CN1033283C - 冷等离子体表面处理设备及其处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用冷等离子体对材料表面进行处理的设备及其处理工艺。其主要特点是采用直流辉光放电中较长的正柱区产生冷等离子体，并利用它对材料表面进行处理。真空室的两端各设一个电极。如真空室中需要传动装置，则真空室两端还设有支撑板，支撑板之间装有若干根转轴和一根主动传动轴。主动传动轴带动被处理材料通过放电区。本发明具有结构简单、造价低、易于大规模工业生产、无电磁污染和处理效果好等优点。
Description
本发明涉及利用冷等离子体对材料进行表面处理的设备及其处理工艺。
CN86102453A公开的棉花及其制品的脱脂方法，其特征是利用电感或电容耦合的高频实验装置产生等离子体。
CN87104425A公开的纤维、织物及薄膜表面冷等离子体连续处理工艺，其特征是利用高频电源通过电容耦合产生冷等离子体。实现该工艺的设备也在CN87208060U中记载，其特征是采用两个相同的真空器，两真空器通过连接管与处理腔相连形成整个真空系统。
CN87209242U公开的低温等离子体纤维表面改性连续处理装置，是利用50～2KHz，8～16KV的交变高压在大气压下产生电晕放电，装置的处理区是由彼此绝缘的大、小空心辊筒组成，多个小辊筒紧密地环布在大辊筒的周边上。
EP172057A公开的“AN IMPROVEMENT IN A FABRIC-REINFORCED RUBBER ARTICLE”(“纤维织物增强的橡胶制品的改进”)是利用10KHz～100MHz的低频、高频电源以至微波产生低温等离子体，电极间距离较近(1～30cm)，而且其中一个电极表面上加一高电阻绝缘层(介电强度10KV/mm以上)，电极还要加以冷却。电场方向垂直干被处理织物的面。
利用电晕放电进行表面处理虽然可以在大气压下进行，但处理效果欠佳。而且处理过程产生大量臭氧会影响人体健康。利用高额电源产生等离子体，设备复杂，不易产生大体积的等离子体，不易做到大规模生产，设备造价高，而且大功率的高频电磁辐射严重危及人体健康。
本发明的目的是提供一种结构和工艺简单，易于大规模工业化生产、无电磁污染、处理效果好、应用范围广的表面处理设备和工艺。
本发明的任务是这样完成的：采用直流辉光放电的正柱区产生冷等离子体，并利用它对材料表面进行处理，被处理材料的层面(如织物的面)与电场(电流)方向平行。其处理参数和条件为：介质气体：空气、氧、氮等，真空度：0.02～5乇，放电区平均电流密度：0.2～10MA/cm2，处理时间：5～180秒。
本工艺的处理设备结合以下附图做进一步说明：
图一：冷等离子体表面处理设备示意图，
图二：真空室A-A横截面图，
图三：传送纤维状材料用的输送网，图四：本发明实例中样品处理前后的电镜照片对照。
1.真空室外壳，2.电源系统，3.阴极，4.阳极，5.进气调节阀，6.抽气口，7.真空室门，8.转轴，9.支撑悬梁，10.卷取辊，11.卷出辊，12.可打滑的摩擦式离全器，13.离合器，14.主动传动轴，15.支撑板，16.减速机，17.链轮18.放电区，19.被处理材料，20真空计接口，21.电机，22.观察窗，23.放气阀
