工业用常压低温等离子体设备及技术研究.pdf

东华大学 硕士学位论文 工业用常压低温等离子体设备及技术研究 姓名：李驰 申请学位级别：硕士 专业：等离子体物理 指导教师：邱高 20071101 工业用常压低温等离子体设备及技术研究 摘要 本论文根据上海市教育委员会曙光计划资助项目“合成纤维织物介质 阻挡放电连续处理改性”( 项目编号：0 2 s g 2 8 ) ，在课题组已有研究成果 的基础上，对常压介质阻挡放电材料表面处理装置进行改进，设计能够工 业应用的常压介质阻挡放电装置，对材料表面进行处理并取得了预期效果。 本论文对原有平板介质阻挡放电装置进行改进，使其成半封闭式的常 压连续处理装置，在羊毛织物在处理时不会出现烧蚀现象。对本装置产生 的等离子体进行电学参量和光谱诊断结果表明，改进后装置空气放电成分 减少，氩气放电增强，并相应提高了放电功率。利用本装置对羊毛织物进 行表面改性，其润湿性有较大提高，其列s 值明显提高也表明染色性改善。 对改性后羊毛织物的x p s 分析显示，织物表面的化学键成份有较大改变，其 所含亲水性基团的增加正是润湿性能改善的主要原因。 本论文设计出能对材料进行连续化表面改性的米级、常压等离子体介 质阻挡放电装置。利用李萨如图形对常压等离子体进行电学参数测量以测 量装置的放电参数，结果表明提高放电电压能获得更高的放电功率，并且 装置放电有个临界间隙，可产生最佳辉光放电以利于材料表面改性处理。 对装置产生的等离子体进行光谱诊断，发现氩气的特征谱线，并诊断等离 子体电子激发温度。本论文还利用该装置分别处理了羊毛织物和熔喷非织 造布( p b t ) 。结果显示处理后材料的润湿性都有所提高，并且对水接触角 随处理时间增加而减小。改性羊毛织物电镜显示，羊毛表面鳞片结构明显 有被打碎的痕迹，印证了织物防毡缩性能提高的结构改变原因；对改性p b t 熔喷非织造布电镜观察表明，其表面微结构有一定程度的变化。 本论文设计出常压射流等离子体介质阻挡放电装置，通过等离子体发 射光谱诊断分析其电子激发温度，并利用液体温度计测量射流等离子体的 宏观温度，结果表明其电子激发温度和等离子体宏观温度都随着放电电压 的增大而升高，并且都随着放电气体氩气流速增大而降低，在不同位置等 离子体宏观温度也有所差异。等离子体的宏观温度对材料改性过程监控有 着重要的应用价值。利用本装置对羊毛条进行表面处理，结果表明其防毡 缩性能有明显提高。 介质阻挡放电电路工作主要靠阻抗网络匹配的自调节作用进行，本论 文还对介质阻挡放电的频率问题进行了初步探讨，结果表明放电的谐振频 率主要取决于放电电源的配置和介质阻挡放电装置和电源的配置。 关键字：低温等离子体，介质阻挡放电，工业化，大气压，表面改性 t h er e s e a r c ho ft h ei n d u s t r i a l d i e l e c t r i c b a r r i e rd i s c h a r g e ( d b d ) p l a s m ae q u i p m e n ta t a t m o s p h e r i cp r e s s u r e a b s t r a c t i nt l l i sp 印e r i ti sb a s e do np r e v i o u sr e s u l t so fo u rr e s e a r c hg r o u pa 1 1 d s t u d i e so n 也es u r f a c em o d i f i c 撕o nt os ) ，n t h e t i cf i b e r sa n df a b r i c su s i n g a 蚀o s p h 舒cp r e s s u r ed i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a 玛e ”烈o ：0 2 s g 2 8 ) s u p p o n e db y t h e d a 、n p r o j e c t o fs h a n g h a im u n i c i p a l e d u c a t i o nc o m m i s s i o nt 1 1 a t c o n f i g u r a t i o nu s e dt o 仃c 斌m 砷嘶a l s u r f a c eb ya ta t m o s p h e r i cp r e s s u r ei s o p t i m i z e d t h e p r e 、，i o u sd b dp l a s m ae q u i p m e n ti si m p r o v e di i l t b j sp a p e ra n dt 1 1 e w o o lt e x t i l ew o n tb ed a m a g e dw h e ni ti st r e a t e du n d e rt h ep l a s m a t h e e m i s s i o ns p e c t m ll i n e sp l a s m aa ta t m o s p h