CN110468580B - 一种辉光放电等离子体表面处理方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种辉光放电等离子体表面处理方法及装置，所述方法为构建一种细导线接触式电极，该方法可以将碳纤维织物直接作为电极的一部分参与放电反应和粒子交换。所述装置包括包括电源、高压电极、待处理材料以及传动机构，由所述传动机构带动所述待处理材料与所述高压电极产生相对运动以完成对待处理材料的连续表面处理。该放电电极可以实现在大气压空气中对于碳纤维织物的双面连续处理，且具有放电电压低，改性效果显著，且不受材料厚度限制等优点，对于实现高效、连续的大面积碳纤维表面改性的工业化应用具有重要意义。

Description

一种辉光放电等离子体表面处理方法及装置

技术领域

本发明涉及材料表面改性领域，主要涉及一种辉光放电等离子体表面处理方法及装置。

背景技术

碳纤维具备极佳的比模量和比强度，且具有低密度、耐高温、耐腐蚀、导电和热膨胀系数小等优异性能。碳纤维通常作为聚合物、金属、炭、水泥等基体的增强材料，形成的复合材料性能极为优异，使其广泛应用于航空航天、核工程等国防军工领域及交通运输、生物医疗等高技术工业领域。碳纤维增强复合材料的综合性能不仅与基体相、增强相有关，更与两相的界面结合质量有关。结合良好的界面能有效地传递载荷,充分发挥碳纤维高强度、高模量的特性,提高制品的力学性能。

然而，由于碳纤维表面为非极性的高度结晶的石墨片层结构，缺乏具有化学活性的官能团，因此呈现出较高的化学惰性，导致碳纤维与基体的结合能力较差。因此复合材料的优异性能难以得到发挥,极大程度地限制了碳纤维在特殊工况下的应用。因此，通过表面改性技术以将纤维表面从类石墨层面改性成碳状结构以增加表面能或引进具有极性或反应性的官能团，强化碳纤维与基体材料之间的界面性能，具有十分重要的意义。

常见的碳纤维表面改性方法主要包括表面氧化处理、表面涂层处理、化学气相沉积法、等离子体表面改性等方法。其中，表面氧化处理已在工业领域中得到实际应用。但所需处理时间较长，且污染严重。表面涂层处理、化学气相沉积法也存在化学污染等问题，因此难以实现工业化。

在众多的纤维表面处理方法中，等离子体表面改性技术可以在不影响纤维本体力学性能的情况下改变其表面层的物理和化学结构，且具有处理效率高、清洁环保等优点，因此是目前最具工业化应用前景的一种方法。其中，辉光放电生成的低温等离子体因具有放电均匀性好、活性粒子丰富、功率密度适中等优点，被认为是材料表面改性的最佳选择。

然而，目前对于碳纤维的等离子体表面处理主要在低气压条件下或大气压非空气环境中进行。一方面，辉光放电也在低气压中或惰性气体中容易生成，而在大气压空气条件下由于电子崩发展不易控制，放电极易向丝状放电转化，因此难以实现。另一方面，低气压环境需要真空设备，因此处理过程为间歇式，无法满足工业化的碳纤维生产过程中对于碳纤维表面处理环节连续化的实际需求，且非空气环境也增加了气体的投入。

发明内容

为解决上述现有技术的不足，本发明提供了一种辉光放电等离子体表面处理方法及装置，所述辉光放电等离子体表面处理方法通过使处理材料直接作为电极的一部分参与放电反应和粒子交换，相比只利用等离子体的扩散作用进行表面处理的传统等离子体改性方式，极大增强了带电粒子对碳纤维织物表面的修饰作用。该辉光放电等离子体表面处理装置可以实现对碳纤维织物的双面连续处理，且具有放电电压低、改性效果显著、不受材料厚度限制且可以在大气压空气中直接进行等特点，极大地降低了等离子体表面处理对于气体环境的要求，为碳纤维的表面功能化奠定了良好的技术基础，对于实现高效、连续、并节能的大规模碳纤维表面改性的工业化应用具有重要意义。

为了实现上述的目的，本发明的技术方案如下：

本发明提供的一种辉光放电等离子体表面处理方法，在于构建一种接触式电极结构，所述接触式电极结构由待处理材料作为接地电极和外侧绝缘的高压电极紧密贴合构成，所述待处理材料直接作为电极的一部分参与放电反应和粒子交换，并采用传动机构带动所述待处理材料与所述高压电极产生持续地相对运动以完成对待处理材料的连续表面处理。

