CN110708851A - 大气压下大间隙均匀介质阻挡放电等离子体表面处理装置 - Google Patents

大气压下大间隙均匀介质阻挡放电等离子体表面处理装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大气压下大间隙均匀介质阻挡放电等离子体表面处理装置，包括封闭反应容器、设置于所述封闭反应容器内的工作电极以及与所述工作电极连接的纳秒脉冲电源(1)，所述工作电极包括多个外层覆盖电极介质(6)、交替分布的低压电极(4)和高压电极(3)，相邻电极间设置有用于固定待处理材料的固定槽(7)，所述封闭反应容器包括进气口(2)和出气口(5)，所述进气口(2)和出气口(5)之间形成S型气体流动通道。与现有技术相比，本发明能够实现放电间隙大于5mm的均匀介质阻挡放电且在放电过程中可以通入适当气体，同时，还具有放电间隙大、放电功率大、常压操作、对材料表面处理均匀等优点。

Description

大气压下大间隙均匀介质阻挡放电等离子体表面处理装置
技术领域
本发明属于大气压均匀介质阻挡放电等离子体和新材料合成领域，尤其是涉及一种大气压下大间隙均匀介质阻挡放电等离子体表面处理装置。
背景技术
近年来，随着科技的发展，具有特殊表面性质的材料越来越广泛的应用在各种领域。而表面改性技术是在保持材料本事性质的前提下，赋予材料新的特性。现有的表面改性技术包括臭氧处理法、紫外辐照法、等离子体处理法、高能辐射、化学接枝等方法，其中等离子体处理方法由于具有成本低、效果好、时间短等优点而受到广泛关注。
常见的常压等离子体放电类型包括电晕放电、电弧放电和介质阻挡放电。而电晕放电太弱、等离子体数量少、效率低、材料表面改性效率低；电弧放电极不均匀、局部功率密度太高、产生高温损坏设备和材料；大气压下介质阻挡DBD又分为丝状流注放电模式和均匀放电模式，当电极距离超过一定范围后放电空间存在大量高能量密度的电流细丝，但是这种高能密度的电流细丝是不均匀的，这也限制了DBD在很多工业领域的应用前景，研究表明丝状放电并不是DBD在大气压下的唯一表现形式，当电极间的距离较近或者在一定条件下，DBD也可以表现为均匀、稳定的无细丝放电模式，称为大气压均匀DBD或大气压辉光放电。因此通过改变电源类型、电极结构和阻挡介质等条件，可以实现空气中大间隙均匀DBD或改善放电的均匀性，通过改变条件获得的间隙均匀介质阻挡放电能够很好的应用在材料表面处理上。
现有的等离子体对材料表面改性的装置多为辉光放电等离子体。肖飞鹏等(CN107973923A)公布了一种表面改性胶粉及其制备方法，但这种设备需要调节并维持真空腔的绝对真空度为20-80Pa，操作条件比较苛刻，增加了生产过程的难度和成本。郑熔镐等(CN104955884A)发明了一种聚四氟乙烯表面亲水性改性方法，实现了大气压下改性材料表面的亲水性，但是此发明的电极间距较近，对处理材料的形状、厚度等有所限制，不利于大规模生产。郭宏飞等(CN107135597A)公布了一种大气压空气中产生大间隙、大面积均匀放电等离子体的装置及使用方法，虽然该设备能够在大气压下产生大间隙的均匀等离子体，但是该发明的电极结构不利于大面积板材的处理，改性设计也不能满足不同材料对不同气体的特殊需求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种大气压下大间隙均匀介质阻挡放电等离子体表面处理装置，实现了大气压下大间隙均匀介质等离子体的产生，提升材料表面的处理效果。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种大气压下大间隙均匀介质阻挡放电等离子体表面处理装置，包括封闭反应容器、设置于所述封闭反应容器内的工作电极以及与所述工作电极连接的纳秒脉冲电源，
所述工作电极包括多个外层覆盖电极介质、交替分布的低压电极和高压电极，相邻电极间设置有用于固定待处理材料的固定槽，
所述封闭反应容器包括进气口和出气口，所述进气口和出气口之间形成S型气体流动通道。
进一步地，所述封闭反应容器由不锈钢、石英玻璃、钢化玻璃、陶瓷、刚玉、聚四氟乙烯或环氧树脂中的一种材料制成。
进一步地，所述封闭反应容器的壁厚为1-5cm。
进一步地，所述相邻电极间的距离为0.1-1.5cm。
进一步地，所述电极介质为石英玻璃、陶瓷或刚玉的一种，厚度为0.1-1cm。
进一步地，所述封闭反应容器包括壳体和密封门，所述进气口和出气口设置于壳体上，所述密封门可拆卸地与壳体连接。
进一步地，所述密封门上设有观察窗。