e r i cp r e s s u r ea n d 也ee l e c t r i c i t y p a r a m e t e r sw e r er e c o r d e d ，m ee l e c t r i c i t yp a m m e t e r so ft h ee ( 1 u i p m e n t i s m e a s u r e da n dm ep l a s m ae 血s s i o ns p e c t r aw e r er e c o r d e d ，t 1 1 er e s u l t si n d i c tt h a t t h ed i s c h a r g ep o w e ro fi m p r 0 v e de q u i p m e n ti sl a 玛e rt h a nm a to ft h ep r e v i o u s e q u i p m e n t ，t h ei n t e n s i t yo f t h ea i rp l a s m af a l l sa n dt h ei n t e n s i t yo fa 玛o np l a s m a i n c r e a s e sa r e rt h ep r e v i o u se q u i p m e n tw a si m p r o v e d t h eh y d r o p l l i l i cp r o p e r t y o fw o o lt e x t i l ea r e r 仃e a t m e n ti n c r e a s e dc o n s i d e r a b l ya n dt h ei n c r e a s e so fm e k sv a l u ei n d i c tm ei n c r e a s e so ft h ec b r o m a t i c i t y t h ex p sa n a l y s e si n d i c tt h a t t h eh 班p 1 1 i l i c i t yo ft h et e x t i l e si n c r e a s e sb e c a u s eo ft h ei n c r e a s eo ft h e o x y g e n c o n t a i n i n gg r 0 1 巾si nt h es u 偷c e an e w a p p r o a c ho fm s c a l ee q u i p m e n tt os u r f a c em o d i f i c a t i o nu s i n gd b d p l a s m aa ta t m o s p h e r i cp r e s s u r ei sp r e s e n t e di n t h j sp 印睨t h er e l a t i o n s h i p s 锄o n gt h o s ee l e c t r i c 时p a r a m e t e r s ，s u c ha sd i s c h a 玛eg a pa n dd i s c h a 略ep o w e r m w h i c hi s 螂u 捌b y “s s 旬o u s 丘g u r eo ft h e o s c i l l o s c o p e ，a r ea n a l y z e d b yu s i n g i m p r o v e dd b de q u i p m e m t h er e s u l t s o f 鼢p e r i m e n t s i n d i c tt 1 1 a tt 1 1 e i m p r o v e m e n t o fd i s c h a 玛e v 0 1 t a g e c a ni n l p r o v e p l a s m ai n t e n s 埘a n dt h e o 5 一1 5 m md i s c h a r g eg a pi so p t i m u mf o rs u r f a c em o d i f i c a t i o no fm a t e r i a l s t h e r e s u l ti so fg r e a ti m p o r t a n c et od i e l e c t r i c b a r r i e rd i s c h a r g ea ta t m o s p h e r i c p r e s s u r ea n di t sa p p l i c a t i o nt os u 矗把em o d i f i c a t i o no ft e x t i l em a t e r i a l s t h e e m i s s i o ns p e c t r a ll i n e so fa 玛o n p l a s m aj e ta ta t m o s p h e r i cp r e s s u r ew e r e r e c