CN206977777U - 大气压辉光等离子体发生装置及纺织材料处理装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种大气压辉光等离子体发生装置，包括沿水平向平行排列的多个石英管，相邻石英管紧密接触，每个石英管内均插入有丝状电极，丝状电极与石英管紧密接触，相邻两个丝状电极分别与高压交流电源、地相连接，处于最边缘的两个丝状电极均与地相连接。本实用新型还涉及一种纺织材料处理装置。本实用新型具有以下有益效果：采用大气压辉光放电模式，产生的等离子体更加均匀，处理效果优于丝状放电的等离子体；特殊结构的双介质DBD放电电极设计，抑制电弧放电效果显著，即使在高电压下也不易击穿，放电间隙小，低电压下也不容易形成丝状的DBD放电，有效的降低了产生辉光放电所需的维持电压；成功产生米量级均匀大气压辉光放电等离子体。

Description

大气压辉光等离子体发生装置及纺织材料处理装置

技术领域

本实用新型涉及一种等离子体发生装置，尤其涉及一种大气压辉光等离子体发生装置及纺织材料处理装置。

背景技术

目前，大气压等离子体虽然在工业应用中有着广泛的前景，但是并没有大规模地应用于工业。其中最重要的原因就是在大气压下产生的等离子体由于气压高，被电离的粒子在很短的时间内即碰撞复合为中性粒子。因此所产生的等离子体具有极高的不稳定性，并且很难产生大面积均匀的等离子体。目前大气压等离子体的应用仍然处于小型化、局域化的阶段，这不能满足工业上大规模、高速高效率的处理需求。

大气压等离子体的工作模式大致可以分为三种：电晕放电、辉光放电和电弧放电。这三种模式都是通过在电极上施加足够高的电压将放电介质击穿而产生的。当电极电压逐渐升高时，由于尖端效应，在曲率半径较小（针状、丝状）的电极附近的电场强度最强，这些地方的放电气体最先电离从而产生电晕放电。这是一种局部的、微弱的放电模式。而当电压继续升高时，被电离的区域逐渐增加，最终扩散至整个放电空间，形成辉光放电。当电压升高到一定程度时，放电气体则被击穿形成强烈而不均匀的放电通道，此时的放电即电弧放电。因此，在这三种模式中，只有辉光放电模式可以产生大面积均匀的等离子体，适合用于纺织材料的处理。因此在大气压下产生辉光放电成为此项技术的关键。

然而，在传统的技术中，很难在大气压的环境下产生辉光放电，即使能够产生，也要严格的控制其放电电压，否则放电很容易向电弧放电转化从而损坏被处理的材料。随着等离子体源技术的发展，人们一直在探索产生大气压辉光放电的方法。目前最有效的方法是通过介质阻挡放电（DBD）的方式。DBD放电是指将绝缘介质插入放电空间，通过施加足够的交流电压而产生等离子体的一种非平衡态气体放电。大气压辉光放电之所以不稳定的原因是因为电压足够高时很容易在放电空间击穿气体产生雪崩效应而形成强烈的放电通道，从而放电转化为电弧放电。而当有绝缘介质插入放电空间时，可以有效地阻隔放电通道的形成，抑制电弧放电的产生。1988年Kanazawa等人首次使用氦气DBD放电获得了大气压辉光放电等离子体。并总结了产生大气压辉光放电的三个条件：1、激励源的频率需要在1kHz以上；2、需要双介质DBD；3、必须使用氦气作为放电气体。但是氦气由于使用成本高，也只是在实验室中使用。到了现在，氦气并不是产生大气压辉光放电的必要条件，而高频交流电源驱动的DBD放电成为获得大气压辉光等离子体的最有效方法。

