CN105670024B - 一种采用大气压等离子体对管内外壁进行表面改性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种采用大气压等离子体对管内外壁进行表面改性的方法，属于等离子体材料表面处理技术领域。将产生的等离子体射流作用于待处理管状材料表面，在待处理管状材料内通入工作气体，在待处理管状材料内形成等离子体；等离子体射流对待处理管状材料外壁进行表面改性，同时提供了电离待处理管状材料内部工作气体的电场以便在管内生成等离子体，该等离子体实现对待处理管状材料内壁的表面改性；当待处理管状材料沿轴向做旋转、进给运动时，可实现任意长度管状材料的内外壁表面改性。该方法无需复杂真空设备，通过控制被处理管的运动实现任意长度管内外壁的同时改性，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。

Description

一种采用大气压等离子体对管内外壁进行表面改性的方法
技术领域
本发明涉及一种大气压等离子体对管状材料内壁和外壁同时进行表面改性的方法，属于等离子体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，很多材料因表面润湿性差而影响其生物相容性、粘附性等。已有多种方法被用来提高材料表面润湿性，如湿化学法、激光处理、紫外处理以及等离子体处理等，其中，等离子体表面处理技术因对基体材料影响小、环境友好等原因而受到广泛关注。公开号为CN 1526753 A、CN 1900408 A、CN 202318981 U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CN 102259364 A、CN 202907329 U、CN 102905455 A、CN 103194001A等。
管状结构材料在机械、生物医学等领域广泛应用，对其进行表面改性可有效改善其应用效果。文献Appl.Phys.Lett.2009,94(11),111501中作者将一根不锈钢针插入石英管中，通入气体并在不锈钢针上施加电压，形成大气压单针放电等离子体，进而对该石英管内壁表面形成改性。文献Plasma Process.Polym.2015,12(3):271-284.中介绍了一种将产生的大气压等离子体射流通入聚合物管的方式进行管内壁表面改性。但这两种方法只能改性管内壁表面，同时因等离子体放电强度或等离子体射流渗透长度有限而导致可实现改性的管的长度受到限制。
发明内容
本发明提供了大气压等离子体对管状材料内壁和外壁同时进行表面改性的方法，可在大气压下通过介质阻挡放电等离子体射流作用于待改性的管外壁，实现对外壁的表面改性；在待改性管中通入工作气体时可在管内形成等离子体，实现管状结构内壁表面改性；当待处理管内通入工作气体且沿着轴向做旋转、进给运动，即可同时实现任意长度管的内外壁表面改性。
一种采用大气压等离子体对管内外壁进行表面改性的方法，步骤如下：
本发明涉及一种大气压等离子体对管状材料内壁和外壁同时进行表面改性的方法，主要通过介质阻挡放电等离子体射流2对管3外壁进行表面改性，同时提供电场在管3内部形成等离子体实现对内壁的改性。
大气压等离子体射流2生成系统包括介质阻挡放电等离子体射流发生装置1、工作气体源5、气体质量流量控制器6和高压电源7；高压电源7的高压输出端和低压输出端分别与介质阻挡放电等离子体射流发生装置1的电极相连，工作气体由工作气体源5经过气体质量流量控制器6通入介质阻挡放电等离子体射流发生装置1；将介质阻挡放电等离子体射流发生装置1固定在支架上，将待处理管状材料3置于射流出口正下方，垂直距离0～15mm，工作气体由工作气体源8经过气体质量流量控制器6通入待处理管状材料3；调整气体质量流量控制器6，使工作气体以合适的流量进入介质阻挡放电等离子体射流发生装置1和待处理管状材料3中；开启高压电源7，逐渐提高输出电压，形成稳定的等离子体射流2；调整介质阻挡放电等离子体射流发生装置1和待处理管状材料3之间的距离，使等离子体射流2和待处理管状材料3充分接触并在待处理管状材料3内诱导形成等离子体。在等离子体射流2和管内等离子体4的共同作用下，待处理管状材料3内外壁表面即可实现改性。根据改性需求，可对待处理管状材料3施加沿轴向的旋转、进给运动，进一步实现任意长度的管内外壁表面均匀改性。
所述的等离子体射流2由介质阻挡放电产生；产生等离子体射流2和等离子体4的工作气体为惰性气体、氮气、空气或混合气体，且二者工作气体成分可相同也可不同。
所述的介质阻挡放电由直流、脉冲、低频、射频或微波频率的电源驱动产生。
本发明的有益效果：该大气压等离子体宏观温度低至室温，不会对被处理的管产生热损伤；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-管壁接触界面发生化学反应，提高管状材料表面能；该方法无需复杂真空设备，可通过控制被处理管的运动实现任意长度管内外壁的同时改性，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。
附图说明
图1是大气压等离子体对管状材料内外壁进行表面改性的装置示意图。
图2是介质阻挡放电等离子体射流作用于管，并在管内产生等离子体的照片。
图3是直径为3×2mm的聚四氟乙烯管经改性前后水滴在上面的形貌照片。
图中：1介质阻挡放电等离子体射流发生装置；2等离子体射流；
3管状材料；4等离子体；5工作气体源；6气体质量流量控制器；
7高压电源；8工作气体源。
具体实施方式
下面结合附图和和技术方案对本发明做进一步的详细说明。
本发明涉及一种大气压等离子体对管状材料内壁和外壁同时进行表面改性的方法，主要通过介质阻挡放电等离子体射流2对待处理管状材料3外壁进行表面改性，同时提供电场在待处理管状材料3内部形成等离子体实现对内壁的改性。
大气压等离子体射流2生成系统包括介质阻挡放电等离子体射流发生装置1、工作气体源5、气体质量流量控制器6和高压电源7。
进行管内外壁表面改性前，按照附图将这些设备分别连接：高压电源5的高、低压输出端分别与介质阻挡放电等离子体射流发生装置1的电极相连；工作气体由工作气体源5经过气体质量流量控制器6通入介质阻挡放电等离子体射流发生装置1；将介质阻挡放电等离子体射流发生装置1固定在支架上，将待处理管状材料3放置在射流出口正下方，垂直距离0～15mm可调，工作气体由工作气体源8经过气体质量流量控制器6通入待处理管。调整气体质量流量控制器6，使工作气体以合适的流量进入介质阻挡放电等离子体射流发生装置1和待处理管状材料3中；开启高压电源7，逐渐提高输出电压，形成稳定的等离子体射流2；调整介质阻挡放电等离子体射流发生装置1和待处理管状材料3之间的距离，使等离子体射流2和待处理管状材料3充分接触并在待处理管状材料3内诱导形成等离子体。在等离子体射流2和管内等离子体4的共同作用下，待处理管状材料3内外壁表面即可实现改性。根据改性需求，可对待处理管状材料3施加沿轴向的旋转、进给运动，进一步实现任意长度的管内外壁表面均匀改性。
具体实施例：
如图2和图3所示，是本发明提供的实施例。选用的工作气体源5为氩气，工作气体源8为氦气，高压电源7为交流电源，输出频率50～120kHz，输出电压0～10kV，最大功率150W，等离子体射流2和待处理管状材料3之间的垂直距离为10mm。图2所示是介质阻挡放电产生的等离子体射流2以及在待处理管状材料3内诱导产生的等离子体4，改性时间为30秒，图3所示是改性前后水滴在管内外壁表面的形貌照片，表明改性后管内外壁的润湿性大幅改善。由此可知，该方法可对管内外壁表面进行有效改性。