o r d e da u l dm ee l e c t r o ne x c i t a t i o nt 锄p e r a m r ew a sa l l a l y z e d t h eh y d r o p h i l i c p r o p e r t yo fw o o l t e x t i l ea l l dn o ! l 、) l ，o v e nf a b r i c s ( p b t ) a r e r 仃i 谢t m e n ti n c r e a s e d c o n s i d e r a b l ya n dt h ec o n t a c ta n g l ed e c r e a s e dw i mt h ei n c r e a s eo ft h e 仃| e a t m e n t p 矗o d t h es e mi m a g e so f w o o lt e x t i l ea n dn o n w o v e nf a b d c s ( p b t ) i n d i c tt h a t t h em i c r o s 仃u 咖r eo ft h es u r f a c eh a db e e nc h a n g e d 疆e r 仃e a t m e n t a 球渐a p p r o a c ht o 瓯时a c em o d i f i c a t i o no fm a t e r i a l su s i n gd b dp l a s m a je t a ta 恤o s p h 耐c p r e s s u r ei sp r e s e n t e di nt h i sp 印e r t h ee 面s s i o ns pe c _ t m ll i n e so f a 玛o np l a s m aj e ta ta t m o s p h e r i cp r e s s u r ew e r er e c o r d e da n dt h em a c r o s c o p i c t e m p 锄r eo fp l a s m ai sm e a s u r 。du s i n gt h e1 i q u i d i n g l a s st h e 功1 0 m e t e r t h e r e s u l t ss h o wm a te l e c t r o ne x c i t a t i o n t 朗叩e 咖】r e a 1 1 dt h e m a c r o s c o p i c t e m p e r a t u r eo fp l a s m ai n c r e a s ew i t hi n c r e a s i n g 印p l i e dv o l t a g ea n dd e c r e a s e w i t l lt h ei n c r e a s i n gf l o wr a t eo ft h eg a s t h em a c r o s c o p i c t e m p e r a t u r eo fp l a s m a i sd i 岱骶n ta tt ：h ed i 保獭m td i r e c t i o n s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a t d b d p l a s m aj e ta ta 衄o s p h e r i cp r e s s u r ei san e wa p p r o a c ht oi m p r o v et h e q u a l 蛔o fm a t 嘶a l s s u 嘞c em o d i f i c a t i o n ，a n ds p e c t r a ld i a g l l o s ei sp r o v e dt ob e a 虹n do fw o r k a b l em e t h o db yc h o o s i n gs u i t a b l e 印p l i e dv o l t a g e a r e rw o o l 仃a t m e n tu s i n ga 唱o np l a s m a j e t ，i t sa 1 1 t i f e l t i n gp r o p e n y 锄e l i o m t e se v i d e n t l y i nt h ep r o c e s so fd i s c h a 玛e ，i m p e d a n c em a t c h i n gn e 觚o r ko ft l l e 、他o l e c i r c u i t 】可i si nt h es t a 把o fs e l f a 由u s t i n go ft h ed e s i g n e dp o w e r t h ed i s c h a 玛e 晚q u e n c yo fp o w e ri sd i s c u s s e di n 锄sp a p e r