CN103789716B - 一种大气压冷等离子体射流对金属材料表面改性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种采用大气压冷等离子体射流对金属材料表面改性的方法，属于材料表面处理技术领域。该方法通过冷等离子体射流中高能电子、粒子与大气环境中水分子、氧气分子发生非弹性碰撞而产生含氧活性粒子；含氧活性粒子与金属材料表面发生化学反应，将含氧官能团引入金属材料表面；其中，冷等离子体射流是由放电形式为裸电极电晕放电的冷等离子体射流发生器产生的。该方法无需复杂真空设备，可通过控制射流尺寸或射流的运动轨迹实现指定位置及大尺寸金属表面的改性，且成本低，操作简单灵活，对环境无污染，是一种绿色表面改性方法。本发明也可应用于各种非金属材料的表面改性。
Description
技术领域
本发明涉及一种大气压冷等离子体射流对金属材料进行表面改性的方法，属于材料表面处理技术领域。
背景技术
润湿性是材料表面的重要性质之一，已有多种方法被用来改善材料表面润湿性，如湿化学法、激光处理、紫外处理以及等离子体处理等，其中，等离子体应用于材料的表面改性时无需化学药品，对环境无污染，且处理效果好，因而对其研究十分活跃。公开号为CN1526753A、CN1900408A、CN202318981U的发明专利均提供了采用等离子体对材料进行表面改性的装置和方法。但这些装置或方法均需要复杂昂贵的真空设备，且被处理材料的尺寸受真空腔的限制，因而大大降低处理效率，增加处理成本。因而无需真空、操作简单方便、成本低的大气压等离子体材料表面改性得到了广大科研工作者的重视，如专利CN102259364A、CN202907329U、CN102905455A、CN103194001A等。然而这些研装置和方法均是针对高分子等非金属材料的表面改性，而对金属材料的表面改性涉及较少。公开号为CN101417789A的发明专利提供了一种对金属氧化物纳米粉体大气压常温等离子体的改性处理方法，减少了纳米颗粒团聚的可能性，但对大面积金属材料亲水性的改性并未涉及。大气压冷等离子体射流将等离子的产生区域和工作区域实现空间分离，进一步拓展了大气压等离子体在材料处理方面的应用，而在金属材料的表面改性方面仍鲜有报道。主要原因是大气压等离子体放电形式通常采用介质阻挡放电，介质表面积累大量电荷时形成很高的空间电场，金属材料的引入很容易造成电极和被处理材料之间的电击穿，从而损伤金属材料，因此介质阻挡放电等离子体无法进行有效表面改性。中国专利申请，公开号为CN102625557A的发明专利提出了一种大气压裸电极冷等离子体射流发生装置，利用针电极和喷嘴电极之间的放电产生等离子体并形成射流，此类电极产生的冷等离子体射流不会与金属之间发生电弧击穿放电。智能设备的迅速发展要求在短时间内对超疏水表面和超亲水表面之间进行快速转换，而通过大气压冷等离子体射流实现常温常压条件下超疏水到超亲水的转化至今未见相关报道。
发明内容
本发明提供了一种对金属材料进行表面改性的方法，可在大气压下短时间内提高表面能，改善亲水性。
一种大气压冷等离子体射流对金属材料表面改性的方法，该方法通过冷等离子体射流中高能电子、粒子与环境大气中的水分子、氧气分子发生非弹性碰撞而产生含氧活性粒子；含氧活性粒子与金属材料表面发生化学反应，将含氧官能团引入金属材料表面；其中，冷等离子体射流是由放电形式为裸电极放电的冷等离子体射流发生器产生，此类电极产生的射流不会与金属材料之间形成电弧击穿，适用于金属类材料的表面改性。产生冷等离子体射流过程中的工作气体可选择氮气、氧气、空气等气体。冷等离子体射流下游端与被处理金属材料表面接触，且射流垂直或以一定角度作用于被处理金属材料表面。
当工作气体通入冷等离子体射流发生器并施加电压后，针电极尖端出现电晕放电，随着电压进一步升高，逐渐形成冷等离子体射流，作用于被处理金属材料表面。由于产生的活性基团在气流作用下沿着材料表面扩散，因此实际被处理表面大于射流直径。
本发明的有益效果是大气压冷等离子体射流宏观温度低至室温，不会对金属材料表面产生热损伤；其中富集大量的离子、电子、激发态原子、分子及自由基等活性粒子，化学活性很高，可以在等离子体-金属接触界面发生化学反应，解离金属表面部分低能化学键，引入含氧官能团，提高金属材料表面能，改善亲水性，从而实现对金属材料的表面改性作用；该方法无需复杂真空设备，可通过控制射流尺寸或射流的运动轨迹实现指定位置及大尺寸金属表面的改性，且成本低，操作简单灵活，对环境无污染，是一种绿色表面改性方法。本发明也可应用于各种非金属材料的表面改性。
附图说明
图1是大气压冷等离子体射流对金属材料表面改性的装置示意图。
图2是大气压氮气冷等离子体射流改性超疏水铝表面处理时间与水接触角之间的关系。
图3是大气压氮气冷等离子体射流改性普通铝表面处理时间与水接触角之间的关系。