DBD放电同样是采用在电极上施加足够高的电压来击穿放电气体来产生等离子体。由于有了绝缘介质的作用，击穿的气体不会形成强烈的放电通道，而是产生许多细丝状的放电微通道。当放电比较弱时，这些细丝随机地分布在整个放电空间，随着放电电压的增加，细丝越来越多开始自组织地形成固定的图案，称为斑图。继续升高电压，放电变得强烈丝状的放电通道开始扩散，最终形成均匀地辉光放电。由上述分析可以看出，即使是DBD放电要想实现大气压辉光放电条件也是非常苛刻的。若放电电压低，则形成的是丝状的放电，若放电电压过高，仍然会转化为电弧放电。并且由于纺织材料一般不耐高温，放电时不宜温度过高。然而显然这两点要求是矛盾的，电压只有足够高才能保证产生的放电是辉光放电，而高的电压带来的是温度的升高。因此为了在保证辉光放电模式的前提下降低温度，只能通过减小放电间隙的方式。减小放电间隙可以降低气体的击穿电压，从而减少放电时产生的热量。然而这又带来了新问题，减小间隙后辉光放电就更加容易向电弧放电转化。

正是由于这些苛刻的要求，大气压辉光放电虽然有很好的处理效果，但是仍未在工业上有着广泛的应用。现有的DBD放电技术多用于实验室中，无法实现工业级的大面积均匀的大气压辉光放电等离子体。

实用新型内容

本实用新型克服了现有技术的不足，提供一种结构简单的大气压辉光等离子体纺织材料处理装置。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：一种大气压辉光等离子体发生装置，包括沿水平向平行排列的多个石英管，相邻所述石英管紧密接触，每个所述石英管内均插入有丝状电极，所述丝状电极与所述石英管紧密接触，相邻两个所述丝状电极分别与高压交流电源、地相连接，处于最边缘的两个所述丝状电极均与地相连接。

本实用新型一个较佳实施例中，大气压辉光等离子体发生装置进一步包括所述石英管的长度大于所述丝状电极的长度。

本实用新型一个较佳实施例中，大气压辉光等离子体发生装置进一步包括所述丝状电极为铜丝。

本实用新型一个较佳实施例中，大气压辉光等离子体发生装置进一步包括所述石英管的内径为1mm、外径为2mm。

本实用新型一个较佳实施例中，大气压辉光等离子体发生装置进一步包括所述丝状电极的直径为1mm、长度为1m。

本实用新型一个较佳实施例中，大气压辉光等离子体发生装置进一步包括所述高压交流电源采用频率为20kHz、电压幅值为0-30kV可调的高频高压交流电源。

本实用新型一个较佳实施例中，大气压辉光等离子体发生装置进一步包括还包括两个绝缘卡座，每个所述石英管的两端分别穿过两个所述绝缘卡座。

本实用新型一个较佳实施例中，大气压辉光等离子体发生装置进一步包括每个所述绝缘卡座包括卡座体、安装在所述卡座体上的卡板，所述卡座体内设置有凹槽，所述凹槽贯穿所述卡座体。

一种纺织材料处理装置，包括大气压辉光等离子体发生装置，还包括纺织材料传动装置，所述纺织材料传动装置包括放卷辊、收卷辊以及连接在所述放卷辊和收卷辊之间的纺织材料，所述纺织材料位于多个所述石英管的上端。

本实用新型一个较佳实施例中，纺织材料处理装置进一步包括还包括两组滚筒，每组滚筒包括上下相对设置的两个滚筒，两个所述滚筒的旋转方向相反。

本实用新型解决了背景技术中存在的缺陷，本实用新型具有以下有益效果：

（1）采用大气压辉光放电模式，产生的等离子体更加均匀，处理效果优于丝状放电的等离子体；

（2）特殊结构的双介质DBD放电电极设计，抑制电弧放电效果显著，即使在高电压下也不易击穿，为在大气压下产生辉光放电等离子体创造了条件；

（3）放电间隙小，低电压下也不容易形成丝状的DBD放电，有效的降低了产生辉光放电所需的维持电压，大幅地降低了工作温度，解决了电压、温度、均匀性、间隙之间的矛盾；

（4）成功产生米量级均匀大气压辉光放电等离子体，并且等离子体发生装置可以通过并联、级联的方式随意组合从而实现更大的面积，为工业级大规模应用提供了设计思路；

（5）本实用新型可以在较大电压范围内获得大气压辉光放电等离子体，对纺织品这类处理均匀性要求较高的材料具有重大意义，满足大规模纺织品处理加工的需求，效果良好，大大减少纺织产业污染的排放，是一项绿色清洁的新技术。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型的优选实施例的大气压辉光等离子体发生装置的结构示意图；

