CN109803480A - 一种应用于高分子材料表面改性的辉光等离子体生成装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于高分子材料表面改性的辉光放电等离子体生成装置，包括高压电极、高压侧绝缘介质、接地电极、接地侧绝缘介质和改性材料；所述高压侧绝缘介质的上表面与高压电极紧贴，所述高压侧绝缘介质的下表面上设置有若干平行紧密布置的凹槽；所述接地电极由多个导电丝组成，所述导电丝平行嵌入到接地侧绝缘介质中；所述改性材料置于高压侧绝缘介质和接地侧绝缘介质之间；所述高压侧绝缘介质与所述改性材料之间，所述改性材料和接地侧绝缘介质之间都保持紧密接触。所述装置基于齿形电极结构，在大气压空气条件下生成高活性辉光放电等离子体，无需真空和密封设备，具备很高的等离子活性和弥散的放电形态，拥有十分优异的改性效果。
Description
技术领域
本发明属于气体放电和高分子材料表面改性技术领域，主要涉及一种应用于高分子材料表面改性的辉光等离子体生成装置。
背景技术
芳纶全称为“聚苯二甲酰苯二胺”，作为一种新型高科技人工合成材料，与碳纤维、聚乙烯纤维并称为当今世界三大高性能纤维，是最具发展潜力的复合材料增强材料。其具有机械强度高、韧性好、重量轻、介电常数低、耐高温、耐磨性能好、化学性质稳定等诸多优点。其机械强度是钢丝的5-6倍，模量是钢丝或玻璃纤维的2-3倍，韧性是钢丝的2倍，而重量仅为钢丝的1/5左右，能够在560℃的高温下正常工作。这些优异的本体性能使其不仅在汽车、造船、体育用品、建筑材料等诸多民用领域得到广泛应用，还在航空航天、军事等高端领域拥有巨大的应用潜力。例如，在航空航天领域，芳纶可作为增强材料应用于宇宙飞船等飞行器的驾驶舱、火箭发动机壳体、压力容器、整流罩、机翼前缘、方向舵、舱壁等；在军事领域，芳纶可作为坦克装甲、舰艇防弹装甲、防弹头盔、防弹衣、导弹壳体、航母拦阻索、舰载机用轮胎等高强度和高冲击力应用领域的增强材料。
芳纶纤维分子结构属于苯基刚性分子，其结构如下：
苯环对酞胺官能团上的氢原子有屏蔽作用，很难在界面上形成化学共价键，并且苯环存在位阻效应，很难形成氢键，导致芳纶黏性、润湿性等表面性能极差。这严重限制了其本体性能的发挥，从而对复合材料的整体性能造成重要影响。随着工业和各领域科学技术的不断进步，尤其是尖端应用领域的发展，人们对芳纶基增强复合材料的性能要求不断升高。芳纶表面黏性差的问题日益突出，已成为限制其进一步高性能应用的最大障碍。而解决这一问题的最直接、最经济、最有效的方法是对其表面进行改性。
在现有对芳纶表面改性实例中取得较为理想改性效果的如表1-1所示。可以看出，现有改性方法对芳纶表面黏性的提升率平均在70％左右，最高为94％。这一改性效果可以基本满足常规应用领域对芳纶表面黏性的要求，但在军事、航空等高端领域的应用仍存较大提升缺口。现有表面改性方法难以从根本上解决芳纶表面黏性差的问题。探究适用于大规模工业化生产且具有突出改性效果的表面改性方法新型表面改性方法已变得日趋紧迫。
表1-1芳纶表面改性实例
Table 1-1 Examples of surface modification of aramid fiber
低温等离子体可以在不改变材料主体性能的基础上，赋予其表面新性能，与传统改性方法相比，具有清洁、高效、无污染等显著优点。在所有低温等离子体处理中，大气压空气等离子体改性不需要气体成本和真空设备，最有利于实现大规模工业化应用。
大气压空气低温等离子体按放电形态主要分为电晕放电、丝状放电和辉光放电。目前，应用于芳纶纤维表面处理的大气压空气放电形态主要为丝状放电和电晕放电。丝状放电存在热不稳定效应，并可能灼烧材料表面。电晕放电又存在放电不均匀和改性效率低等问题。而大气压空气辉光放电具有活性粒子丰富、放电均匀、反应结构简单等特点，是用于材料处理的最佳放电形态。但是，欲利用辉光放电等离子体彻底解决芳纶表面黏性差的问题面临两大挑战：