进一步地，所述低压电极和高压电极交替固定于封闭反应容器一内侧面，所述固定槽可拆卸地安装于另一相对内侧面。
进一步地，所述纳秒脉冲电源的输出电压0～50kV，输出频率为1～5kHz。
进一步地，该装置使用时，通入的气体为空气、氩气、氧气、氮气、氨气、水蒸气、二氧化碳和乙炔中的一种或者多种。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、现有技术中当介质阻挡放电的空气间隙大于5mm时，一般无法产生均匀的介质阻挡放电效果，而本发明使用纳秒脉冲电源，可实现输出脉冲幅度、宽度、频率的条件到达均匀放电的要求，同时该装置特有的交替分布的低压电极和高压电极能够最大程度的将更多的电荷留在电极间隙中，进而进一步降低击穿场强，能够实现放电间隙大于5mm的均匀介质阻挡放电且在放电过程中可以通入适当气体，能在大气压下产生大间隙均匀介质阻挡放电，具有放电间隙大、放电功率大、常压操作、对材料表面处理均匀、处理效率高、适合规模化生产等优点，有效提高了材料表面的亲水性。
2、本发明采用纳秒脉冲电源，基于单级磁压缩脉冲技术，实现了大气压下大间隙均匀介质等离子体的产生。
3、本发明低压电极和高压电极交替分布，能最大限度提高电极效率。
4、进气口与出气口的位置设置使得气体流动通道呈现S型，有利于等离子体气体与材料表面充分接触，提升了材料表面的处理效果。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的俯视图；
图3为本发明的外观示意图；
图4为不同气体的大气压等离子体对聚四氟乙烯表面亲水性影响效果图；
图中：1-纳秒脉冲电源；2-进气口；3-高压电极；4-低压电极；5-出气口；6-电极介质；7-固定槽；8-壳体；9-观察窗；10-密封门。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1-图3所示，本发明提供一种大气压下大间隙均匀介质阻挡放电等离子体表面处理装置，包括封闭反应容器、设置于封闭反应容器内的工作电极以及与工作电极连接的纳秒脉冲电源1，工作电极包括多个外层覆盖电极介质6、交替分布的低压电极4和高压电极3，相邻电极间设置有用于固定待处理材料的固定槽7。
封闭反应容器包括进气口2和出气口5，进气口2和出气口5之间形成S型气体流动通道。进气口2和出气口5均可通入气体或排出气体，当需要通入的气体密度大于空气密度时，气体由进气口2进入并通过出气口5排出，当需要通入的气体密度小于空气密度时，气体可以由出气口5进入并通过进气口2排出。
封闭反应容器由不锈钢、石英玻璃、钢化玻璃、陶瓷、刚玉、聚四氟乙烯或环氧树脂中的一种材料制成，封闭反应容器的壁厚为1-5cm。
低压电极4和高压电极3交替固定于封闭反应容器一内侧面，相邻电极间的距离为0.1-1.5cm，固定槽7可拆卸地安装于另一相对内侧面，不同材料更换不同的固定槽。该装置可处理的材料可以是板材、颗粒或其他形状的材料，材料类型可以为聚合物(聚四氟乙烯)、无机物(玻璃)或半导体芯片等。
电极介质6为石英玻璃、陶瓷或刚玉的一种，厚度为0.1-1cm。
封闭反应容器包括壳体8和密封门10，进气口2和出气口5设置于壳体8上，密封门10可拆卸地与壳体8连接，由密封门10装入待处理材料。密封门10上设有观察窗9。
纳秒脉冲电源1采用单级磁压缩脉冲技术实现，输出电压0～50kV，输出频率为1～5kHz。输出电压依靠改变自耦变压器输出幅值进行调节，输出频率依靠触发脉冲发生器输出脉冲控制。
要想在大气压下产生均匀稳定的DBD，必须设法降低放电空间的击穿场强，因此选择合适的工作电压频率非常重要，在合适频率范围内放电产生的离子，半个周期内来不及在外加电压的作用下全部抵达阻挡介质，于是部分电荷将留在间隙中，下一个半周期放电过程将受此空间电荷的影响，使得放电空间的击穿场强明显降低，从而形成均匀放电。现有技术中当介质阻挡放电的空气间隙大于5mm时，一般无法产生均匀的介质阻挡放电效果，而本发明使用纳秒脉冲电源，可实现输出脉冲幅度、宽度、频率的条件到达均匀放电的要求，同时该装置特有的交替分布的低压电极和高压电极能够最大程度的将更多的电荷留在电极间隙中，进而进一步降低击穿场强，能够实现放电间隙大于5mm的均匀介质阻挡放电且在放电过程中可以通入适当气体，能在大气压下产生大间隙均匀介质阻挡放电，具有放电间隙大、放电功率大、常压操作、对材料表面处理均匀、处理效率高、适合规模化生产等优点，有效提高了材料表面的亲水性。
上述大气压下大间隙均匀介质阻挡放电等离子体表面处理装置的使用方法包括如下步骤：