i ti ss h o w nt h a tt h er e s o n a l l t 仔e q u e n c yi sd e c i d e db yd b ds 眦i n g so f 叩i p m e n ta 1 1 dt h ed i s c h a 玛ep o w e r l ic h i ( p l a s m ap h y s i c s ) s u p e r v i s e db yq i ug a o k e yw o r d s ：l o w t e m p e r a c u r ep l a s i m ( l t p ) ，d i e l e c t r i cb a m e rd i s c h 鹕e ， i n d u s t r i a l i z a t i o n ，a t m o s p h 甜cp r e s s u r e ，s u m 【c em o d i f i c a t i o n v 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学 位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写， 我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：力形 d 日期：少岳年月岁日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：杰炒 日期：懈f 月f 夕日 指导教师签名：歹隔 日期：w 金年f 月了；日 1 1 等离子体概况 上j - 一刖吾 等离子体是由大量的自由电子和高能粒子( 离子、自由基、激发态原子分子) 组成， 且在整体上表现为准电中性的电离气体。在一定条件下，物质的各态之间可以互相转化， 等离子体就是继物质存在的固、液、气三种形态之后出现的第四态物质。等在等离子体 内，高能离子除热运动外，还会产生等离子体振荡，特别是当外磁场存在的情况下，等 离子体运动受到磁场影响和支配，这是等离子体与普通气体的重要区别。整个宇宙中， 约有百分之九十九点九以上的物质处于等离子体态【l 】。 为描述气体放电中产生的电离介质，1 8 7 9 年可鲁克斯( w c r 0 0 1 【s ) 提出了“物质 第四态这个名词，这个常用来描述等离子体状态。1 9 0 6 年瑞丽( l o r dr a y l e i g h ) 分析 原子的汤姆逊模型中的电子振荡时就描述了等离子体态最特殊的性质即长程库仑力使 带电粒子表现出的集体性质。而“等离子体”( p l 嬲m a ) 一词则是1 9 2 9 年汤克斯( t o i l k s ) 和郎谬尔( l o n 舯u i r ) 在研究气体放电中的振荡时，来描述这种带电粒子集合的。人类 研究等离子体的历史是非常短的，约在2 0 世纪3 0 年代初郎缪尔首次提出借用p l 嬲i 姐( 等 离子体) 这个名词来命名气体放电的主体即正负带电粒子和中性原子的混合体。 等离子体中，电离和离子的能量是等离子状态的重要参数，一般用电子温度z 和离 子温度霉来表示。当气体电离成等离子体，由于放电方式和体系压力不同，一般分为 z 和 正两种情况，前者称为平衡态等离子体，即高温等离子体，又称热等离子 体；后者为非平衡态等离子体，又称冷等离子体。在高温等离子体中，电子与气体粒子 的能量相等，如电弧反应、热核反应、激光诱导反应都属于高温等离子体范畴。高温等 离子体整个体系温度非常高( 大于1 0 4 k ) ，在恒星内部，高温产生电离就属于热等离 子。而冷等离子体其电子温度高达1 0 4 k ，1 0 5 k ，而离子和原子之类的重粒子温度却只 有3 0 0 k 5 0 0 k ，又称之为低温或冷等离子体【2 】。低温等离子体依据放电引发机制的不同， 可以分为汤生、电晕、无声( 也叫介质阻挡放电) 、辉光、微波和弧光等离子体等：此外， 根据气压的高低可分为低压低温等离子体( 如：辉光放电和微波放电等离子体等) 和常压 低温等离子体( 如：电晕放电和无声放电等离子体等) 。根据频率又可分为直流放电、 高频放电和微波放电等离子体等【3 】。1 9 5 2 年美国发展受控热核聚变反应堆的方案再次使 工业常压低温等离子设备及技术研究 人们对等离子体学产生了浓厚的兴趣。到2 0 世纪7 0 年代，等离子体物理特别是高温等 离子体物理得以发展并成熟起来，成为物理界公认的一个独立的分支学科【4 】。低温等离 子体物理与技术经历了一个由6 0 年代初的空间等离子体研究向8 0 年代和9 0 年代以材 料为导向研究领域的大转变，高速发展的微电子科学、环境科学、能源与材料科学等， 为低温等离子体科学发展带来了新的机遇和挑战。现在，低温等离子体物理与应用已经 是一个具有全球影响的重要的科学与工程，对高科技经济的发展及传统工业的改造有着 巨大的影响。离子体辅助加工被用来制造特种优良性能的新材料、研制新的化学物质和 化学过程，加工、改造和精制材料及其表面，具有极其广泛的工业应用一从薄膜沉积、 等离子体聚合、微电路制造到焊接、工具硬化、超微粉的合成、等离子体喷涂、等离子 体冶金、等离子体化工、微波源。 