参照图一，冷等离子体表面处理设备的真空室外壳(1)的一端做成密封，另一端做成真空室门(7)，在真空室的两端各设一块支撑板(15)，支撑板(15)之间装有若干根转轴(8)和一根主动传动轴(14)，二根支撑悬梁(9)的一端固定在支撑板(15)上，在支撑悬梁(9)上，套有卷取辊(10)和卷出辊(11)，电机(21)的一部分动力通过离合器(13)传给主动传动轴(14)，带动被处理材料通过放电区，另一部分动力通过可打滑的摩擦式离合器(12)传给卷取辊(10)。调节输入电机的电压可改变被处理材料通过放电区的时间。用于产生冷等离子的平板电极(3)、(4)(阳—极铜、阴极—铝)设在真空室的两端，并与之绝缘，平板电极与直流电源(2)联接。真空室内壁和真空室内的传动系统必须在放电电流方向上保证良好的电绝缘性能。电绝缘可采用涂覆704硅橡胶后覆盖合适的陶瓷片或涂覆704硅橡胶后覆盖玻璃纤维布，重复几层。转轴(8)也可用陶瓷管制成。真空室外壳(1)还设有进气调节阀(5)、放气阀(23)、真空计接口(20)、观察窗(22)，以及与抽气系统相接的抽气口(6)，并接地。真空室门(7)打开时，离合器(12)、(13)离开，卷取辊(10)、卷出辊(11)都可从支撑悬梁(9)上取出。
参照图二是真空室的横截面图，从图中可直观地看出被处理材料(19)在真空室内的运行机制，设在真空室两端的平板电极(3)、(4)的形状与转轴(8)围成空间的截面同，使被处理材料包围着这个放电区(18)，利用直流辉光放电正柱区产生冷等离子体中大量的活性粒子(电子、离子、激发态原子与分子、光子等)，与被处理材料表面相互作用，使材料表面性质得到改变。
若被处理材料为毛类(如兔毛)或棉花等纤维状材料，可采用图三所示的输送网。将毛类或棉花等纤维经打散处理后，夹在两网之间，卷到卷出辊(11)待处理。输送网方格的大小视被处理纤维的长短而定，一般在2×2cm～4×4cm。输送网材料可采用棉纱线，表面涂覆704硅橡胶，以延长其使用寿命。
本发明的冷等离子体表面处理工艺及处理设备具有设备简单、操作方便、处理效果好、不影响被处理材料的机械强度和外观。且无电磁污染、成本低，应用范围广等优点。处理效果除和被处理物的性质有关外还和处理时间、真空度和介质气体及放电电流密度有关。以下是对具体材料处理的实施例。
实施例1、
该设备可用于处理兔毛。兔毛纤维表面很光滑，纤维间抱合力小，可纺性差，纺织困难，而且穿着时易掉毛。经等离子体表面处理后，兔毛纤维表面受等离子体刻蚀作用，表面出现大量微坑和微小斑痕，鳞片边缘变得破碎，因此表面变得粗糙。(从扫描电镜照片上可以看出)。兔毛纤维摩擦系数显著增加。(兔毛纤维强度和外观不受影响)。处理效果如表一。
经处理后纤维间抱合力大大提高，克服了纺织过程中的飞毛现象，成纱率、纱线强度明显提高，可以制成各种纯兔毛纺织品。成衣制品不易掉毛。同时，经等离子体处理后，兔毛表面的“腊质”被等离子体刻蚀，并且纤维表面引入了极性基团，梁色性也显著提高。(未处理的兔毛，水不能浸润，兔毛经处理后，放在水中立即沉入水中)。经处理的兔毛因蛀虫在处理过程中被杀死，所以还能防蛀。
处理条件与参数：介质气体：空气或氧气；真空度：0.05～3乇；放电区平均电流密度：0.5MA/cm2～8MA/cm2；处理时间：10～180秒。以上工艺还可用于棉花脱脂以及处理羊毛等其他毛类纤维。
实施例2、
该设备可用于处理塑料薄膜。处理后塑料薄膜表面产生大量微坑(从扫描电镜照片可以看出)，而且薄膜表面引入大量极性基团。因此处理后塑料薄膜与涂料间的粘接性大大提高。例如聚丙烯塑料薄膜，未处理前蒸馏水在其表面的接触角为84°，处理后降为40°，处理后塑料薄膜可直接进行彩色印刷，还可以直接涂覆各种性能的涂料，制成各种性能的复合薄膜。该机还可用于处理照相底片以及各种磁带的基材，以提高其与表面涂覆物的粘接性能。
处理条件与参数：介质气体：空气或氧气；真空度：0.02～2乇；放电区平均电流密度：0.2～5MA/cm2；处理时间：5～120秒。
实施例3、
