CN110035594B - 基于介质阻挡放电等离子体的材料改性装置、系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本公开揭示了一种基于介质阻挡放电等离子体的材料改性装置,包括:装置主体上部、装置主体下部、铜板、铜制螺杆和纳米铁粉。本公开还揭示了一种基于介质阻挡放电等离子体的材料改性系统。本公开还揭示了一种基于介质阻挡放电等离子体的材料改性方法。本公开能够产生均匀一维放电,减少放电在空间上分布的随机性和分散性,确保大面积材料处理效果的均匀一致性;本公开能够根据薄膜材料的改性需求匹配放电气体,有目的的引入特定基团;本公开设置薄膜材料传动机构,能够利用低温等离子体对材料进行大面积、均匀、连续化处理,可以应用于材料表面改性方面的研究、教学和工业生产推广。
Description
技术领域
本公开属于材料改性技术领域,具体涉及一种基于介质阻挡放电等离子体的材料改性装置、系统及方法。
背景技术
近年来,低温等离子体技术在包括材料表面改性在内的众多领域得到广泛应用。相比于其他材料表面改性技术,低温等离子体技术具有操作简单、处理速度快、改性效果好、环境污染小、能耗低等优点,在材料表面改性方面有巨大的应用前景和实用价值。国内外研究表明,介质阻挡放电等离子体中富含高能活性成分(电子、离子、自由基、激发态和亚稳态原子),这些高能活性成分与材料表面相互作用,能够发生如刻蚀、交联、接枝、聚合沉积等一系列物理化学反应,使材料的化学成分和物理形态发生改变,如改善材料的亲水性、粘接性、染色性、生物相容性和电性能等性能。等离子体中高能活性成分的能量通常高于有机物化学键键能,当低温等离子体与材料表面接触时,便会发生一个能量传递的过程,能量被传递给材料表面的原子及分子,使其化学键发生断裂,产生活性位,引入极性基团,改善材料表面的化学极性和活性。
现有的等离子体材料表面改性装置,大多采用介质阻挡放电(DBD)的形式产生等离子体,当施加电压足够高时,两电极间便会形成细丝状放电通道,产生低温等离子体。该低温等离子体温度较低,在材料表面改性时不会损伤材料表面,且等离子体处理仅作用在材料表面最外面的几层分子,不会影响材料的本体性能。与其他放电形式相比,DBD中覆盖的阻挡介质既能起到限流的作用又能阻止放电向弧光放电转化,能够避免出现电极被腐蚀的情况,提高装置的使用寿命。此外,介质阻挡放电能够在较低温度下、较宽气压范围内产生等离子体,有望实现大规模、连续化处理。实际应用中,DBD等离子体对材料的改性效果与气体种类、放电条件、处理时间、放电间距、阻挡材料等因素密切相关,因此,利用等离子体进行材料改性时应优化以上因素,达到理想的改性效果。
目前存在的等离子体材料处理装置中,多数不能改变放电气体氛围,无法针对特定改性需求匹配放电气体氛围,一定程度上限制了改性效果;另一方面,多数等离子体改性装置无法避免放电在空间分布的随机性与分散性,不能保证材料处理效果的均匀一致性。此外,现有装置处理范围有限及处理均匀性有限,无法保证对材料进行连续、大面积处理。综合现有技术,等离子体处理材料的装置有优点亦有优化提升的空间,若等离子体材料处理装置能够根据改性要求合理匹配放电气体,同时保证大面积材料处理效果的均匀一致,则对实现等离子体处理材料的工业应用具有工程实际意义。
发明内容
针对现有技术中存在的不足,本公开的目的在于提供一种基于介质阻挡放电等离子体的材料改性装置、系统及方法,能够根据材料改性需求匹配不同放电气体,降低放电在空间上分布的随机性与分散性,实现材料的连续大面积处理,保证材料处理效果的均匀一致。
本公开通过以下技术方案实现上述目的:
一种基于介质阻挡放电等离子体的材料改性装置,包括:装置主体,所述装置主体包括装置主体上部和装置主体下部;其中,
所述装置主体上部为长方体;
所述装置主体下部为锥体,用于产生均匀程度较高的放电;
所述装置主体上部与所述装置主体下部的连接处设置有铜板;
所述铜板中央位置开有内螺孔,透过所述内螺孔设置有铜制螺杆;
所述装置主体下部和所述铜板构成的密闭空间内填充有纳米铁粉;