1)在大气压空气条件下生成均匀稳定的辉光放电等离子体异常困难。这是因为放电所需的击穿场强较高，导致电子崩发展过于剧烈，放电极易向丝状模式转化。目前，一种方法是采用介质阻挡放电形式，并使放电在微米级间隙中进行。但是，由于微米级间隙很难控制，难以适用于对材料大面积传动处理。另一种比较有效的方法是采用纳秒脉冲电源，缩短电子崩的发展时间。但是，纳秒脉冲电源又存在成本高、损耗大、难以大功率化等问题，同样难以实现大规模工业化。
2)等离子体的活性仍相对较低，严重限制了其表面改性效果的进一步提升，难以满足芳纶在高端应用领域的要求。目前，包括辉光放电在内的几乎所用大气压空气低温等离子体均在106V/m级电场强度下生成，等离子体中活性粒子所具备的能量一般在0-20eV，且绝大多数处于0-5eV的低能级状态。这一能量分布虽然仍可以打开芳纶表面大部分的化学键，但打开比例较低，且无法打开空气中占绝大多数的氮气分子，从而使改性效果和效率极大受限。提升等离子体活性的直接手段是增加放电时的电场强度。但是，强电场会进一步增加电子崩发展的剧烈程度，从而使辉光放电的产生难度进一步增大。
发明内容
鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提出一种应用于高分子材料表面改性的辉光等离子生成装置。所述装置基于齿形电极结构，在大气压空气条件下生成高活性辉光放电等离子体，无需真空和密封设备，具备很高的等离子活性和弥散的放电形态，拥有十分优异的改性效果。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种应用于高分子材料表面改性的辉光放电等离子体生成装置，包括高压电极、高压侧绝缘介质、接地电极、接地侧绝缘介质和改性材料；所述高压侧绝缘介质的上表面与高压电极紧贴，所述高压侧绝缘介质的下表面上设置有若干平行紧密布置的凹槽；所述接地电极由多个导电丝组成，所述导电丝平行嵌入到接地侧绝缘介质中；所述改性材料置于高压侧绝缘介质和接地侧绝缘介质之间；所述高压侧绝缘介质下表面与所述改性材料上表面之间，所述改性材料下表面和接地侧绝缘介质之间都保持紧密接触。
在高压侧绝缘介质下表面设置平行紧密布置的凹槽，改性材料与高压侧绝缘介质下表面紧密接触，在凹槽内构成放电气隙，当达到放电电压后，辉光放电等离子在高压侧绝缘介质的凹槽内生成，并有效作用于改性材料表面，对所述改性材料表面进行改性处理。如此设置，可以有效避免辉光放电向丝状模式转变。同时，通过调整凹槽和接地电极导电丝的数量还可以有效改变等离子体的生成面积。
进一步的，所述高压电极为金属平板电极、金属辊轴电极或者导电履带型电极。
进一步的，所述高压侧绝缘介质和接地侧绝缘介质的材料相同。
进一步的，所述高压侧绝缘介质和接地侧绝缘介质的材料为四氟乙烯、聚乙烯、石英玻璃或者氧化铝陶瓷。
进一步的，所述凹槽的槽深小于1mm。
进一步的，所述凹槽的槽面为内弯槽面、平面或者外弯槽面。
进一步的，所述接地电极导电丝为钢丝、铁丝或者铜丝。
进一步的，所述接地电极导电丝的横截面为圆形、椭圆形、三角形或者矩形。
进一步的，所述高压侧绝缘介质下表面凹槽与接地电极导电丝呈交叉布置。
进一步的，所述高压侧绝缘介质下表面凹槽与接地电极导电丝的交叉角度为90°
本发明的另一目的在于提供上述任一项所述的应用于高分子材料表面改性的辉光放电等离子体生成装置在芳纶织物表面改性中的应用。
本发明的有益效果为：
本发明所提出的辉光放电等离子体生成装置利用不均匀厚度绝缘介质和放电电极，成功构造出特殊的三维度不均匀电场分布特征。这种电场分布特征有利于改性性能最优的高活性大气压空气辉光放电等离子体的大面积生成。具体反映在以下三个方面：
(1)电场分布在空间中三个维度的不均匀性决定了气隙空间各位置放电在时间上存在先后顺序。这种放电先后顺序能够有效增加各位置电子崩发展的扩散通量，有利于降低电子崩中的带电粒子浓度，避免等离子体收缩为放电细丝。
