CN104988802A - 一种基于介质阻挡放电的连续脱酸系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于介质阻挡放电的连续脱酸系统，包括：脱酸剂雾化装置，包括依次连通的脱酸剂罐、雾化发生机构以及用于向待脱酸样品施加脱酸剂的喷头；射频放电装置，包括放电电极、接地电极以及相匹配的电路，所述接地电极为柔性材质且绕置成用于承载待脱酸样品的传送带；驱动装置，用于驱动放电电极和喷头以改变与传送带的相对位置；第一绝缘层，贴覆在传送带外表面；第二绝缘层，设置在第一绝缘层上方，第一绝缘层与第二绝缘层的间隙为待脱酸样品的通道，所述放电电极处在该通道上方。该脱酸系统有效避免样品变形、变色，适于工业化大规模应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种脱酸系统，尤其涉及一种基于介质阻挡放电的连续脱酸系统。
背景技术
我国是一个具有悠久历史和灿烂文化的文明古国，发明的造纸术和印刷术记录了人类文明的发展。在我国各种图书馆、博物馆、档案机构中保存着数以万计的珍贵的近现代书籍、字画、报纸、档案等纸质文物,它们是中华民族优秀传统文化精华所在，具有不可复制的重要历史文化价值，是中华民族的精神文明的支柱。
然而随着岁月的流逝，纸质文献的酸化情况日益严重，大量古籍善本出现了发黄霉变、粉化碎裂等现象，保护这些文化资料面临着严峻的挑战。大量近现代纸质文物由于纸张酸化而导致纸张变色、机械强度大幅度下降甚至一触即破。
纸质文物从质地上大致可分为传统手工纸张和近现代机制纸张。通常认为，纸的主要化学成分是纤维素，由纤维素大分子中基环间的葡萄糖键组合而成。机制纸在制造工艺中留存的硫酸铝遇水解后呈酸性，当其作用于纸张纤维素时，使纤维素大分子中基环间的葡萄糖键发生断裂，造成聚合度降低，因而导致纸张酸化、发脆而变质，表现为宏观上的变色以及微观上的结构破坏(即机械强度的下降)而“自毁”。而在通常认为不易酸化的传统手工纸质文物中同样也发现了不同程度的明显酸化现象。
大量实验表明，近现代机制纸一般只有50～60年的寿命，经脱酸后其理论“寿命”可以达500年左右。但在纸张自身木质素氧化、水解以及大气等外界酸化因素等的持续影响下，已经脱酸的纸张在长期放置后仍有可能出现“返反酸”现象。
同时，由于染色工艺、抗皱处理、耐洗涤性处理等原因，纤维织物在生产的过程中也用到大量的酸。因此，纤维织物中同样存在着明显的酸化现象。
尽管人们已经开展了大量近现代纸张脱酸方面的研究，但至今仍未获得理想的脱酸技术。传统溶液脱酸法需要将待处理样品浸在脱酸剂中，导致各种自身难以克服的缺陷，如纸张变形、褪色，化学试剂的毒性，效率低，无法实现多层次处理，难以控制脱酸剂用量和防止反酸等；而传统气象脱酸法虽然脱酸快且具有杀虫、消毒的综合效果，但其高真空条件的获取导致其对设备的要求十分苛刻，不安全隐患多，投资大且难以防止反酸的缺点。因此，研究新型、高效、可工业化大规模处理纸张的脱酸理论和技术是刻不容缓的事情。
大气压非平衡等离子体中所含有的粒子能量高、活性强,可以有效地将水汽中的碱性脱酸剂带入纤维内部使得纸张从内部到表面完全彻底的脱酸,从而防止不彻底脱酸导致留在纤维内部的酸性物质仍可以加速纤维的降解,该方法既可以摆脱传统物理方法受到真空条件的限制,也可以克服溶剂型化学试剂处理方法带来的负面作用。而且,等离子体的温度可以低至常温,不会对纸张造成损害,既可以摆脱传统物理方法受到真空条件的限制,也可以克服溶别型化学试剂处理方法带来的负面作用。因此可以使用等离子体将具有高能量的活性氢氧根离子引入纸张表面及内部,与纸张中的酸性物质发生中和反应,实现对纸质文献的非接触式等离子脱酸,同时也可以一定程度上增加纤维之间的结合力提高纸张的宏观强度。
获得等离子体的方法和途径是多种多样的，如气体放电法、燃烧法、冲击波法、介质阻挡放电法等。其中介质阻挡放电法相对于其他方式，结构简单，产生的等离子体具有均匀、漫散和稳定的特定，因而最具有广泛的工业生产应用前景。