Claims (4)

1.一种采用大气压等离子体对管内外壁进行表面改性的方法，其特征在于，步骤如下：大气压等离子体射流生成系统包括介质阻挡放电等离子体射流发生装置、工作气体源、气体质量流量控制器和高压电源；高压电源的高压输出端和低压输出端分别与介质阻挡放电等离子体射流发生装置的电极相连，工作气体由工作气体源经过气体质量流量控制器通入介质阻挡放电等离子体射流发生装置；将介质阻挡放电等离子体射流发生装置固定在支架上，将待处理管状材料置于射流出口正下方，垂直距离0～15mm，工作气体由工作气体源经过气体质量流量控制器通入待处理管状材料；调整气体质量流量控制器，使工作气体以合适的流量进入介质阻挡放电等离子体射流发生装置和待处理管状材料中；开启高压电源，逐渐提高输出电压，形成稳定的等离子体射流；调整介质阻挡放电等离子体射流发生装置和待处理管状材料之间的距离，使等离子体射流和待处理管状材料充分接触并在待处理管状材料内诱导形成等离子体；在等离子体射流和待处理管状材料管内等离子体的共同作用下，待处理管状材料内外壁表面实现改性；根据改性需求，对待处理管状材料施加沿轴向的旋转、进给运动，实现任意长度的管内外壁表面均匀改性。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的等离子体射流和等离子体由介质阻挡放电产生。
3.根据权利要求1或2所述的方法，所述的产生等离子体射流和等离子体的工作气体为惰性气体、空气或两者的混合气体，且二者工作气体成分相同或不同。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的介质阻挡放电由直流、脉冲、低频或射频的电源驱动产生。
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