mm 级常压等离子体中试装置级常压等离子体中试装置及其在纺织材料连续表面改及其在纺织材料连续表面改

性中的应用性中的应用

李驰 1 唐晓亮 1，邱高 1,*

(1、东华大学 )2007 年 8 月 20 日

用于材料表面改性的低温等离子体大都采用放电方式产生。

根据放电产生的机理，气体的压强范围、电源性质以及电极的几何形状、气体放电等离子体主要分为以下几种形式：

1) 辉光放电2) 射频放电3) 微波放电4) 电晕放电5) 介质阻挡放电

低温等离子体的产生低温等离子体的产生

等离子体的工业应用价值等离子体的工业应用价值

对等离子体发生设备的研究从 20 世纪 70 年代开始，美国日本等国陆续研制出用于纺织品处理的等离子体设备。

对于大规模的工业生产而言，低气压等离子体真空系统是必不可少的。

而长期实验室研究表明，用 DBD在大气压下产生的高能高浓度均匀等离子体处理化纤非织物和织物，能有效地使纤维获得表面改性，使得连续化的工业应用有可能得以实现。

Dielectric of PTFE

Ar gas

Textile

Transfer motion system

electrode

HV

改进后的电极结构（侧面图）

实验装置如图所示，将长 1m 的两圆柱形铜质电极平行正对放置，其中一个电极被厚度为 0.5mm 的聚四氟乙烯膜的介质所覆盖。

1 几种常用的介质阻挡放电的电极结构

2 2 导流装置的设计导流装置的设计

导流装置是由有机玻璃制成的气室。气体由钢瓶流出，经过导流片分流向各个方向扩散，再经由三层纱网，使得各个方向的气体流速减缓逐渐均匀，最后经由装置下面宽为 2mm ，长为 1m 的长方形气槽均匀吹入电极之间，

3.1 Q-U3.1 Q-U 李萨如图形法诊断介质阻挡放电功率李萨如图形法诊断介质阻挡放电功率

The experimental arrangement of voltage and charge transfer measurements

1.Power; 2,3.Resistance(R2/R1=1000);

4.Digtial oscilloscope;

5.Capacitor(C=4.5nf); 6.Flowmeter; 7.Gas

bottle; 8.Discharge chamber

6

7

12

53

8

4

Corresponding Q-U Lissajous figure

mmm

Tm

TUfCt

ttU

T

CttItU

TP dUd

d

dU)(d)()(

10 0

• 由图可见，放电功率与放电间隙并非呈线性关系，大约在 1mm ～ 1.

5mm 处存在一个“临界间隙”，在这个临界间隙，放电功率最大。

0

5

10

15

20

25

30

35

0.5 1 1.5 2

放电间距 (mm)

放电

功率

(W

)

U=2.8KV

U=3.1KV

U=3.4KV

U=4.1KV

The relationship between discharge power and discharge gap

4

18

2

6

5

97

3 11

10

介质阻挡放电等离子体光谱诊断的实验装置图

1.Power; 2,3.Resistance(=1000); 4.Digtial oscill

oscope; 5.Current-sampling resistance (R=100Ω);

6. Electrodes; 7.Optical fiber; 8.Flowmeter;9.Ga

s pump; 10.PC; 11.Gas bottle

常压下研究等离子体的方法比较少，光谱诊断算是一种重要的方法

3.2 、常压 DBD 等离子体发射光谱初步诊断

假设在局域热动平衡（ LTE ）条件下，能级分布遵循 Boltzmann 关系，因此同一元素的两条谱线的强度比可表示为：

式中 g1 、 A1 和 g2 、 A2 分别是能级 E1 和 E2 的统计

权重与跃迁几率， k是玻尔兹曼常数， λ1 与 λ2 分别为

谱线 1 与谱线 2 的波长。对上式取自然对数可得：

]/)([exp 12122

211

2

1ekTEE

gA

gA

I

I

21

22

22

11

11 1lnln EE

kgA

I

gA

ITe

3.3 常压 DBD 等离子体发射光谱定量分析

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

20406080

100120140160180200220300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

20406080

100120140160180200220

Inte

nsity

(a.u

.)

Wavelength (nm)

AIR

AIR-Ar

常压 DBD 等离子体发射光谱定性分析

右图是空气常压等离

子体和氩气常等离子

体的发射光谱。

700 800 900

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

Inte

nsi

ty (

a.u

.)

Wavelength (nm)

Ar-air

初步测得电子温度在零点几个电子伏特，但具体的常压介质阻挡放电发射光谱定量分析工作还有待进一步的深入。

3.4 PBT3.4 PBT 合羊毛布处理后的接触角变化合羊毛布处理后的接触角变化

T=60sT=40s

T=0s T=20s

Contact angles of the water drops placed on the PBT treated by

plasma at different time

0 20 40 60 80 10020

40

60

80

100

120

140

wool gabardine

Con

tact

Ang

le (d

egre

e)

Treatment Time (s)

PBT nonwoven

Contact angle of PBT nonwoven and wool gabardine with different DBD treatment periods

3.5 PBT3.5 PBT 处理后的电镜观察处理后的电镜观察

非织造布材料分别经空气、氩气等离子体处理 1 分钟后用扫描电子显微镜拍照。

从上图可见经等离子体处理后， PBT 纤维表面变的粗糙不平，出现了沟槽和凸起等刻蚀的痕迹。由于这些沟槽和凹凸的产生，增加了材料的表面粗糙程度和比表面积，因此材料的润湿性提高。

羊毛处理后的电镜观察羊毛处理后的电镜观察

羊毛纤维表面的鳞片结构，顺鳞片和逆鳞片方向的摩擦系数不同，当无规律的外力作用到毛纤维上时，使得顺向和逆向滑动时摩擦力存在差别 (定向摩擦效应 ) ，容易产生毡缩现象。羊毛的耐热性能很差，处理时放置极板中间极易烧蚀，而用本装置处理，温度较低，就不会产生烧蚀。在工业应用上有很高的价值。

展望展望

• 通过本中试装置对材料初步处理的结果可以看出本装置有一定的工业应用

价值，对于工具体的工业应用还有待于进一步的研究。

ArAr Ar

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