介质阻挡放电等离子体 1 2 1 介质阻挡放电等离子体的产生与应用 d b d 是将绝缘介质插入放电空间的一种气体放电，这是一种典型的非平衡态的交流 气体放电。介质阻挡放电不像空气中的火花放电那样会发生巨大的击穿响声，故又称无 声放电。介质的位置比较自由，可以覆盖在电极上，也可以悬挂在放电空间里。当在放 电电极间施加一定频率的交流电压时，电极间的气体就会被击穿产生介质阻挡气体放 电。在大气压或高于大气压条件下，间隙内的气体放电由许多在时间上和空间上随机分 布的微放电构成，这些微放电的持续时间很短，一般为纳秒量级。由实验观察，微放电 通常呈现一些相当均匀的圆柱型微通道，每一个微通道就是一个强烈的流光放电击穿过 程，带电粒子的输运过程及等离子体化学反应就发生在这些微放电通道内。因此一些研 究者将微放电作为d b d 等离子体的主要特性，并通过研究微放电的性质来研究d b d 等离 子体的整体特性。可广泛应用的介质阻挡放电，其明显的优势在于可在常温常压条件下 生成非平衡等离子体。介质阻挡放电提供了高能量的电子，这些电子可以产生原子等粒 子，事实证明，若改变装置的几何形状、气体混合比例及操作方式，将会使放电产生很 大改变，这些参数在经过成比例放大后，放电不会出现任何问题，所以可适用于大型生 产之要求，通常，放电的形式为细丝状。在特殊情况下会呈片状的。 2 东华大学硕士毕业论文 1 2 2 介质阻挡放电的物理过程 从d b d 的物理过程来研究，电源电压通过电介质电容耦合到放电间隙形成电场，空 间电子在这一电场作用下获得能量，与周围气体发生非弹性碰撞，电子从外加电场取得 能量转移给气体分子。介质阻挡放电的物理过程通常分为放电的击穿，电荷的传递，分 子或原子的激发三个阶段。气体被激励后，发生电子雪崩，出现了相当数量的空间电荷。 它们聚集在雪崩头部，形成本征电，再与外加电场叠加起来形成很高的局部电场，在新 形成的局部电场作用下，雪崩中的电子得到进一步加速，使放电间隙的电子形成空间电 荷的速度比电子迁移速度更快，形成了往返两个电场波，电场波向阴极方向返回时更强， 这样一个导电通道能非常快地通过放电间隙形成大量微细丝状的脉冲流光微放电。它们 很均匀、漫散和稳定，彼此孤立地随机发生在不同地点。当微放电通道形成以后，空间 电荷就在通道内输送并累积在电介质表面产生反向电场而使放电熄灭，形成微放电脉 冲。在一定范围内，微放电的数量随供电电压及频率的增加而增加。可见电介质的分布 电容对于微放电的形成起着十分重要的镇流作用【5 】。由于电介质的存在，有效地限制了 带电粒子的运动，防止了放电电流的无限制增长，从而避免了在放电间隙内形成火花放 电或弧光放电；另一方面，电介质的存在可以使微放电均匀稳定地分布在整个放电空间 内，便于在高气压条件下获得大体积的低温非平衡等离子体，是其能在工业上获得广泛 应用的前提。介质阻挡放电已经成功应用于工业臭氧生产大约有一百年左右。近十几年 特别是近几年，介质阻挡放电在国内许多领域进行了广泛的应用，各个领域对这种放电 方式的研究也方兴未艾。 1 0 低温等离子体的应用 1 3 1 环境保护方面的应用 2 0 世纪6 0 年代形成的等离子体化学是涉及高能物理、放电物理、放电化学、反应工 程学、高压脉冲技术等领域的一门交叉学科。进入8 0 年代后，将等离子体用于处理各类 污染物成为国内外研究的热门之一。与其他污染治理技术相比，等离子体法具有处理流 程短、高效率、低能耗、适用范围广等特点。等离子体既可用于处理废气又可用于处理 废水、固体废物、污泥、甚至放射性废物等。低温等离子体能产生几个电子伏特的电子， 轰击解离污染物。采用低温等离子体分解气体污染物时，数万度的高能电子与气体分子 3 工业常压低温等离子设备及技术研究 ( 原子) 发生非弹性碰撞，将能量转换成基态分子( 原子) 的内能，发生激发、离解、电离 等一系列过程使气体处于活化状态。电子能量较低时，产生活性自由基，活化后的污染 物分子经过等离子体定向链化学反应后被脱除。当电子平均能量超过污染物分子化学键 结合能时，分子键断裂，污染物分解。在低温等离子体中，可能发生各种类型的化学反 应，这主要取决于电子的平均能量、电子密度、气体温度、污染物气体分子浓度及共存 的气体成分【6 】。大连理工大学赵志斌等人【7 】进行的脉冲放电脱除烟道气中的n o 和n 0 2 的 研究表明，在烟道气在反应器中停留时间为5 1 9 s ，烟道气单位体积注入能量小于4 w m 一 条件下，n o 和n 0 2 的脱除率分别为4 2 和2 9 。“j h l g 等人用d b d 放电产生非平衡等离 子体处理模拟言道废气，结果得出除去每公斤s 0 2 需要耗电7 5 k w h 【引。s 蚰w a n m j n g 等 人也用d b d 放电处理s 0 2 和n 0 2 ，在s 0 2 、n 0 2 的起始浓度分别为4 0 0 p p m 、1 0 0 p p 啦时得 到了9 9 的去除率嗍。浙江大学的黄立维等人【1 0 】利用脉冲电晕放电处理低浓度甲苯废 气，在线管式反应器中，甲苯的降解率达到8 1 ，能量利用率为8 1 4 删h ) 。 