介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge，DBD)是有绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态气体放电又称介质阻挡电晕放电或无声放电。在两个放电电极之间充满某种工作气体,并将其中一个或两个电极用绝缘介质覆盖,也可以将介质直接悬挂在放电空间或采用颗粒状的介质填充其中，当两电极间施加足够高的交流电压时，电极间的气体会被击穿而产生放电，产生大量的等离子体。实际上在介质阻挡放电过程中起主导作用的是微放电过程，电解质的存在可以使微放电均匀稳定地分布在整个放电空间中，有利于获取大量的等离子体。
公开号为CN102242530A的中国专利文献，公开了一种纸质文物的脱酸方法。其需要使用气体管道、结构复杂，且为单点处理模式，脱酸效率低，不能实现连续脱酸，不适于大规模生产。
发明内容
本发明提供一种基于介质阻挡放电的连续脱酸系统。该系统在常温常压下处理样品，使用安全、对外界环境无污染；结构简单、使用方便；脱酸效率高，处理时间短，脱酸彻底，不易反酸；有效避免样品变形、变色；能够实现对待脱酸样品的连续处理，适于工业化大规模应用。
本发明的技术方案如下：
一种基于介质阻挡放电的连续脱酸系统，包括：
脱酸剂雾化装置，包括依次连通的脱酸剂罐、雾化发生机构以及用于向待脱酸样品施加脱酸剂的喷头；
射频放电装置，包括放电电极、接地电极以及相匹配的电路，所述接地电极为柔性材质且绕置成用于承载待脱酸样品的传送带；
驱动装置，用于驱动放电电极和喷头以改变与传送带的相对位置；
第一绝缘层，贴覆在传送带外表面；
第二绝缘层，设置在第一绝缘层上方，第一绝缘层与第二绝缘层的间隙为待脱酸样品的通道，所述放电电极处在该通道上方。
本发明中，所述待脱酸样品为纸张或纤维织物，且一般厚度不大，否则等离子体难以穿透。
所述脱酸剂为Mg(HCO3)2水溶液、Ca(OH)2水溶液等。就脱酸剂本身而言，可以采用现有技术。
在放电电极和接地电极之间为用于处理待脱酸样品的放电区。
所述接地电极为铜、铝等导电金属材料。就接地电极本身而言，可以采用现有技术。
所述驱动装置使操作人员可以根据待脱酸样品的不同尺寸和位置调节放电电极和喷头的位置，主要是喷头和放电电极与待脱酸样品的距离，这也影响到脱酸的效果。
所述第一绝缘层和第二绝缘层为塑料、高分子材料、玻璃、陶瓷等绝缘材料。就绝缘层本身而言，可以采用现有技术。一般所述绝缘层较薄，第一绝缘层贴覆在传送带外表面，可以为其提供有效支撑。
一般待脱酸样品较薄，在被脱酸剂淋湿后，强度明显降低，如直接进行等离子除酸，易将待脱酸样品击裂。第二绝缘层可以贴覆在待脱酸样品上，以保护待脱酸样品。
所述连续脱酸系统的工作过程如下：首先，传送带将待脱酸样品置于喷头处，雾化发生机构将脱酸剂雾化，例如可采用超声雾化等方式，并由喷头喷洒于待脱酸样品表面；然后，传送带将待脱酸样品置于放电区内，射频放电发生介质阻挡放电反应，产生等离子体进行脱酸。
介质阻挡放电能够产生大量能量高、活性强的等离子体，可以有效地将待脱酸样品表面附着的脱酸剂带入待脱酸样品纤维内部，使得待脱酸样品从内部到表面高效率地、完全彻底地脱酸，从而实现非接触式脱酸。通过非接触式脱酸，有效地避免了由于样品与水或其他试剂大面积接触而引起的变形、变色等情况的发生。通过对脱酸剂喷洒量的控制，可以将脱酸后样品的PH控制在适宜的范围，使其碱性适中，有效避免了反酸现象的发生，延长了样品寿命。第二绝缘层可以保护待脱酸样品，防止其被击破。所述脱酸系统在常温常压的条件下工作，结构简单、使用方便。所述脱酸剂为常规的无毒脱酸剂，不会污染环境。经过上述脱酸系统处理后的待脱酸样品与初始无明显色差，机械强度略有提高。所述柔性接地电极，绕置成传送带，能够实现待脱酸样品的连续处理，适于工业化大规模应用。
优选地，所述第二绝缘层固定设置在第一绝缘层上方。
所述第二绝缘层固定设置在第一绝缘层上方，方便设置待脱酸样品的入口和出口，使本发明结构简单。
优选地，第二绝缘层绕置成环形且与第一绝缘层同步运动，第一绝缘层与第二绝缘层的间隙为夹持待脱酸样品运动的通道。
