CN202601553U - 对柔性材料表面改性的卷对卷式辉光放电发生装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种对柔性材料表面改性的卷对卷式辉光放电发生装置，所述装置包括真空腔体，其内左右两侧设置用于缠绕待处理的纸张的两根卷轴和位于其间的地电极，高压电极置于绝缘介质板上表面与地电极平行对称放置；还包括通气口,对应开设于腔体两侧壁正对绝缘介质板与地电极之间的间隙。本实用新型设备成本低，放电方式简单，放电气体体积小，气体流量低，能耗低；有利于连续化生产。
Description
技术领域
本实用新型涉及中等气压下产生辉光放电的卷对卷式介质阻挡放电装置。
技术背景
氟碳（FC）薄膜是一种新型含氟碳材料，具有很强的疏水性，同时还具有优良的自润滑性，极低介电常数，耐腐蚀性。氟碳（FC）薄膜可以作为介电层应用在超大规模集成电路中，可以作为钝化层应用在生物相融性材料中，也可以作为疏水层应用在纸张、壁画等材料上。介质阻挡放电（dielectric barrier discharge,DBD），是有绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态气体放电，是最早成功用于臭氧大规模工业化生产的等离子体技术。根据电极形状可分为板-板式，线-筒式，线-板式DBD反应器。利用DBD产生的低温等离子体进行材料表面改性是一项洁净的干式工艺，DBD装置结构简单，原料气消耗量少，能耗较低等特点，而且不使用湿法改性所使用的大量有机溶剂，是一种绿色环保生产技术。具有潜在的大规模连续化工业应用优势。但是，目前国内所研制用于柔性材料如塑料，纤维以及纸张等的大面积DBD装置大都处于实验室阶段，一次性生产的材料面积为700*500mm2，而且处理完样品后需要拆卸反应器，不利于连续化生产。目前尚未见能够对材料进行整卷连续化处理的DBD反应器的报导。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种对纸张、塑料、纤维等柔性材料在中等气压下进行连续表面改性或沉积功能性薄膜的卷对卷式等离子体装置，其结构简单，节能，成本低。
本实用新型的技术解决方案是这样实现的：
一种对柔性材料表面改性的卷对卷式辉光放电发生装置，其特征在于，它包括：
真空腔体，其由不锈钢制腔体框架、绝缘介质板和不锈钢板构成；所述腔体框架上表面覆盖绝缘介质板，两者之间装设密封圈；所述腔体框架底面固定连接不锈钢底板；
用于缠绕待处理的柔性材料的卷轴，分为主动轴和被动轴，分别装设于所述真空腔体内部靠两侧位置，并通过皮带轮传动；所述主动轴与电机相连；
地电极和高压电极；所述地电极置于真空腔体内，固装于所述不锈钢底板上，平行放置 于两根卷轴之间，与绝缘介质板之间留有大于0不大于15mm的间隙，所述间隙通过聚四氟乙烯垫圈的厚度进行调整，所述垫圈的厚度分为1mm，2mm，5mm，10mm；所述高压电极直接置于所述绝缘介质板上表面与所述地电极平行对称放置；
一对以上通气口,对应分别开设于腔体两侧壁并正对绝缘介质板与地电极之间的间隙，分别用于原料气进入和反应后的尾气排出。
具体的，所述绝缘介质板是玻璃板，或石英玻璃，或陶瓷板等材质的绝缘介质板。
与现有技术相比，利用本实用新型所述的卷对卷式的介质阻挡放电装置对成卷的纸张进行处理，具有独特的优势：设备成本低，放电方式简单，放电气体体积小，气体流量低，能耗低；有利于连续化生产。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是图2中A-A剖视图；
图4是图2中B-B剖视图；
图5是接触角随放电时间变化图。
图中，1.不锈钢腔体，2.卷轴，3.不锈钢底板，4.通气口，5.地电极。
具体实施方式
在中等气压下产生辉光放电的卷对卷式介质阻挡放电装置，如图1-4所示，以不锈钢制成腔体1的框架，腔体1左右两侧装有两根带有皮带轮并可以旋转的白钢卷轴2，左侧为从动轴，用于缠绕待处理的柔性材料，右侧为主动轴，用于缠绕处理后的柔性材料。主动轴可根据需要通过电机驱动以不同速度匀速转动。两根卷轴2通过皮带牵动旋转。腔体上端面开有1000×120mm2长方形孔，其上覆盖玻璃板作为绝缘介质板，并设置密封圈；腔体1下端面通过螺杆固定不锈钢底板3；所述底板3上固定不锈钢地电极5,所述地电极5置于腔体1内，平行放置于两根卷轴2之间；所述地电极5与绝缘介质板即玻璃板之间留有间隙，间隙的大小可通过不同厚度聚四氟乙烯垫圈调整，垫圈厚度分为1mm，2mm，5mm，10mm。不锈钢或者铜等电良导体制成的高压电极直接置于所述绝缘介质板上表面，并与地电极5平行对称放置，高压电极与地电极之间距离在不大于10mm之间调节。腔体1两侧各开有四个通气口4，其一端用于原料气进入，另一端用于反应后尾气排出,所述通气口4正对绝缘介质板 与地电极之间的间隙。四个通气口4的一端与一只带有四根支管的带有法兰连接的快速接头的连接部件相连，通过普通真空泵抽气获得本底气压大约为50Pa的真空度，从而使所述腔体1成为一个真空腔体。