1 3 2 材料表面改性方面的应用 低温等离子体中的电子、离子、自由基等各种粒子均有很高的能量，高分子材料在 低温等离子体作用下，表面分子链部分断裂，引起表面可是或者表面粗糙化、交联反应、 化学修饰或等离子体聚合，使高分子材料表面的物理及化学性能发生变化。低温等离子 体技术被广泛因用于树脂、塑料、复合材料、制药、航空、金属、陶瓷等行业当中，改 善的性能包括润湿性、结合性、协调保护性、生物相容性杀菌、润滑性和强有力的化学 亲和性等。s b h 0 诎等【l i 】研究了高密度乙烯和聚丙烯薄片经过直流辉光放电处理后对 钢材粘合度改进的情况。结果表明，处理后的聚合物对水和甲酰胺的接触角降低，表面 能显著增加，对钢材的粘合度提高5 7 倍。另有特氟隆经过等离子体处理后，可以进行 金、银金属涂层并达到1 0 0 粘合，即使在水中浸较长时间也不会脱掣屹】。n d u i i l i 缸镪c i l 等【l3 】研究用氦电晕放电处理p v c ，使p v c 表面特性改变，适用于生物医学应用并有环境 友好等特点。c h b a q u d l 4 】等成功用低温等离子体使e p t f e 表面活化，并使低聚肽物质 固定在其上，其表面功能化，对人类脐状血管内壁细胞的黏附性大大提高，可做生物相 容性材料。柯勤飞等【b 】研究用低温等离子体引发丙烯酸在聚对苯二甲酸丁二脂( p b t ) 熔喷非织造布上接枝发现，接枝后的p b t 润湿性明显改观，可达到血液用过滤材料的要 求。 4 东华大学硕士毕业论文 1 3 3 低温等离子体工业设备的开发 随着低温等离子体应用的日益广泛，低温等离子体工业设别的开发被越来越多的关 注起来。应用途径不同，等离子体设备种类也有所不同。按照等离子体放电方式不同， 这些设备分为低压辉光放电等离子体处理设备和常压放电等离子体设备。 辉光放电低温等离子体处理设备主要有射频发生器、反应室、电极、压力表、气体 流量计、气瓶、真空泵等组成。电极或安装在反应室外部或安装在反应室内部。国外已 经有将实验室小型等离子体处理设备放大应用于处理织物、薄膜等。间歇性的设备容易 保持真空状态，但效率比较低。而连续型的设备则需要缓冲区不断抽真空，大大提高了 处理成本。1 9 8 6 年前苏联伊万诺夫的n i 出i l i 研究所开发了的一台供织物用的等离子体机 组u p c h 1 4 0 ，加工幅宽为1 4 0 c m ，处理的最佳压力为5 0 1 5 0 p a ，另一台l i ，c h 一1 8 0 s h 型等离子体用于羊毛方巾印花前处理，可取代氯化处理。而，r - 1 8 0 型等离子设备容量 更大，自动化程度更高，辊筒宽1 6 5 锄，直径1 1 4 锄，可处理羊毛、丝绵等各种纺织品。 日本山东铁工研制出了连续式等离子体处理设备，用于织物的连续退浆煮练。该设备工 作幅宽达1 8 0 c m ，最大处理速度可达7 0 i l 洳恤。 而大气压放电低温等离子体设备则不需要真空系统，可以比较容易达到连续性处 理，有利于工业化的在线加工。1 9 9 9 年爱尔兰研制出的a p 一1 0 0 就是连续的工业化等离 子体设备，它成功的应用于处理塑料、聚合物、树脂、木板织物等材料改善了其润湿、 涂层性；粘合性；杀菌、杀毒性，防水、防火等性质。德国也成功研制除了用含氧等离 子体处理织物的大气压等离子体设备，此设备已经发展成能加工2 m 以上的宽幅纺织品。 美国的i b m 公司捐赠1 0 0 0 万美元以上资金给予北卡罗尼纳州大学材料科学与工程系建 立了一个等离子体中心，用来开发等离子体的有关设备【1 6 】。 1 4 传统等离子体设备存在的主要问题 低压辉光放电低温等离子体处理设备必须有真空系统，导致设备费用增加、生产效 率降低。目前仅有两家公司可以提供真空的等离子体织物卷装进出连续处理装置，一家 是美国加利福尼亚的m 咖1 i i l e 公司，另一家是美国的赴rc o a t i n g 公司。这些投资设备昂 贵，从而大大增加了处理成本，使得低压等离子设备难以推广 而常压等离子体放电中的介质阻挡放电等离子体设备，由于其不需要真空设备，不 但更易于工业化的连续处理，更降低了处理成本，成为最具应用潜力的设备。然而，在 5 工业常压低温等离子设备及技术研究 处理纺织品时，有时候会导致纺织品严重损伤。主要原因是，当纺织品通过放电区域时， 放电电荷在材料表面沉积，改变间隙中的局部电场，当电压反相时，电场局部增加。另 外在空气中不稳定的丝状放电电流过大时也会烧蚀材料。 等离子体处理设备相当复杂，工业等离子体设备仍处于初始和发展阶段，为了使等 离子体在工业中推广应用，还需要研制出更高性能、成本较低的等离子体连续处理设备。 1 5 课题研究的意义和目标 本课题研究小组在d b d 等离子体放电及其对材料表面改性应用方面工作已有多年， 率先在国内研制成可用于连续处理纺织材料的常压d b d 等离子体放电装置，装置见图 1 1 。课题组经过多番努力，在理论和应用方面取得了一系列进展，积累了经验和实验 数据，用开发的等离子体装置对血液过滤材料p b t 熔喷非织造布和涤纶等进行表面改性 处理，结果表明：血液过滤材料的润湿性不仅得到了改善，而且性能持久稳定。