第一绝缘层和第二绝缘层夹持着待脱酸样品运动，可以使第二绝缘层与待脱酸样品更加紧密地接触，以对其进行保护。
优选地，沿传送带运行方向，所述喷头设置在上游，放电电极设置在下游。
上述系统操作简单，操作人员在传送带上游放置待脱酸样品后，待脱酸样品在传送带的作用下依次通过喷头接收脱酸剂、放电区进行脱酸，一次性完成全部脱酸过程，脱酸效率高、节省劳动力。
优选地，所述驱动装置为能够三维运动的第一机械手和第二机械手，所述放电电极安装在第一机械手上，所述喷头安装在第二机械手上。
能够三维运动的机械手，使操作人员可以根据待脱酸样品的不同尺寸和位置调节喷头和放电电极的位置，以使脱酸剂充分附着于待脱酸样品上、待脱酸样品完全处于放电区内，且放电电极和喷头可以横向来回移动，以对待脱酸样品进行线性扫描模式的处理，从而高效率地进行脱酸。同时机械手精密度高，可以准确定位。
优选地，所述雾化发生机构为超声雾化机。
超声雾化器利用电子高频震荡，通过陶瓷雾化片的高频谐振，将液态水分子结构打散而产生水雾，不需加热或添加任何化学试剂。与加热雾化方式比较，能源节省了90％。
优选地，还设有雾化箱，所述喷头处在雾化箱内，雾化箱底部开放且朝向传送带上表面。
所述传送带上表面，是指传送带载有待脱酸样品的表面。
所述雾化箱，可以有效控制脱酸剂喷洒的范围，以免影响其他设备或工序。
优选地，还设有第一支架以及沿第一支架运动的第一升降台，所述放电电极安装在第一升降台上，还设有第二支架及沿第二支架运动的第二升降台，所述喷头安装在该第二升降台上；所述驱动装置为用于带动第一升降台的第一升降电机，以及用于驱动第二升降台的第二升降电机。
所述第一升降电机驱动第一升降台，从而带动放电电极升降。上述结构可以调节放电电极相对于不同尺寸待脱酸样品的高度，从而使待脱酸样品完全处于等离子体中，提高脱酸效率。
所述第二升降电机驱动第二升降台，从而带动喷头升降。上述结构可以调节喷头相对于不同尺寸待脱酸样品的高度，从而使待脱酸样品充分接收脱酸剂。
本发明的有益效果是：
1、使用本发明进行脱酸处理，脱酸效率高，所需要时间短，脱酸彻底且不易反酸。
2、本发明脱酸系统可以实现连续脱酸，可工业化大规模处理。
3、本发明结构简单，操作方便，在常温常压下处理待脱酸样品，对外界温度、压力等条件没有较高的要求，无需使用有毒脱酸剂，对环境无污染。
4、使用本发明进行脱酸处理，有效地避免了由于待脱酸样品与水或其他试剂大面积接触而引起的变形、变色等情况的发生。
5、使用本发明进行脱酸处理，可以有效地控制脱酸剂的用量，将脱酸后样品的PH控制在适宜的范围，使其碱性适中，有效避免了反酸现象的发生，延长了样品寿命。
6、经过本发明处理后的样品与初始状态无明显色差，机械强度略有提高。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
本实施例的基于介质阻挡放电的连续脱酸系统，包括脱酸剂雾化装置，射频放电装置和驱动装置。
其中，脱酸剂雾化装置，包括依次连通的脱酸剂罐1、雾化发生机构2以及用于向待脱酸样品施加脱酸剂的喷头3；
射频放电装置，包括放电电极5、接地电极6以及相匹配的电路，所述接地电极6为铜材质且绕置成用于承载待脱酸样品的传送带；
驱动装置，包括用于驱动第一升降台13的第一升降电机15和用于驱动第二升降台10的第二升降电机12。
喷头3的喷洒口为狭缝状且处在雾化箱4内，雾化箱4底部开放且朝向接地电极6上表面。
雾化发生机构2为超声雾化机。
放电电极5和接地电极6之间为放电区。
接地电极6外表面贴覆有第一绝缘层8，第一绝缘层8上方设有第二绝缘层9。两绝缘层的间隙为夹持待脱酸样品运动的通道。第一绝缘层8和第二绝缘层9为PE材质。
第一升降电机15固定安装在第一支架14上，并通过滚珠丝杠结构驱动第一升降台13进行升降。放电电极5固定安装在第一升降台13上，并可随第一升降台13的升降而升降，从而调节放电电极5与待脱酸样品的距离。
第二升降电机12固定安装在第二支架11上，并通过滚珠丝杠结构驱动第二升降台10进行升降。喷头3固定安装在第二升降台10上，从而调节喷头3与待脱酸样品的距离。