进一步地，所述待处理材料包括碳纤维及其复合材料。

一种辉光放电等离子体表面处理装置，包括电源、与电源高压端相连的高压电极、均匀包裹在高压电极外表面的绝缘介质层、与接地端相连的待处理材料以及带动所述待处理材料运动的传动机构，所述高压电极、绝缘介质层及待处理材料依次紧密贴合。

进一步地，所述电源电压为0～±10kV，优选为600-800V，在该电压范围下，该装置可以在大气压空气中生成具有良好扩散性的大面积辉光放电等离子体并有效作用于待处理材料表面。此外，通过显著提高材料被处理空间的电场强度，极大地提高了等离子体中活性粒子的数量和能量，可以在材料表面引入大量含氧官能团以及传统空气等离子体处理方法难以引入的含氮官能团。

进一步地，所述高压电极由金属导体材料构成，优选为铜、铝、铁等导电性好的丝状导体材料，可为单股或多股，横截面形状不限。

进一步地，所述高压电极与绝缘介质层组成的柱状结构为多组，彼此平行排列或编织成网状结构，或所述高压电极形成网状结构，绝缘介质层均匀包覆在所述网状结构外部。

进一步地，所述构成绝缘介质层的材料为高分子驻极体、陶瓷、玻璃中的一种或多种，优选为聚四氟乙烯、PET、聚丙烯、氧化铝陶瓷、硅橡胶、石英玻璃，更优选为聚四氟乙烯。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为实施例中的实验系统示意图。

图2为实施例中的接触式电极结构。

图3为相机拍摄到的电极放电现象。

图4为电极的电流电压波形。

图5为静态处理前后不同取样点碳纤维织物表面形貌变化。

图6为静态分析取样点位置。

图7为动态处理前后碳纤维织物表面形貌变化。

其中，1为接触式电极结构、2为高压电极、3为待处理材料、4为绝缘介质层、5为电源、6为示波器、7为高压探头、8为第一取样点、9为第二取样点、 10为第三取样点、11为辊轮。

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。

如图1所示，图1为本实施例的实验系统示意图，一种辉光放电等离子体表面处理装置，由电源5、测量系统、接触式电极结构1和传动机构四部分构成。

进一步地，所述电源5为输出电压为0～±10kV，频率为20kHz的高频高压电源。

进一步地，所述测量系统由电压测量部分和电流测量部分组成，所述电压测量部分采用泰克P6015A高压探头测量电极两端放电电压，所述电流测量部分通过串联100Ω的无感电阻测量放电电流。同时采用泰克数字示波器6TDS2014记录放电电压和电流波形，采用带有微距镜头的Nicon D7000单反相机拍摄实验时的放电现象。

进一步地，如图2所示，图2为实施例中的接触式电极结构1，所述接触式电极结构1由高压电极2、包覆在高压电极2外的绝缘介质层4以及待处理材料 3构成。

其中，所述高压电极2为铜芯细导线，所述铜芯细导线横截面为圆形，其直径为0.15mm，外侧包裹有厚度为0.075mm绝缘介质层4。所述绝缘介质层为聚四氟乙烯。各高压电极2彼此平行排列，间距为0.3mm，并与待处理材料3紧密接触。

其中，所述待处理材料3采用日本东丽公司生产的T700-3k型碳纤维织物，单纤维直径为6μm，实验前对碳纤维织物进行预处理,以去除纤维表面浆料层。

其中，所述碳纤维织物预处理步骤为：将所述碳纤维织物置于丙酮溶液中 24小时后,用去离子水对其表面进行清洗。清洗结束后将碳纤维样品置于真空炉中烘干，最后密封包装以备实验用，制得碳纤维织物的厚度为0.2mm。。

进一步地，放电实验时，高压电极2与电源5的高压端相连，所述碳纤维织物作为待处理材料3与接地端相连，保证了放电的安全性。当达到合适放电电压时，等离子体在碳纤维织物表面生成。

进一步地，该装置还包括传动机构，能够带动所述待处理材料3向一定方向持续运动以达到连续表面处理的目的。

其中，所述传动机构为辊轮。

进一步地，当该装置运行对所述碳纤维织物材料表面处理时，施加电压为达到600V时，细导线与碳纤维织物交界处开始产生微弱的放电现象。随着电压升高，放电区域增大。当电压为800V时，Nicon D7000单反相机拍摄到的电极放电现象如图3所示。从放电的俯视图中可以看出，整个碳纤维织物表面呈现出弥散的淡蓝色放电现象。从侧向拍摄的照片中可以看出，放电现象均匀稳定，且生成了具有一定厚度的等离子体。同时，放电对应的电流电压波形图如图4所示。可以看出，脉冲放电电流瞬时值非常小，且均小于14mA，表明放电空间未出现高浓度的等离子体通道，没有发展到典型丝状放电的程度，符合辉光放电的基本特征，可以判断该辉光放电等离子体表面处理装置放电生成了大面积辉光放电等离子体。