而利用 d b d 对涤纶的表面改性，也大大的改进了其染色性甜1 7 。1 8 】。这些都是进行课题工作的研 究依据。 图1 1 连续处理纺织材料的常压d b d 等离子体放电装置 本文的主要目标是在之前研究的基础上，针对以前装置存在的不足，进一步改良出 更加合适的等离子体装置；另外设计出适合工业应用的能进行连续处理的常压介质阻挡 放电装置，并研究装置在材料改性方面的效果：探索放电装置的电路特性和产生的等离 子体的特性，进一步优化放电参数。 6 东华大学硕士毕业论文 二介质阻挡放电等离子体研究 2 1 电荷电压法李萨如图形测量d b d 等离子体放电参量的原理 由于在不同的交变电压下，介质阻挡放电的特性有所不同，通常可分为低频介质阻 挡放电和高频介质阻挡放电两种。前者的频率范围为5 0 h z 1 0 k h z ，后者的频率为l o o l 【h z 以上。这两种介质阻挡放电分别可等效为如图2 1 和图2 2 所示电路： 电 源 电 源 图2 1 低频介质阻挡放电图2 - 2 高频介质阻挡放电 气体放电过程可以看成等效电容器的充放电过程。要计算c g 和c d 的大小，需要 测量放电过程中所传输的电荷和反应器两端的电压。测量电容c o 用以量放电传输的电荷 q ，测得的q 值即为反应器所传输的电荷量。当发生放电时，测得c o 两端的电压u 0 ，则 有q 声c o u o 。把反应器上测得的电源电压u 和u o 分别加在示波器的x - y 轴上就可以得到 一个近似为平行四边形的李萨如图形，如图2 3 所示【1 9 1 。其中u o 坐标即为电荷坐标。当 电压增加到使放电发生时，电压电荷的李萨如图形即为近似为平行四边形的图形。李萨 如图形的四条边分别对应着一个周期内介质阻挡放电的四个工作阶段。一个四边形即对 应一个放电周期内的变化。图2 3 中a b 、c d 为微放电发生阶段，在这个阶段内，放电气 隙被击穿，放电空间分布微放电脉冲，此时c g = 0 ，而b c 、d a 边为微放电截至阶段， 此阶段反向电流为回警电容进行充电，回路间电容为c = 器，b c 、。a 边的斜率 大小正比于总电容c 。通过电压电荷的李萨如图形可以方便的计算出放电的功率。即功 率【2 0 1 为 p = ；r 阢，一l ，= ；r u c o 警破= g 厂扣玑( 2 ，) 7 工业常压低温等离子设备及技术研究 放电过程中经过如图2 _ 4 所示的电路测量，理论上在示波器上会显示李萨如图形， 在测试中放电电压波形通过由电阻r 2 和r 3 构成的高阻分压器来测量，实际测量为了解决 高频高压问题，使用了1 0 0 0 ：l 的高压探头测量电压。放电的电荷通过在放电回路上串 联一个电容器c m 获得。 实验条件下测得的功率除了包含放电功率外，还含有在电路中损耗的一部分功率。 因而实测功率是输入到反应器的功率，不是单纯的放电功率。实际条件下，这一部分电 路中损耗的功率是不可避免的。 谒。 l e 夕 1 一 。 氐纱 d 6 7 图2 - 4 测量放电功率的实验电路图 l 电源；2 ，3 电阻( 马毛= 1 0 0 0 ) ：4 数字示波器；5 电容；6 流量计；7 气瓶；8 放电区域 2 2 等离子体发射光谱诊断原理 电子温度是等离子体的基本参数之一，其诊断技术的发展对常压等离子体材料改性 的研究有着非常重要的实际意义【2 1 1 。由于气体放电中的光发射谱线是与等离子体的电子 温度有关，因此通过测量等离子体发射光谱，可以来确定它的电子温度。采用等离子体 8 东华大学硕士毕业论文 局部热平衡近似，同一元素两条光谱线强度的比值可表示为【2 2 。2 5 】 丢= 鲁鲁鲁唧c 一气手， q 2 ， 厶4g ： 一红7 、 式中丑和如是谱线l 和谱线2 的波长，g 。、4 和g ：、4 分别为能级互和易的统计权重与跃 迁几率。对式( 2 2 1 ) 式取自然对数可得电子温度 红娟倒户籍乩争 眩2 通常，不同方式产生的等离子体因场强、压力、温度条件不同，其活性粒子密度及 稳定性都不同，一般弧光放等离子体因其高温而不适合纺织纤维的处理，低温等离子体 是在高压和高频电场作用下进行辉光放电而使部分气体分子被电离，产生高温的电子在 常温或接近常温的气体中穿梭运动并发生碰撞2 6 1 。 2 3 红外测量温度的原理 低温等离子体在材料改性方面已经取得了许多比较大的进展【2 7 1 ，但由于一些材料 ( 如羊毛) 的耐热性比较低，过高的温度容易造成表面烧蚀，所以等离子体宏观( 离子) 温度的测量也对材料表面改性有着重要意义。试验中采用红外温度计测量被处理材料表 面的温度。 红外测量等离子体宏观温度是利用了黑体辐射原理，因其具有非接触的特性，在对 有一些距离的物体进行温度测量时，具有可靠、方便等优势，对它进一步的研究，无论 是在军事上，还是在其它国民经济领域里，均具有非常重要意义【2 羽。在给定温度和波长 的条件下，物体发射的辐射能有一个最大值，这种物质称为黑体，并设定其反射系数为 1 ，其它的物质反射系数小于1 ，称为“灰体 ，由于黑体的光谱辐射功率最( 旯d 与绝对 温度t 之间满足普朗克定型2 9 】 以加2 芳岛 ( 2 3 1 ) 其中只( 名d 为黑体的辐出度，z 为波长，t 为绝对温度，c l 、q 为辐射常数。