控制电脑16用于控制第一升降电机15和第二升降电机12各自升降的高度。
通过接地电极6绕置成的传送带的来回移动，喷头3和放电电极5可以相对于待脱酸样品发生位移，从而扫描待脱酸样品表面，以使其表面充分吸收脱酸剂并使等离子充分将脱酸剂带入纤维内部使得待脱酸样品从内部到表面完全彻底地脱酸。
本实施例的工作过程如下：
1、根据待脱酸样品尺寸，通过控制电脑16调节好喷头3和放电电极5的高度；
2、将待脱酸样品从入口17放入，接地电极6绕置成的传送带将其传送至雾化箱4内；
3、脱酸剂罐1中注有pH＝8.2的Mg(HCO3)2水溶液，使用雾化发生机构2进行雾化处理。接地电极6绕置成的传送带来回移动，喷头3对待脱酸样品进行全范围的移动扫描，将雾化后的脱酸剂以150mL/h的流量喷涂于待脱酸样品上，喷涂时间为30s；
4、喷涂完毕后，接地电极6绕置成的传送带将待脱酸样品传送至第二绝缘层9处，第二绝缘层9和第一绝缘层8同步运动，夹持待脱酸样品运动至放电区；
5、开启射频电源7，调节电流为0.15A，电压为75V，形成稳定的蓝紫色线型丝状等离子体，接地电极6绕置成的传送带来回移动，等离子体对待脱酸样品进行全范围的移动扫描，扫描时间为1min，即完成脱酸处理过程。
使用本实施例的脱酸系统，可以连续对待脱酸样品进行脱酸处理，脱酸效率高、效果好。
以上仅列出了一种常见的基于介质阻挡放电的连续脱酸系统的结构，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (8)
1.一种基于介质阻挡放电的连续脱酸系统，其特征在于，包括：
脱酸剂雾化装置，包括依次连通的脱酸剂罐、雾化发生机构以及用于向待脱酸样品施加脱酸剂的喷头；
射频放电装置，包括放电电极、接地电极以及相匹配的电路，所述接地电极为柔性材质且绕置成用于承载待脱酸样品的传送带；
驱动装置，用于驱动放电电极和喷头以改变与传送带的相对位置；
第一绝缘层，贴覆在传送带外表面；
第二绝缘层，设置在第一绝缘层上方，第一绝缘层与第二绝缘层的间隙为待脱酸样品的通道，所述放电电极处在该通道上方。
2.根据权利要求1所述的基于介质阻挡放电的连续脱酸系统，其特征在于，所述第二绝缘层固定设置在第一绝缘层上方。
3.根据权利要求1所述的基于介质阻挡放电的连续脱酸系统，其特征在于，第二绝缘层绕置成环形且与第一绝缘层同步运动，第一绝缘层与第二绝缘层的间隙为夹持待脱酸样品运动的通道。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于介质阻挡放电的连续脱酸系统，其特征在于，沿传送带运行方向，所述喷头设置在上游，放电电极设置在下游。
5.根据权利要求1-3任一项所述的基于介质阻挡放电的连续脱酸系统，其特征在于，所述驱动装置为能够三维运动的第一机械手和第二机械手，所述放电电极安装在第一机械手上，所述喷头安装在第二机械手上。
6.根据权利要求1-3任一项所述的基于介质阻挡放电的连续脱酸系统，其特征在于，所述雾化发生机构为超声雾化机。
7.根据权利要求1-3任一项所述的基于介质阻挡放电的连续脱酸系统，其特征在于，还设有雾化箱，所述喷头处在雾化箱内，雾化箱底部开放且朝向传送带上表面。
8.根据权利要求1-3任一项所述的基于介质阻挡放电的连续脱酸系统，其特征在于，还设有第一支架以及沿第一支架运动的第一升降台，所述放电电极安装在第一升降台上，还设有第二支架及沿第二支架运动的第二升降台，所述喷头安装在该第二升降台上；所述驱动装置为用于带动第一升降台的第一升降电机，以及用于驱动第二升降台的第二升降电机。
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Granted publication date: 20170510 Termination date: 20190702 |
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