(2)电场在垂直于电力线方向上的不均匀性会产生种子电子横向传递效应，使电场较弱区域电子崩直接在远离阴极表面的气隙间某个位置产生并发展，间接缩短了电子崩发展的距离，有利于在强电场下避免放电细丝的出现。
(3)电场沿平行于电力线方向的不均匀性有利于实现只在被处理材料表面形成强电场区域，从而降低放电气隙的平均电场强度，减小电子崩的发展速率和规模，降低放电细丝出现的可能性。
该装置所生成的高活性大气压空气辉光放电等离子体兼具活性粒子丰富、反应结构简单、节能环保、不损害材料本体性能、易实现大规模应用等大气压空气低温等离子体所具备的诸多优点。同时，这种等离子体可以有效避免传统大气压空气低温等离子体(如丝状放电或电晕放电)所存在的热不稳定效应、材料表面灼烧、放电效率低等诸多问题。更加重要的是，这种大气压空气辉光放电等离子体的活性要远高于传统的等离子放电形式，因此拥有更加优异的改性效果和更高的改性效率，有望从根本上推动高分子材料的进一步高性能应用。
附图说明
图1为实施例1的结构示意图；
图2为实施例2的结构示意图；
图3为实施例2中履带型高压电极结构示意图；
图4为实施例2中托辊型接地电极结构示意图；
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1
图1是本发明实施例提供的一种用于高分子材料表面改性的辉光等离子体生成装置的结构示意图；如图1所示，一种应用于高分子材料表面改性的辉光放电等离子体生成装置，包括高压电极1、高压侧绝缘介质2、接地电极3、接地侧绝缘介质4和改性材料5；所述高压侧绝缘介质2的上表面与高压电极1紧贴，所述高压侧绝缘介质2的下表面上设置有若干平行紧密布置的凹槽，所述凹槽的槽深小于1mm；所述接地电极3由多个导电丝组成，所述导电丝平行布置并嵌入到接地侧绝缘介质4中；所述改性材料5置于高压侧绝缘介质2和接地侧绝缘介质4之间；所述高压侧绝缘介质2下表面与所述改性材料5上表面之间，所述改性材料5下表面和接地侧绝缘介质4之间都保持紧密接触。
在该实施例中，所述高压电极1为金属平板电极，材料为钢板，尺寸为60*60*0.5mmm；所述高压侧绝缘介质2为PTFE平板，尺寸为60*60*0.8mm；所述高压侧绝缘介质2下表面的凹槽为尖嘴型凹槽，所述尖嘴型凹槽的槽深L为0.7mm，槽宽d2为1.4mm，槽面的曲率半径R为1mm；所述接地侧绝缘介质4为PTFE平板，尺寸为60*60*0.8mm；所述接地电极导电丝为外径0.4mm的铜丝，所述铜丝间隔平行布置并嵌入到接地侧绝缘介质4中，所述铜丝与高压侧绝缘介质2下表面凹槽呈90°交叉布置；所述铜丝轴间距d1为1.0mm，铜丝与接地侧绝缘介质上表面的最小间距d3为0.1mm；所述改性材料5为杜邦凯夫拉纤维布，纹理为平纹，厚度为0.13mm，所述改性材料5与高压侧绝缘介质2下表面紧密接触，在凹槽内构成放电气隙，当达到放电电压后，辉光放电等离子在高压侧绝缘介质2的凹槽内生成，并有效作用于改性材料5表面，对所述改性材料5表面进行改性处理。
试验结果表明，处理后的杜邦凯夫拉纤维布表观无任何变化，也未观察到热损害或弧光和火花放电造成的烧蚀或穿孔。
实施例2
图2是本发明实施例提供的另一种用于高分子材料表面改性的辉光等离子体生成装置的结构示意图。
如图2所示，该实施例提供的装置中，将高压电极由实施例1中所述的金属平板电极替换成了履带型；所述接地电极由实施例1中所述的平板电极替换成了托辊型；所述履带型高压电极与托辊型接地电极构成一组改性装置。
如图3所示，所述履带型高压电极包括高压侧导电托辊6、高压侧导电履带1，高压侧绝缘介质2；所述高压侧导电托辊6用于支撑高压侧导电履带1和高压侧绝缘介质2；所述高压侧导电托辊6包括安装于装置支架上的托辊轴14、导电轴承15、辊轮16；所述托辊轴14与电源高压电极连接；所述高压侧导电履带1与辊轮16紧密接触，通过辊轮16、导电轴承15、托辊轴14与电源高压侧电极连通；所述高压侧导电履带1的外侧包裹有高压侧绝缘介质2，所述高压侧绝缘介质2的外侧刻有水平平行布置的内湾槽面凹槽。