在本实验的另一实施例中，探究了本发明提供的辉光放电等离子体表面处理方法及装置静态条件下产生的改性效果。在该实施例中，采用上述实验装置，关闭传动机构，使所述待处理材料3在800V的电压条件经该装置持续静止处理40s，分别取电场强度依次降低的第一取样点8、第二取样点9、第三取样点10和处理前的碳纤维织物于型号为S4800的电子扫描显微镜(Hitachi company,Japan)下以 5000倍放大倍数观察碳纤维织物的表面形貌，观察结果如图5所示，发现经该装置处理后的碳纤维织物表面的沟槽有被强化的趋势，粗糙度明显提升。表面处理前后碳纤维表面元素组成对比如表1所示。同时，采用型号为OCA15EC(Dataphysics,Germany)的接触角测量仪分别测试上述三个取样点处的处理后碳纤维织物和处理前碳纤维织物与去离子水的接触角，测量时采用的液滴体积为2uL，每组试验5个试样，取其算术平均值，表面处理前后接触角测试结果如表2所示。

其中，如图6所示，所述第一取样点8为靠近细导线与碳纤维织物的接触点处，所述第二取样点9为第一取样点8和第三取样点10的中点，所述第三取样点10为为相邻导线与碳纤维织物接触点的中点，此处电场强度最弱。

表1：静态表面处理前后碳纤维织物表面元素组成

表2：静态表面处理前后碳纤维织物表面润湿性变化

取样点	接触角(<sup>o</sup>)
		待处理样品	107.08
A	66.20
		B	77.08
C	81.20

在本实验的又一实施例中，探究了本发明提供的辉光放电等离子体表面处理方法及装置在进行动态连续处理时产生的改性效果。在该实施例中，采用相同碳纤维织物和同一实验装置，高压电极2与电源5高压端相连，待处理材料3与接地端相连，同时开启辊轮11带动所述待处理材料3在800V的电压条件与高压电极2和绝缘介质层4组成的柱状结构紧密接触并匀速移动，选取不同等离子体处理时间下的碳纤维进行表面检测，处理时间分别为0s、20s、40s、60s、80s、 100s。分别用前述方法观察其表面形貌，同时测量其与去离子水的接触角，其中，图7为动态处理前后碳纤维织物表面形貌变化。，表3为动态连续处理不同时间碳纤维表面元素组成对比，表4为动态连续处理不同时间的碳纤维织物接触角对比。

表3：动态连续处理不同时间的碳纤维织物表面元素组成对比

表4：动态连续处理不同时间的碳纤维织物接触角对比

处理时长(s)	接角(<sup>o</sup>)
		0	107.08
20	96.92
		40	74.45
60	57.1
		80	52.12
100	66.56

Claims (8)

1.一种辉光放电等离子体表面处理方法，其特征在于，包括以下步骤

(1)构建一种接触式电极结构(1)，所述接触式电极结构(1)的高压电极(2)和待处理材料(3)通过绝缘介质层(4)接触；

(2)对碳纤维材料进行表面处理时，所述高压电极(2)与电源(5)的高压端相连，所述待处理材料(3)作为接地电极，并有传动机构带动碳纤维材料持续运动以进行连续表面处理。

2.如权利要求1所述的一种辉光放电等离子体表面处理方法，其特征在于：所述待处理材料(3)包括碳纤维及其复合材料。

3.一种辉光放电等离子体表面处理装置，其特征在于：包括电源(5)、与电源(5)高压端相连的高压电极(2)、均匀包裹在高压电极(2)外表面的绝缘介质层(4)、作为接地电极的待处理材料(3)，所述高压电极(2)、绝缘介质层(4)及待处理材料(3)依次紧密贴合。

4.如权利要求3所述的一种辉光放电等离子体表面处理装置，其特征在于：所述电源(5)电压为600-800V。

5.如权利要求3所述的一种辉光放电等离子体表面处理装置，其特征在于：所述高压电极(2)由金属导体材料构成。

6.如权利要求5所述的一种辉光放电等离子体表面处理装置，其特征在于：所述高压电极(2)与绝缘介质层(4)组成柱状结构并设有多组，所述柱状结构彼此平行排列或编织成网状结构。

7.如权利要求5所述的一种辉光放电等离子体表面处理装置，其特征在于：所述高压电极(2)为网状结构，绝缘介质层(4)均匀包覆在所述网状结构外部。

8.如权利要求3所述的一种辉光放电等离子体表面处理装置，其特征在于：构成所述绝缘介质层(4)的材料为高分子驻极体、陶瓷、玻璃中的一种或多种。

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