根据斯 特藩一玻耳兹曼定理【2 9 3 0 】：黑体的辐出度只( r ) 即黑体表面单位面积上所发射的各种波 长的总辐射功率与温度t 的4 次方成正比，即 忍( d = 刃4 ( 2 3 2 ) 式中仃为斯特藩常数，t 为热力学温度。相同情况下，物体辐射的功率总是小于黑体的 9 工业常压低温等离子设备及技术研究 功率，它们之比被称为物体的“单色黑度”，即 s ( 兄) = p ( 乃忍( d( 2 3 3 ) 对于不同的物质，其单色黑度占( 允) 也是不同的。只有黑体的占( 兄) 为1 ，而一般“灰体 o s 1 由( 2 3 2 ) 、( 2 3 3 ) 可得所测物体的温度 t= 厩 ( 2 3 4 ) 实验中，为了便于常压喷射等离子体材料表面改性过程的可控性，检测等离子体喷射改 性材料的表面温度就显得相当重要。同时，通过测量改性材料的表面温度可大致掌握常 压喷射等离子体宏观温度的变化情况。实验中采用的红外温度计理论上在环境温度为 3 0 0 k 左右，对从3 0 0 k 至4 0 0 k 的目标温度进行测量时，产生的能量误差为1 1 左右【3 1 1 。 l o 东华大学硕士毕业论文 三平板形介质阻挡放电等离子体装置的改进 3 1 传统平板处理方式及其存在的问题 本实验室在d b d 等离子体放电及其对材料表面改性应用方面工作已有多年，率先在 国内研制成可用于连续处理纺织材料的常压d b d 等离子体放电装置，装置如图1 1 。本 课题组经过努力，在理论上对介质阻挡放电的光谱特性、放电参数等一系列放电特性进 行了深入的研究，并且在国内率先开发出可连续处理的常压介质阻挡放电装置，在对材 料改性上更是取得了一系列的成果，如在聚丙烯纤维和p b t 非织造布的润湿性的改善以 及涤纶的染色性改善上都取得了良好的效果。 如图l 一1 所示，由于这种处理方法是使材料通过极板中间，对于一些耐热性较差的 材料，如羊毛织物，在处理过程中很容易因温度过高导致烧蚀。另外由于放电是在常压 下进行的，在空气中极易产生不稳定的丝状放电，由于电流过大而造成织物的穿孔。 3 2 改进的平板放电电极 我们将平板电极进行了改造，用玻璃将放电电极周围三个方向堵住( 不完全) 使其 成为半封闭式的电极，并采用陶瓷管从一个未封住的方向向放电区域进气，氩气通过陶 瓷管进入极板之间。这样能够保证放电区域有充分的氩气，减少空气的岔量，使得放电 均匀稳定，不容易烧蚀织物。改进后的电极如图3 1 所示。 图3 1 改进的常压d 肋等离子体放电装置 i 业常压低滥等离r 世备段技术研宄 利用卜述改进装嚣处理的羊毛织物则没有出现穿孔或烧蚀的现象，证叫埘这个电极的改 进是有效的。 3 _ 3 改进的平板介质阻挡放电装置放电参数的测量 麓圈 目3 2 朱改进装置放l u 的李萨如图形 1 5 | 3 3 改进装置放电的孝萨如图彤 如图2 4 所示搭建电路( 选择串联电容为0 4 5 u f ) ，氖气为放电气体，测最装置在不 司电压下的李萨如图形，通过图形面积计算出放电功率。罔3 2 是术经改进的放电装置 在放电间距为3 m m 、放屯电压为1 1 k v 、氩l 流谜为4 “巾n 条件下，测得的李萨如罔形， 罔3 3 是在同样条件下，利用改进的装置进行测量的李萨如图形。从两罔对比可以看 1 在相同放电条件下，改进装置的李萨如图形面积比末改进装置的大，也就是醴千 i 同条件 下改进装簧的放电功率比未改进的放电功率更大采用式2 21 计算得到未改进装置的放 电功率约为3 7 w ，改进后装置的放电功率约为5 5 w ，改进后功率提高了4 8 左右。原因 主要是由于氩气的击穿电j 土比空气安低，改进装置能够史充分利用氩气，其巾放电电流 比空气更大，所以放电功率也比空气更人。而从放电状况柬看，改进前装置中的空气放 电不稳定，导致小稳定的强电流丝产生，这也足这种装置更容易烧蚀织物的土要原因， 而经过改进后，氩气放 b 均匀，不容易产生丝状放电，所以处坪过释中水易损坏织物。 东华大学硕士毕业论文 3 4 改进的平板介质阻挡放电产生等离子体发射光谱诊断 图3 4 介质阻挡放电等离子体光谱诊断实验装置图 1 电源；2 ，3 电阻( r b = 1 0 0 0 ) ；4 数字示波器；5 采样电阻 a r = 1 0 0q ) ；6 电极；7 透镜；8 流量计：9 光纤；l o 电脑；l l 气 瓶；1 2 陶瓷管 图3 5 是用改进前后装置在氩气条件下，在放电电压为1 2 k v ，电极间距为3 m m 时放 电拍摄的谱图。其中a 是当放电装置改进前拍摄到的放电谱图，图中可以看出，经过氩 气放电的条件下，能观察到几个明显的峰，经分析，其中包含了3 0 0 5 0 0 m 波长范围的 空气放电特征峰，也包含了氩气的几个特征峰：6 7 4 3 9 眦，7 5 0 3 9 n m ，7 6 3 5 l n m ，8 1 1 5 3 等。图b 是装置改进后相同放电条件下拍摄到的光谱，经过对比可以发现装置改进后空 气放电谱线强度明显下降，而氩气谱线强度稍有增加，说明装置改进后参与放电的空气 明显减少，氩气放电增加，这与在功率分析中得出