上述装置低气压辉光放电在宣纸表面沉积FC薄膜的工艺步骤如下：缠绕在从动轴上的待处理纸张紧贴在地电极5上表面并穿过地电极5与玻璃板之间的间隙，固定于主动轴上。放电前采用机械泵将本底气压抽至50Pa以下。通气口4的入气口一端与质量流量控制器连接，通过质量流量控制器分别控制C3F8气体的流速和气体气压，气体流量为10-100sccm，放电气压由薄膜硅绝对压力传感器测量，通过手动插板阀控制在50-2000Pa；采用连续可调高压电源使用频率1-7kHz，电压8-20kV，放电时间控制在30s-45min，得到厚度大约为0.5-3.0um的FC薄膜。宣纸表面沉积薄膜前,水被完全吸收，镀膜后接触角为120-145°左右，宣纸表面的疏水特性得到极大提高。采用李萨如图形法对放电的功率以及比能耗进行了分析，能耗大约为2-25mW/cm2。此外，也可以采用塑料，纤维等柔性介质作为沉积基底，经C3F8等离子体处理沉积出FC薄膜，能够显著改变柔性介质表面的疏水特性。
采用本实用新型的装置，在放电电压6kV，放电频率5kHz，采用C3F8作为前驱物，气体流速为20sccm，放电气压为500Pa，放电时间分别控制为30s,2min,5min,15min,30min和45min，在宣纸表面沉积出了不同厚度的FC薄膜。采用接触角分析测定其疏水角。结果如图5所示：放电30s时，沉积FC薄膜后的宣纸表面的接触角接近80°,随着放电时间增加至2min时接触角迅速增加至128°,继续增加放电时间接触角变化较小，在130-140°之间。由此可见，放电沉积时间在2-45min时宣纸疏水性得到明显提高。
在放电电压6kV，放电频率5kHz，放电时间15min时，通过控制放电室气压，在宣纸表面沉积出FC薄膜，取出样品后迅速采用接触角分析仪测试疏水角大小，结果如表1所示。由表中数据可见，放电气压对接触角影响较小，当放电气压由100Pa增至2000Pa接触角为129-141°。采用李萨如图形法测定了放电的功率。所处理薄膜的面积为576cm2，计算得到采用DBD等离子体处理宣纸的比能耗为10-25mW/cm2。在低气压时比能耗要比高气压时的低。
放电电压为6kV，放电时间15min，采用C3F8为前驱物，气体流速20sccm，放电气压500Pa,分别调节电源放电频率为1kHz,3kHz,5kHz,7kHz在宣纸表面沉积FC薄膜。取出样品后迅速采用接触角分析仪测试疏水角大小为135-141°。由此可见放电频率对沉积FC薄膜后的宣纸表面的疏水角影响较小。采用李萨如图形法对放电功率进行了测量。结果如表1所示。随着放电频率的增加放电功率明显增大，当放电频率为1kHz时比能耗仅为2.1mW,而放电频率增加到7kHz时比能耗为11.2mW。因此提高放电频率不利于降低能耗。这主要是单 位时间输入能量增加的原因。
表1不同放电频率，放电气压下沉积FC薄膜后的宣纸表面接触角以及比能耗。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种对柔性材料表面改性的卷对卷式辉光放电发生装置，其特征在于，它包括：
真空腔体，其由不锈钢制腔体框架、绝缘介质板和不锈钢板构成；所述腔体框架上表面覆盖绝缘介质板，两者之间装设密封圈；所述腔体框架底面固定连接不锈钢底板；
用于缠绕待处理的柔性材料的卷轴，分为主动轴和被动轴，分别装设于所述真空腔体内部靠两侧位置，并通过皮带轮传动；所述主动轴与电机相连；
地电极和高压电极；所述地电极置于真空腔体内，固装于所述不锈钢底板上，平行放置于两根卷轴之间，与绝缘介质板之间留有大于0不大于15mm的间隙，所述间隙通过聚四氟乙烯垫圈的厚度进行调整；所述高压电极直接置于所述绝缘介质板上表面与所述地电极平行对称放置；
一对以上通气口,对应分别开设于腔体两侧壁并正对绝缘介质板与地电极之间的间隙，分别用于原料气进入和反应后的尾气排出。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述绝缘介质板是玻璃板，或石英玻璃，或陶瓷板的绝缘介质板。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述地电极与高压电极之间的距离大于0不大于10mm。
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| CN 201220217820 CN202601553U (zh) | 2012-05-15 | 2012-05-15 | 对柔性材料表面改性的卷对卷式辉光放电发生装置 |
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|---|---|---|---|---|
| CN102677023A (zh) * | 2012-05-15 | 2012-09-19 | 大连民族学院 | 对柔性材料表面改性的卷对卷式辉光放电发生装置及工艺 |
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