所述铜制螺杆和所述铜板及所述纳米铁粉构成高压电极。
优选的,所述装置主体由石英玻璃或有机玻璃制成,用于充当上层阻挡介质。
优选的,所述装置主体的外侧围绕有放电气体通道,用于为放电所需气体提供指定通路。
优选的,所述装置主体下部的底端等效为直线,且厚度为1-3mm。
优选的,所述铜板的内螺孔与所述铜制螺杆均采用M6标准尺寸。
本公开还提供一种基于介质阻挡放电等离子体的材料改性系统,包括:材料改性装置以及储气罐、高压电源、高压引线、气体流量控制器、第一传动轮、第二传动轮、薄膜材料、接地铜板和接地电极;其中,
所述材料改性装置包括装置主体上部、装置主体下部、铜板、铜制螺杆、纳米铁粉,所述铜板和铜制螺杆及纳米铁粉构成高压电极;
所述储气罐通过气体管道与所述材料改性装置的一侧相连,用于储存放电气体;
所述气体流量控制器设置于所述储气罐与所述材料改性装置之间,用于调节放电气体的流量;
所述高压电源通过高压引线与所述铜制螺杆相连,用于为产生低温等离子体提供所需高压;
所述第一传动轮、第二传动轮、薄膜材料构成薄膜材料传动机构,所述薄膜材料传动机构位于所述材料改性装置的下方,用于确保所述材料改性装置放电产生的等离子体对薄膜材料进行连续化处理;
所述接地铜板通过与接地线连接构成所述接地电极;
所述接地电极与所述高压电极之间形成阻挡介质放电结构,用于容纳均匀等离子体。
优选的,所述放电气体根据所述薄膜材料的改性需求进行确定,包括空气、酒精蒸气、O2、N2、Ar、He、CF4、NH3中的任意一种或其混合物。
优选的,所述薄膜材料的一端缠绕在第一传动轮,另一端缠绕在第二传动轮。
优选的,所述接地电极与所述薄膜材料传动机构之间设置有石英玻璃或有机玻璃充当下层阻挡介质。
本公开还提供一基于介质阻挡放电等离子体的材料改性方法,包括如下步骤:
S100:将薄膜材料的一端缠绕在第一传动轮,另一端缠绕在第二传动轮;
S200:在材料改性装置中通入放电气体并放电分解产生等离子体;
S300:启动第一、第二传动轮,对薄膜材料进行连续化处理。
与现有技术相比,本公开带来的有益效果为:
1、装置底部设计为锥形,能够产生均匀的一维放电,减少放电在空间上分布的随机性与分散性,有效改善材料性能,保证大面积材料处理效果的一致性,从而能够解决大面积处理材料时改性效果不一致的问题;
2、本公开可根据材料改性强度优化激励电源参数,通过改变电压幅值和电源频率控制放电强度和调节放电功率,能够在满足不同改性需求的同时避免破坏材料本身和影响材料基体的性质;
3、本公开能够根据待处理材料的宽度改变放电结构尺寸或串接多个锥形介质阻挡放电结构,通过传动轮能够实现对薄膜材料的大面积、连续化处理。
附图说明
图1为本公开提供的一种基于介质阻挡放电等离子体的材料改性装置的结构示意图;
图2为本公开提供的一种基于介质阻挡放电等离子体的材料改性系统的结构示意图。
图中标记为:1-装置主体上部;2-装置主体下部;3-铜板;4-纳米铁粉;5-铜制螺杆;6-高压电源;7-高压引线;8-储气罐;9-气体流量控制器;10-电脑;11-气体管道;12-1第一传动轮;12-2第二传动轮;13-薄膜材料;14-接地铜板;15-接地电极。
具体实施方式
下面结合具体的实施例和附图对本公开的技术方案做进一步的详细说明,所述实施例仅是部分实施例,不作为对本公开的限定。
一个实施例中,如图1所示,一种基于介质阻挡放电等离子体的材料改性装置,包括:装置主体,所述装置主体包括装置主体上部1和装置主体下部2;其中,
所述装置主体上部1为长方体;
所述装置主体下部2为锥体,用于产生均匀程度较高的放电;
所述装置主体上部1与所述装置主体下部2的连接处设置有铜板3;
所述铜板3中央位置开有内螺孔,透过所述内螺孔设置有铜制螺杆5;
所述装置主体下部2和所述铜板3构成的密闭空间内填充有纳米铁粉4;
所述铜制螺杆5和所述铜板3及所述纳米铁粉4构成高压电极。
与现有技术相比,该实施例的底部设计为锥形,能够产生均匀程度较高的一维放电,能够减少放电在空间上分布的随机性与分散性,从而有效改善材料性能,并保证大面积材料处理效果的一致性,有利于提升大面积处理材料时的改性效果。