如图3所示，所述托辊型接地电极包括接地导电托辊7，聚四氟乙烯管9，接地电极导电丝3和接地侧绝缘介质4。所述接地导电托辊用于支撑接地电极并将接地电极导向接地；所述接地导电托辊7包括安装在于装置支架上的托辊轴10、导电轴承11和辊轮12；所述托辊轴10直接与电源接地电极连通；所述聚四氟乙烯管9套设在接地导电托辊7的外侧，可避免接地导电托辊7上的电位对高压侧绝缘介质2表面凹槽内电场的分布构造产生明显影响。所述接地电极导电丝3螺旋缠绕包裹在聚四氟乙烯管9的外侧，所述接地侧绝缘介质4通过喷涂方式包裹在接地电极导电丝3的外侧；所述接地电极导电丝3和接地导电托辊7之间通过接地电极引线13连接，所述接地电极导电丝3通过接地电极引线13、接地导电托辊7与电源接地电极连通。
在该装置工作过程中，改性材料5可以随着托辊型接地电极和履带型高压电极的转动进行滚动处理，并时刻保证改性材料5与托辊型接地电极和履带型高压电极的紧密接触，通过调整履带型高压电极和托辊型接地电极的接触面，使改性材料5最大限度地铺展在托辊型接地电极的表面，并随着托辊型接地电极的滚动进行滚动处理，当施加电压达到放电电压后，等离子体会在高压侧绝缘介质2表面凹槽内产生，并对改性材料进行有效的处理。
通过改变托辊型接地电极外径可以使等离子体对改性材料5的单次持续作用时间进行调节。通过两组改性装置的配合可以实现对改性材料5的双面处理，通过改变改性装置的组数、改性材料5的传动速率可以调节处理时间。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所有的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种应用于高分子材料表面改性的辉光放电等离子体生成装置，其特征在于，包括高压电极、高压侧绝缘介质、接地电极、接地侧绝缘介质和改性材料；所述高压侧绝缘介质的上表面与高压电极紧贴，所述高压侧绝缘介质的下表面上设置有若干平行紧密布置的凹槽；所述接地电极由多个导电丝组成，所述导电丝平行嵌入到接地侧绝缘介质中；所述改性材料置于高压侧绝缘介质和接地侧绝缘介质之间；所述高压侧绝缘介质下表面与所述改性材料上表面之间，所述改性材料下表面和接地侧绝缘介质之间都保持紧密接触。
2.如权利要求1所述的应用于高分子材料表面改性的辉光放电等离子体生成装置，其特征在于，所述高压电极为金属平板电极、金属辊轴电极或者导电履带型电极。
3.如权利要求1所述的应用于高分子材料表面改性的辉光放电等离子体生成装置，其特征在于，所述高压侧绝缘介质和接地侧绝缘介质的材料相同。
4.如权利要求3所述的应用于高分子材料表面改性的辉光放电等离子体生成装置，其特征在于，所述高压侧绝缘介质和接地侧绝缘介质的材料为四氟乙烯、聚乙烯、石英玻璃或者氧化铝陶瓷。
5.如权利要求1所述的应用于高分子材料表面改性的辉光放电等离子体生成装置，其特征在于，所述凹槽的槽深小于1mm。
6.如权利要求5所述的应用于高分子材料表面改性的辉光放电等离子体生成装置，其特征在于，所述凹槽的槽面为内弯槽面、平面或者外弯槽面。
7.如权利要求1所述的应用于高分子材料表面改性的辉光放电等离子体生成装置，其特征在于，所述接地电极导电丝为钢丝、铁丝或者铜丝。
8.如权利要求7所述的应用于高分子材料表面改性的辉光放电等离子体生成装置，其特征在于，所述接地电极导电丝的横截面为圆形、椭圆形、三角形或者矩形。
9.如权利要求1所述的应用于高分子材料表面改性的辉光放电等离子体生成装置，其特征在于，所述高压侧绝缘介质下表面凹槽与接地电极导电丝呈交叉布置。
10.如权利要求9所述的应用于高分子材料表面改性的辉光放电等离子体生成装置，其特征在于，所述高压侧绝缘介质下表面凹槽与接地电极导电丝的交叉角度为90°。
11.权利要求1至10任一项所述的应用于高分子材料表面改性的辉光放电等离子体生成装置在芳纶织物表面改性中的应用。
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