步骤1、实验前先对待处理材料表面做简单清洗处理，后置于空气中自然晾干，最后将材料固定在固定槽上；
步骤2、通入所需要的气体，排除反应容器内的空气(空气条件下处理可省去此步骤)；
步骤3、开通电源对材料进行处理。
该装置使用时，材料表面清洗剂为水、乙醇等，通入的气体为空气、氩气、氧气、氮气、氨气、水蒸气、二氧化碳和乙炔等中的一种或者多种，预通气时间为10-60min。
实施例一
参照图1和2，一种大气压下大间隙均匀介质阻挡放电等离子体表面处理装置，在壁厚为3cm的钢化玻璃反应容器内，外层覆盖有2mm石英介质的低压电极和高压电极交替分布，电极间距为1cm。首先，用乙醇将待处理材料聚四氟乙烯表面清洁干净，后置于空气中自然晾干，然后由密封门装入并固定在固定槽上，之后通入空气。最后打开纳秒脉冲电源,输出电压10kV，输出频率为2kHz，处理时间为5min。
实施例二
参照图1和2，一种大气压下大间隙均匀介质阻挡放电等离子体表面处理装置，在壁厚为3cm的钢化玻璃反应容器内，外层覆盖有2mm石英介质的低压电极和高压电极交替分布，电极间距为1cm。首先，用乙醇将待处理材料聚四氟乙烯表面清洁干净，后置于空气中自然晾干，然后由密封门装入并固定在固定槽上，之后通入氩气(氩气需要预通气30min排除空气)。最后打开纳秒脉冲电源,输出电压10kV，输出频率为2kHz，处理时间为5min。
实施例三
参照图1和2，一种大气压下大间隙均匀介质阻挡放电等离子体表面处理装置，在壁厚为3cm的钢化玻璃反应容器内，外层覆盖有2mm石英介质的低压电极和高压电极交替分布，电极间距为1cm。首先，用乙醇将待处理材料聚四氟乙烯表面清洁干净，后置于空气中自然晾干，然后由密封门装入并固定在固定槽上，之后通入二氧化碳(二氧化碳气需要预通气30min排除空气)。最后打开纳秒脉冲电源,输出电压10kV，输出频率为2kHz，处理时间为5min。
参照图4，通入不同气体的大气压均匀介质阻挡放电，有效提高了材料表面的亲水性。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由本发明所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种大气压下大间隙均匀介质阻挡放电等离子体表面处理装置，其特征在于，包括封闭反应容器、设置于所述封闭反应容器内的工作电极以及与所述工作电极连接的纳秒脉冲电源(1)，
所述工作电极包括多个外层覆盖电极介质(6)、交替分布的低压电极(4)和高压电极(3)，相邻电极间设置有用于固定待处理材料的固定槽(7)，
所述封闭反应容器包括进气口(2)和出气口(5)，所述进气口(2)和出气口(5)之间形成S型气体流动通道。
2.根据权利要求1所述的大气压下大间隙均匀介质阻挡放电等离子体表面处理装置，其特征在于，所述封闭反应容器由不锈钢、石英玻璃、钢化玻璃、陶瓷、刚玉、聚四氟乙烯或环氧树脂中的一种材料制成。
3.根据权利要求1所述的大气压下大间隙均匀介质阻挡放电等离子体表面处理装置，其特征在于，所述封闭反应容器的壁厚为1-5cm。
4.根据权利要求1所述的大气压下大间隙均匀介质阻挡放电等离子体表面处理装置，其特征在于，所述相邻电极间的距离为0.1-1.5cm。
5.根据权利要求1所述的大气压下大间隙均匀介质阻挡放电等离子体表面处理装置，其特征在于，所述电极介质(6)为石英玻璃、陶瓷或刚玉的一种，厚度为0.1-1cm。
6.根据权利要求1所述的大气压下大间隙均匀介质阻挡放电等离子体表面处理装置，其特征在于，所述封闭反应容器包括壳体(8)和密封门(10)，所述进气口(2)和出气口(5)设置于壳体(8)上，所述密封门(10)可拆卸地与壳体(8)连接。
7.根据权利要求1所述的大气压下大间隙均匀介质阻挡放电等离子体表面处理装置，其特征在于，所述密封门(10)上设有观察窗(9)。
8.根据权利要求1所述的大气压下大间隙均匀介质阻挡放电等离子体表面处理装置，其特征在于，所述低压电极(4)和高压电极(3)交替固定于封闭反应容器一内侧面，所述固定槽(7)可拆卸地安装于另一相对内侧面。
9.根据权利要求1所述的大气压下大间隙均匀介质阻挡放电等离子体表面处理装置，其特征在于，所述纳秒脉冲电源(1)的输出电压0～50kV，输出频率为1～5kHz。
10.根据权利要求1所述的大气压下大间隙均匀介质阻挡放电等离子体表面处理装置，其特征在于，该装置使用时，通入的气体为空气、氩气、氧气、氮气、氨气、水蒸气、二氧化碳和乙炔中的一种或者多种。
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