另一个实施例中,所述装置主体由石英玻璃或有机玻璃制成,用于充当上层阻挡介质。
该实施例中,由石英玻璃或有机玻璃充当上层阻挡介质,能够阻止放电向电弧转换。
另一个实施例中,所述装置主体的外侧围绕有放电气体通道,用于为放电所需气体提供指定通路。
该实施例中,所述放电气体通道围绕在装置主体外部,与装置主体形状一致,且保持2mm的间隙距离,放电气体通过该放电气体通道可传送至装置主体下部2产生低温等离子体。
另一个实施例中,所述装置主体下部2的底端等效为直线,且厚度为1-3mm。
该实施例中,装置主体下部2的底端等效为直线,能够产生一维放电,即仅在锥底外部产生均匀程度较高的放电,能够减少放电在空间上分布的随机性和分散性,并确保材料表面的处理效果均匀一致。
另一个实施例中,所述铜板3的内螺孔与所述铜制螺杆5均采用M6标准尺寸。
另一个实施例中,如图2所示,本公开还提供一种基于介质阻挡放电等离子体的材料改性系统,包括:材料改性装置以及高压电源6、高压引线7、储气罐8、气体流量控制器9、第一传动轮12-1、第二传动轮12-2、薄膜材料13、接地铜板14和接地电极15;其中,
所述材料改性装置包括装置主体上部1、装置主体下部2、铜板3、铜制螺杆5、纳米铁粉4,所述铜板3和铜制螺杆5及纳米铁粉4构成高压电极;
所述储气罐8通过气体管道11与所述材料改性装置的一侧相连,用于储存放电气体;
所述气体流量控制器9设置于所述储气罐8与所述材料改性装置之间,用于调节放电气体的流量;
所述高压电源6通过高压引线7与所述铜制螺杆5相连,用于为产生低温等离子体提供所需高压;
所述第一传动轮12-1、第二传动轮12-2、薄膜材料13构成薄膜材料传动机构,所述薄膜材料传动机构位于所述材料改性装置的下方,用于确保所述材料改性装置放电产生的等离子体对薄膜材料13进行连续化处理;
所述接地铜板14通过与接地线连接构成所述接地电极15;
所述接地电极15与所述高压电极之间形成阻挡介质放电结构,用于容纳均匀等离子体。
下面对上述实施例的工作过程进行详细描述:
首先将待处理的薄膜材料13缠绕至第一传动轮12-1之上,并与第二传动轮12-2相连,然后确定合适的放电气体、电压幅值、电源频率、气流速度和材料运动速度等条件,通入放电气体并利用电脑10和气体流量控制器9控制其速度和放电气体中不同气体的混合占比,打开高压电源6,材料改性装置将放电气体放电分解为等离子体对薄膜材料13进行连续化处理,处理之后的薄膜材料13缠绕在第二传动轮上。
需要说明的是,上述实施例中,可根据待处理的薄膜材料13的宽度改变材料改性装置的长度或串接多个材料改性装置,确保经过放电区域的薄膜材料13能够与等离子体完全接触,从而使改性效果获得最佳。
另一个实施例中,所述放电气体根据薄膜材料13的改性需求进行确定,包括空气、酒精蒸气、O2、N2、Ar、He、CF4、NH3中的任意一种或其混合物。
该实施例中,根据薄膜材料13所需改善的亲水性、粘接性、染色性、生物相容性和电性能等性能,确定需要引入的基团,进而匹配放电气体。放电气体经放电后产生活性粒子,能够为薄膜材料13改性提供所需的活性成分。
另一个实施例中,所述高压电源6为电压幅值和频率可调的交流电源。
该实施例中,高压电源6能够根据材料的改性需求调整放电强度,从而为达到理想的改性效果提供保障。
另一个实施例中,所述薄膜材料13的一端缠绕在第一传动轮12-1,另一端缠绕在第二传动轮12-2。
该实施例中,缠绕在第一传动轮12-1上的薄膜材料13为待处理材料,在第一传动轮12-1向第二传动轮12-2传动做功的过程中,待处理材料也随之匀速传动,并经材料改性装置所产生的等离子体处理后缠绕在第二传动轮12-2上。另外需要说明的是,第一、第二传动轮的传动速度为可调,可根据实际需求进行调节。
另一个实施例中,所述接地电极15与所述薄膜材料传动机构之间设置有石英玻璃或有机玻璃充电下层阻挡介质。