该设备可用于处理化纤织物，处理后的化纤织物纤维表面产生大量微坑，而且纤维表面引进了亲水基团，可以显著提高织物的吸湿性，染色性、抗静电性和易去污性。处理后织物的机械强度不受影响。处理前后织物由毛细效应的润湿高度随浸润时间变化情况如表二。
为使这些性能具有耐久性，可以接着进行接枝处理。(如用丙烯酸接枝处理)。对玻璃纤维布，经处理后也可以提高它与环氧树脂的粘接性，用处理后的玻璃布制成的玻璃钢抗拉强度可以提高20％以上。处理条件与参数：介质气体：空气或氧气、氮气；真空度：0.05～5乇；放电区平均电流密度：1～10MA/cm2；处理时间：30～180秒。
注：测试时布样的纬向在竖直方向上。
表一
| 项目 | 未处理 | 处理后 | 经处理后增加的百分数 |
| 顺鳞片静摩擦系数 | 0.1028 | 0.3269 | 218％ |
| 顺鳞片动摩擦系数 | 0.1494 | 0.2555 | 71％ |
| 逆鳞片静摩擦系数 | 0.2101 | 0.4496 | 114％ |
| 逆鳞片动摩擦系数 | 0.2484 | 0.3751 | 51％ |
| 回潮率(26℃RH75％) | 14.6％ | 16.5％ | 13％ |
表二
| 浸润时间 | 5秒 | 10秒 | 20秒 | 30秒 | 1分 | 2分 | 4分 | 6分 | |
| 150D×150D密度为42.4/英寸×42/英寸的纯涤纶布 | 未处理时润湿高度(cm) | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 处理后润湿高度(cm) | 4.0 | 5.0 | 6.0 | 7.0 | 10.0 | 13.5 | 18.0 | 20.5 | |
| 75D纯涤纶双面纬编(针织)布、密度为：220g/m2 | 未处理时润湿高度(cm) | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 处理后润湿高度(cm) | 5.0 | 7.0 | 9.0 | 10.0 | 12.0 | 15.0 | 19.0 | 21.0 | |
Claims (7)
1.一种冷等离子体表面处理工艺，其特征是采用直流辉光放电的正柱区产生冷等离子体，并利用它对材料表面进行处理，被处理材料的层面与电场方向平行。
2.根据权利要求1所述的表面处理工艺，其特征是处理条件及参数为：介质气体：空气、氧、氮，真空度：0.02～5乇，放电区平均电流密度：0.2～10MA/cm2，处理时间：5～180秒。
3.根据权利要求1所述的表面处理工艺，其特征是可处理化纤织物、玻璃纤维布、塑料薄膜、棉花和兔毛、羊毛等毛类纤维。
4.根据权利要求1所述的表面处理工艺，其处理设备是由电源部分、真空室、抽气系统和传动系统组成，其特征是：
a、在真空室两端的支撑板(15)之间，装有若干根转轴(8)和一根主动传动轴(14)，二根支撑悬梁(9)的一端固定在支撑板(15)上，在支撑悬梁(9)上，分别套有卷取辊(10)和卷出辊(11)。
b、在真空室两端设有阴极和阳极，
c、在真空室内壁及室内的传动系统涂覆有电绝缘材料。
5、根据权利要求4所述的处理设备，其特征在于传动系统的主动传动轴(14)通过离合器(13)与电机(21)联接，卷取辊(10)通过可打滑的摩擦式离合器(12)与电机(21)联接。
6、根据权利要求4、5所述的处理设备，其特征在于传动系统的卷取辊(10)和卷出辊(11)之间配有传送纤维状材料的输送网，其网眼规格2×2cm～4×4cm。
7、根据权利要求4所述的处理设备，其特征在于电绝缘材料是由704硅橡胶和陶瓷片或704硅橡胶和玻璃纤维布组成。
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