面的针状电极上加有正电压，当电压升高到一定数值时，从针尖伸展出来的发光部分便会触及平板电极，并且分成许多线状的发光部分，它们均处于不停的闪烁状态，这些发光部分就是等离子体，对材料表面产生清洗、活化的作用。

介质阻挡放电等离子体，它是将玻璃等介质覆盖在两块平板电极上，从左向右通入接近大气压强的干燥空气或者氧气。在两极之间加上10kV左右的交流电压(频率为50Hz-10kHz)，在很短的时间内就会出现时有时无的微小放电柱。之所以会出现这样的重复脉冲放电的现象，是因为介质起到了妨碍放电的阻挡作用。介质对于防止电晕放电发展到电弧放电起着重要的作用。

LDBD是在介质阻挡放电的基础上，在两个放电电极之间通以高速气流，提高放电均匀性、防止针孔、强制风冷降低电极温度。

实验室以及国内外其他专家的研究表明LDBD比电晕处理的优势在于：活性粒子的能量更高(介质阻挡放电E_Max＝10eV，电晕放电E_Max＝6eV)，活性粒子密度更高(介质阻挡放电10¹²-10¹⁵cm^-3，电晕放电10⁹-10¹³cm^-3)。

参见图8～图14，本发明的电极板6由并列的多个电极棒61，相邻的电极棒61之间用粘接剂62相互密封连接。电极棒61有两种，一种是水冷电极棒(如图8-图10所示)，另一种是无水冷电极棒(如图11-图13所示)，分别说明如下。

参见图8-图10，所述的水冷电极棒构造包括：

介质管615：可选用陶瓷管或石英管，横截面可为正方形、长方形或圆形，长度为70mm-2000mm，管壁厚度为0.5-4mm。

金属管616：材料可为不锈钢、铜、铝合金等，形状可为直线型(图10所示)、螺旋状、中间分叉型(图14所示)，金属管616内可通冷却水。长度小于介质管615的长度，两端口位于无机胶612的中间位置，壁厚0.5-4mm。

绝缘管611：材料可为聚四氟乙烯、石英、陶瓷等，粗细、壁厚与金属管616一致并相互对接。

端盖614：根据介质管615的横截面选择端盖614的形状，端盖614的横截面尺寸略小于介质管615的尺寸以便将端盖614塞入介质管615内。端盖614厚度为1-10mm，材料为铜、不锈钢、铝合金等，其中一端盖614焊有高压导线618，高压导线618穿出电极棒外。

金属粉617：两个端盖614之间填塞金属粉617，金属粉可为铜、铝、银等粉末。

有机胶613：端盖614外侧用有机胶613封堵，有机胶613包括：环氧树脂、硅胶等。

无机胶612：有机胶613外侧再用无机胶612封堵，无机胶612包括：普通水泥、陶瓷原料(陶瓷粘土、石英、溶剂原料、碳酸盐类溶剂原料、镁硅酸盐类原料)或回天牌无机胶等。

上述水冷电极棒的封装工艺是：(介质管为陶瓷管、有机胶为硅胶、无机胶为回天牌无机胶、金属粉为铝粉、端盖为铜质环形金属片、金属管为螺旋型铜管、绝缘管为聚四氟乙烯管)。

1.先金属管两端分别对接上两个绝缘管，将金属管放入介质管中央。

2.一个端盖以堵头形式固定在介质管的一个端口内，填充有机胶，厚度-5mm，

低压室(10³-10⁴Pa)内放置30min，使有机胶内部空气完全排出室温下湿度80％下自然干燥24小时，100摄氏度下烘干4小时在同一侧端口，填充无机胶，厚度1-10mm，金属管与绝缘管的接头正处于无机胶填堵长度的中央区域，低压室(10³-10⁴Pa)内放置30min，使无机胶内部气体完全排出。

3.室温下自然干燥12小时，80摄氏度干燥2小时，150摄氏度干燥2小时

4.在保护气如氮气的环境中填充铝粉，尽量将铝粉填实，防止铝粉氧化，将

另一端盖作为堵头放入(两端盖事先已经用裸金属焊接一起，一端盖同时还焊接了高压导线)，填充有机胶，厚度1-5mm，低压室(10³-10⁴Pa)内放置30min，使有机胶内部空气完全排出，重复步骤3使有机胶固化，重复步骤4、5使无机胶固化。

完成水冷电极棒的封装。采用水冷电极棒时，接地辊筒7可以不用冷却。

参见图11-图13，所述的无水冷电极棒构造包括：

端盖614，根据介质管615的横截面选择端盖614的形状，端盖614的横截面尺寸略小于介质管615的尺寸以便将端盖塞入介质管内。端盖614厚度为1-10mm，材料为铜、不锈钢、铝合金等，两个端盖614分别焊接有同一根金属导线(裸铜线)619，其中一端盖614还焊有高压导线618，高压导线618延伸至电极棒外。

无水冷电极棒的封装工艺：(介质管为陶瓷管、有机胶为硅胶、无机胶为回天牌无机胶、金属粉为铝粉、端盖为铜质金属片)。

1.一个端盖以堵头形式固定在介质管的一个端口内，填充有机胶，厚度1-5mm，低压室(10³-10⁴Pa)内放置30min，使有机胶内部气体完全排出。

2.室温下湿度80％下自然干燥24小时，100摄氏度下烘干4小时。

3.在同一侧端口，填充无机胶，厚度1-10mm，低压室(10³-10⁴Pa)内放置

30min，使无机胶内部空气完全排出。

4.室温下自然干燥12小时，80摄氏度干燥2小时，150摄氏度干燥2小时。

5.在保护气如氮气的环境中填充铝粉，尽量将铝粉填实，防止铝粉氧化，将

另一端盖作为堵头放入(两端盖事先已经用裸金属焊接一起，一端盖同时还焊接了高压导线)，填充有机胶，厚度1-5mm，低压室(10³-10⁴Pa)内放置30min，使有机胶内部空气完全排出，重复步骤2使有机胶固化，重复步骤3、4使无机胶固化。完成无水冷电极棒的封装。