该实施例中,在接地电极15与薄膜材料传动机构之间设置石英玻璃或有机玻璃充当下层阻挡介质,与上层阻挡介质组成双阻挡介质放电结构。该双阻挡介质放电结构能够阻止放电向电弧转换,保护薄膜材料13的本征特性不造破坏。
本公开采用锥形设计进行一维放电,能够减少放电在空间上分布的随机性与分散性,有效改善材料性能,从而保证大面积材料处理效果的一致性;能够根据具体材料的改性需求匹配不同放电气体,有目的地引入目标活性成分,实现所需的改性功能;通过传动轮设计,能够实现材料的大面积和连续化处理。
尽管以上结合附图对本公开的实施方案进行了描述,但本公开并不局限于上述的具体实施方案和应用领域,上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的,而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本公开权利要求所保护的范围的情况下,还可以做出很多种的形式,这些均属于本公开保护之列。
Claims (8)
1.一种基于介质阻挡放电等离子体的材料改性装置,所述材料改性装置设置为2个或2个以上,且彼此串接,每个材料改性装置包括:装置主体,所述装置主体包括装置主体上部和装置主体下部;其中,
所述装置主体上部为长方体;
所述装置主体下部为锥体,且底端等效为直线,厚度为1-3mm,用于产生均匀程度较高的放电,减少放电在空间上分布的随机性和分散性;
所述装置主体上部与所述装置主体下部的连接处设置有铜板;
所述铜板中央位置开有内螺孔,透过所述内螺孔设置有铜制螺杆;
所述装置主体下部和所述铜板构成的密闭空间内填充有纳米铁粉;
所述铜制螺杆和所述铜板及所述纳米铁粉构成高压电极;
所述装置主体的外侧围绕有放电气体通道,所述放电气体通道与所述装置主体形状一致,且保持2mm的间隙距离,用于为放电所需气体提供指定通路。
2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述装置主体由石英玻璃或有机玻璃制成,用于充当上层阻挡介质。
3.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述铜板的内螺孔与所述铜制螺杆均采用M6标准尺寸。
4.一种基于介质阻挡放电等离子体的材料改性系统,包括:如权利要求1-3任意一项所述的材料改性装置以及储气罐、高压电源、高压引线、气体流量控制器、第一传动轮、第二传动轮、薄膜材料、接地铜板和接地电极;其中,
所述储气罐通过气体管道与所述材料改性装置的一侧相连,用于储存放电气体;
所述气体流量控制器设置于所述储气罐与所述材料改性装置之间,用于调节放电气体的流量;
所述高压电源通过高压引线与所述铜制螺杆相连,用于为产生低温等离子体提供所需高压;
所述第一传动轮、第二传动轮、薄膜材料构成薄膜材料传动机构,所述薄膜材料传动机构位于所述材料改性装置的下方,用于确保所述材料改性装置放电产生的等离子体对薄膜材料进行连续化处理;
所述接地铜板通过与接地线连接构成所述接地电极;
所述接地电极与所述高压电极之间形成阻挡介质放电结构,用于容纳均匀等离子体。
5.根据权利要求4所述的系统,其特征在于,所述放电气体根据所述薄膜材料的改性需求进行确定,包括空气、酒精蒸气、O2、N2、Ar、He、CF4、NH3中的任意一种或其混合物。
6.根据权利要求4所述的系统,其特征在于,所述薄膜材料的一端缠绕在第一传动轮,另一端缠绕在第二传动轮。
7.根据权利要求4所述的系统,其特征在于,所述接地电极与所述薄膜材料传动机构之间设置有石英玻璃或有机玻璃充当下层阻挡介质。
8.一种根据权利要求4-7任意一项所述材料改性系统进行材料改性的方法,包括如下步骤:
S100:将薄膜材料的一端缠绕在第一传动轮,另一端缠绕在第二传动轮;
S200:在材料改性装置中通入放电气体并放电分解产生等离子体;
S300:启动第一、第二传动轮,对薄膜材料进行连续化处理。
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