图中：1冷等离子体射流发生器；2冷等离子体射流；3金属材料；4冷等离子体射流在金属表面的处理范围；5高压电源；6工作气体源；7气源处理装置；8气体质量流量控制器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明涉及一种大气压下金属材料的表面改性方法，使用此方法的设备为冷等离子体射流发生装置。
冷等离子体射流发生装置包括冷等离子体射流发生器1，高压电源5，工作气体源6，气源处理装置7，气体质量流量控制器8。
进行金属材料表面改性前，按照附图将这些设备分别连接：冷等离子体射流发生器1的电极分别与高压电源5的高、低压输出端相连；工作气体由工作气体源6经过气源处理装置7和气体质量流量控制器8通入冷等离子体射流发生器1；将冷等离子体射流发生器1固定在支架上，将待处理金属材料3放置在射流出口正下方。打开气源处理装置7，调整气体质量流量控制器8，使工作气体以合适的流量进入冷等离子体射流发生器1中；开启高压电源5，逐渐提高输出电压，直到冷等离子体射流发生器1的出口产生稳定的冷等离子体射流2；调整冷等离子体射流发生装置1和金属材料3之间的距离，使冷等离子体射流2和金属材料3充分接触，形成表面改性处理范围4。
实施例1
采用大气压冷等离子体射流对超疏水铝进行表面改性，可以显著改善其表面能及润湿性，实现超疏水到超亲水的转化。
大气压冷等离子体射流发生器1使用裸电极放电形式，此类电极产生的冷等离子射流不会与金属之间发生火花击穿放电。两电极分别为黄铜材质的喷嘴电极以及钨材质的针电极，两极之间的垂直距离为2.0mm。高压电源5采用中频正弦波交流电源，输出频率50～120kHz，输出电压0～10kV，最大功率150W；高压电源5的高、低压输出端分别接大气压冷等离子体射流发生装置1的中心针电极和喷嘴电极，并且低压端接地。工作气体源6中气体为高纯氮气。连接设备后，将大气压冷等离子体射流发生器1和被处理金属材料3（接触角为160°的铝基超疏水表面）之间的距离为10mm，且冷等离子体射流2垂直作用于金属材料3。打开气源处理装置7，调整气体质量流量控制器8，使氮气流量达到10.0SLM；打开高压电源5，调整输出频率为60.0kHz，逐渐增大输出电压至2.4kV，此时冷等离子体射流2作用于超疏水铝3表面，形成表面改性作用。图2所示为被处理超疏水铝表面水接触角随大气压冷等离子体处理时间的变化关系，可以看出，随着处理时间的增加，铝表面的水接触角大幅下降，处理35s后，水接触角小于10°，铝材的超疏水表面被改性为超亲水表面。
实施例2
采用大气压冷等离子体射流对普通铝进行表面改性，可以改善其表面能及润湿性，使处理后的表面具有良好的亲水性。
大气压冷等离子体射流发生器及其放电参数与具体实施例1中相同，操作步骤和方法也相同。图3所示为普通铝表面水接触角随大气压冷等离子体处理时间的变化关系。可以看出，普通铝表面的原始接触角约为80°左右，使用大气压冷等离子体射流对其表面进行处理后，可提高其润湿性，经过90s的处理可使其接触角降至20°左右，具有了良好的亲水性。
Claims (7)
1.一种大气压冷等离子体射流对金属材料表面改性的方法，其特征在于，
所述的冷等离子体射流由裸电极放电的冷等离子体射流发生器产生；冷等离子体射流中高能电子、粒子与环境大气中的水分子、氧气分子发生非弹性碰撞而产生含氧活性粒子；含氧活性粒子与金属材料表面发生化学反应，将含氧官能团引入金属材料表面，形成表面改性处理；处理过程中，保证被处理的金属材料和冷等离子体射流下游端接触。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，冷等离子体射流发生器（1）的电极分别与高压电源（5）的高、低压输出端相连；工作气体由工作气体源（6）经过气源处理装置（7）和气体质量流量控制器（8）通入冷等离子体射流发生器（1）；冷等离子体射流发生器（1）固定在支架上，将金属材料（3）放置在射流出口正下方。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的冷等离子体射流发生器的两电极分别为黄铜材质的喷嘴电极以及钨材质的针电极，两极之间的垂直距离为2.0mm。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的高压电源（5）采用中频正弦波交流电源，输出频率50～120kHz，输出电压0～10kV，最大功率150W；高压电源（5）的高、低压输出端分别接大气压冷等离子体射流发生装置（1）的中心针电极和喷嘴电极，低压端接地。
5.根据权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于，产生冷等离子体射流的过程中，冷等离子体射流发生器中通入的工作气体为氮气、氧气或空气。
6.根据权利要求1-4所述的方法，其特征在于，所述冷等离子体射流垂直作用于金属材料表面。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述冷等离子体射流垂直作用于金属材料表面。
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