图2是本实用新型的优选实施例的相邻两个石英管产生等离子体的结构示意图；

图3是本实用新型优选实施例的设置绝缘卡座的结构示意图；

图4是本实用新型的优选实施例的纺织材料处理装置的结构示意图；

图5是本实用新型的优选实施例的电子能量分布函数图；

图6是本实用新型的优选实施例的产生等离子体的形貌图。

具体实施方式

现在结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。

如图1所示，一种大气压辉光等离子体发生装置1，包括沿水平向平行排列的多个石英管2，相邻石英管2紧密接触，每个石英管2内均插入有丝状电极4，丝状电极4与石英管2紧密接触，石英管2紧密包裹在丝状电极4上，相邻两个丝状电极4分别与高压交流电源6、地相连接，处于最边缘的两个丝状电极4均与地相连接，提高安全性。

本实用新型优选石英管2的长度大于丝状电极4的长度。本实用新型优选丝状电极4为铜丝。本实用新型优选石英管2的内径为1mm、外径为2mm，丝状电极4的直径为1mm、长度为1m，当然，石英管2的内径和丝状电极4的直径可以相应作调整，只要满足石英管2紧密包裹丝状电极4，石英管2的长度和丝状电极4的长度也可以相应作调整，石英管2的外径也可以作调整，设置外径小于2mm。一方面，石英管2很细，使得相邻丝状电极4之间距离很小，降低了实现辉光放电的最小电压，另一方面，丝状电极4和石英管2之间紧密包裹，阻断了电弧放电的形成通道，增加了放电间隙的击穿电压，从而在相邻石英管2的缝隙5中产生了空气辉光等离子体，如图2所示，图中的箭头表示的是放电间隙，沿着图2中虚线位置向外，放电间隙越来越大，但即使放电间隙变大了，也不容易产生丝状的放电，因为虚线位置附近放电间隙小可以稳定的维持辉光放电，电流优先从这个区域流过，所以放电间隙大的区域即使放电微弱也是均匀的，不会形成丝状放电通道。

本实用新型优选高压交流电源6采用频率为20kHz、电压幅值为0-30kV可调的高频高压交流电源。

如图3所示，为了便于相邻石英管2之间的紧密接触，本实用新型还包括两个绝缘卡座8，每个石英管2的两端分别穿过两个绝缘卡座8，本实用新型优选绝缘卡座8采用聚四氟乙烯材料制成。每个绝缘卡座8包括卡座体10、安装在卡座体10上的卡板12，卡座体10内设置有凹槽14，凹槽14贯穿卡座体10，石英管2的两端穿过凹槽14，卡板12能够压住石英管2，卡板12可通过两个螺钉16固定在卡座体10上。

如图4所示，一种纺织材料处理装置，包括大气压辉光等离子体发生装置1，还包括纺织材料传动装置，纺织材料传动装置包括放卷辊18、收卷辊20以及连接在放卷辊18和收卷辊20之间的纺织材料22，纺织材料22位于多个石英管2的上端，纺织材料22的传送方向与多个石英管2的排列方向平行。还包括两组滚筒，每组滚筒包括上下相对两个滚筒24，两个滚筒24的旋转方向相反，每个滚筒24均由一电机（图中未示出）驱动，便于纺织材料22的传送。