采用无水冷电极棒时，接地辊筒7一般需要冷却，在接地辊筒7内设有水冷通道，该冷却通道在接地辊筒7的轴11的两端引出与循环水回路连接(常规技术，未图示)。

本发明电极板6在封装时，将电极棒61的两端固定在弧形的电极支架12的安装台阶13上(参见图4、图5、图8和图11)，；在电极棒61之间的缝隙中填充粘接剂(有机胶)62，粘接剂包括环氧树脂、硅胶等；在低压室(10³-10⁴Pa)内放置30min，使有机胶内部气体完全排出；室温下湿度80％下自然干燥24小时，100摄氏度下烘干4小时；最后手工进行修整，保持电极板内曲面平滑过渡。

本发明的电极板的优点是：

1.无水冷电极耐高温适合普通薄膜的经济性处理，有水冷电极等离子体放电温度低适合热敏性薄膜处理。

2.电极板易拆卸，可方便地更换不同面积的电极板，使等离子体表面处理机能满足不同速率生产线的要求。

3.电极内部填充金属粉末，放电更均匀。

4.金属部件完全封装，保证安全生产。

Claims

1.一种大幅面介质阻挡放电等离子体表面处理系统，包括等离子体处理组件，其特征在于，所述的等离子体处理组件为介质阻挡放电等离子体处理组件。

2.根据权利要求1所述的大幅面介质阻挡放电等离子体表面处理系统，其特征在于，在所述的介质阻挡放电等离子体处理组件的上方设有臭氧吸收装置。

3.根据权利要求1所述的大幅面介质阻挡放电等离子体表面处理系统，其特征在于，所述的介质阻挡放电等离子体处理组件包括接地辊筒、电极板和输气装置，接地辊筒的主轴两端转动支撑在机架上，在接地辊筒的上面装有一对弧面与接地辊筒同轴心的并与该接地辊筒外周面留有相等放电间距的电极板；在两个电极板之间装有输气装置。

4.根据权利要求3所述的大幅面介质阻挡放电等离子体表面处理系统，其特征在于，所述的输气装置由气刀和导流槽组成，在气刀的出气缝隙与接地辊筒的顶端之间设有导流槽，一对所述的电极板分别连接在该导流槽的两侧；该电极板、气刀和导流槽的长度均与接地辊筒的长度相对应。

5.根据权利要求3所述的大幅面介质阻挡放电等离子体表面处理系统，其特征在于，在所述的电极板内设有水冷通道，该水冷通道两端连接有穿出电极板两端的循环水接口；所述的电极板的两端分别安装在一个弧形绝缘的电极支架一侧的安装台阶上，所述的循环水接口穿出电极支架外，电极支架的弧形与所述的接地辊筒同轴心；电极板面积可增大或缩小，接高压电源，电源电压10-30KV，频率为10-30KHz。

6.根据权利要求3所述的大幅面介质阻挡放电等离子体表面处理系统，其特征在于，在所述的接地辊筒内设有冷却通道，该冷却通道的两端与循环水回路连接；所述的电极板不冷却。

7.根据权利要求5所述的大幅面介质阻挡放电等离子体表面处理系统，其特征在于，所述的电极板与接地辊筒之间的放电间距为0.5-5mm，在该放电间距内产生等离子体；所述的电极支架两端将接地辊筒的两端的外沿拐角包围，在保证接地辊筒自由转动的前提下，尽量减少气流从端面漏出。

8.根据权利要求2所述的大幅面介质的阻挡放电等离子体表面处理系统，其特征在于，所述的臭氧吸收装置由抽风罩和臭氧消除器组成，抽风罩设在所述的等离子体处理组件的上部周围，其作用是防止臭氧扩散到操作环境中；在该抽风罩的顶端设有臭氧消除器，将臭氧吸收或催化分解。

9.根据权利要求3所述的大幅面介质的阻挡放电等离子体表面处理系统，其特征在于，所述的电极板由并列的多个电极棒组成，相邻的电极棒之间用粘接剂相互密封连接形成弧面，导流槽与电极板之间的空隙也用粘结剂填充。

10.根据权利要求3所述的大幅面介质阻挡放电等离子体表面处理系统，其特征在于，所述的电极棒为水冷电极棒，包括介质管、金属管、绝缘管、端盖、有机胶、无机胶和金属粉，在介质管的两端从内之外依次设有端盖、有机胶和无机胶；金属管的长度小于介质管长度，两端口位于无机胶的中间位置，金属管与金属材质的端盖连接；在该金属管的两端各对接一绝缘管，两根绝缘管的外端穿出无机胶，该绝缘管的粗细和壁厚与所述的金属管一致；一个所述的端盖焊有高压导线，该高压导线延伸至电极棒外；在两个端盖之间填充金属粉；所述的金属管和绝缘管作为水冷通道，绝缘管的外端与循环水接口连接。

11.根据权利要求1所述的大幅面介质的阻挡放电等离子体表面处理系统，其特征在于，所述的电极棒为无水冷电极棒，包括介质管、端盖、有机胶、无机胶和金属粉，在介质管的两端从内之外依次设有端盖、有机胶和无机胶；两个端盖分别与一根金属导线的两端连接，其中一个端盖的焊有高压导线，该高压导线延伸至电极棒外；在两个端盖之间填充金属粉。