低温等离子体中含有丰富的离子、高能电子、激发态分子等活性粒子及各种射线，当等离子体与纺织材料接触时，这些粒子就会和纺织材料表面发生相互作用。由于纺织材料一般由大分子聚合物组成，当等离子体中的活性粒子与纺织材料表面相互作用时，会将等离子体中的能量传递到表面聚合物分子中，当活性粒子的能量高于聚合物的键能时，纺织材料表面大分子链会断裂，会微观上呈现出不平整的“粗糙”状态。这一过程的作用深度往往只有几个微米，是非常微观的处理，不会损伤织物本身结构，并且可以达到常规方法难以达到的改性效果，这使得纺织物表面被活化，为进一步加工提供了条件。而这个过程的关键就是等离子体中的活性粒子能量要高于纺织物表面大分子聚合物的键能。常见的大分子聚合物中化学键键能均小于10eV[程曼丽.大气压中频辉光放电等离子体特性研究及其改性纺织纤维：[硕士论文].上海：东华大学，2008.]。由于大气压等离子体电子能量难以直接测量，而大气压等离子体是一种能量高、离子能量接近常温的等离子体，电子能量与低气压等离子体相近，因此我们可以以低气压等离子体的电子能量分布函数[Huang F, Ye C, HeH, et al. Effect of driving frequency on plasma property in radio frequencyand very high frequency magnetron sputtering discharges[J]. Plasma SourcesScience & Technology, 2014, 23(1):184-195.]作为参考，具体见图5，从图5中可以看出电子的最高能量可以达到20eV以上,所以等离子体中的活性粒子有足够的能量可以让纺织物表面大分子断裂，进而发生重连、接枝、共聚或者引入新的官能团等一系列化学反应（这些反应与放电气体种类有关），从而达到表面改性的效果。

开启高压交流电源6即可产生60×1000mm的大面积辉光放电等离子体，实现米量级的大气压辉光等离子体意义重大，证实了工业上大规模应用的可行性。工作时等离子体形貌如图6所示，其中白色部分就是等离子体。经测量，工作时所产生的等离子体温度约为50℃，温度较低适合纺织材料22的处理，并且产生的等离子体均匀性良好，没有局部的丝状放电形成，不会对纺织材料22造成局部灼伤。以羊毛材料为例，仅需处理两分钟，即可使之表面化学键断裂形成微观粗糙状态。测试其吸水性后结果显示处理过后吸水性提高约十倍，可以为后续染色处理提供良好的表面状态，大大减少染色助剂的使用，并且处理过后的材料表面无灼烧点，证明了等离子体的均匀低温性。

因此实验表明，经过等离子体处理过后的纺织材料表面的亲水性、渗透性均有提高，并且染色时无需大量助剂的辅助即可达到很好的效果。

以上依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。

Claims (10)

1.一种大气压辉光等离子体发生装置，其特征在于：包括沿水平向平行排列的多个石英管，相邻所述石英管紧密接触，每个所述石英管内均插入有丝状电极，所述丝状电极与所述石英管紧密接触，相邻两个所述丝状电极分别与高压交流电源、地相连接，处于最边缘的两个所述丝状电极均与地相连接。

2.根据权利要求1所述的大气压辉光等离子体发生装置，其特征在于：所述石英管的长度大于所述丝状电极的长度。

3.根据权利要求2所述的大气压辉光等离子体发生装置，其特征在于：所述丝状电极为铜丝。

4.根据权利要求3所述的大气压辉光等离子体发生装置，其特征在于：所述石英管的内径为1mm、外径为2mm。

5.根据权利要求4所述的大气压辉光等离子体发生装置，其特征在于：所述丝状电极的直径为1mm、长度为1m。

6.根据权利要求1所述的大气压辉光等离子体发生装置，其特征在于：所述高压交流电源采用频率为20kHz、电压幅值为0-30kV可调的高频高压交流电源。

7.根据权利要求1所述的大气压辉光等离子体发生装置，其特征在于：还包括两个绝缘卡座，每个所述石英管的两端分别穿过两个所述绝缘卡座。

8.根据权利要求7所述的大气压辉光等离子体发生装置，其特征在于：每个所述绝缘卡座包括卡座体、安装在所述卡座体上的卡板，所述卡座体内设置有凹槽，所述凹槽贯穿所述卡座体。

9.一种纺织材料处理装置，其特征在于：包括如权利要求1-8中任一项所述的大气压辉光等离子体发生装置，还包括纺织材料传动装置，所述纺织材料传动装置包括放卷辊、收卷辊以及连接在所述放卷辊和收卷辊之间的纺织材料，所述纺织材料位于多个所述石英管的上端。

10.根据权利要求9所述的纺织材料处理装置，其特征在于：还包括两组滚筒，每组滚筒包括上下相对设置的两个滚筒，两个所述滚筒的旋转方向相反。