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等离子体射流源处理材料表面研究(1)
2006年8月8日 9:13   作者:东华大学 周荃 徐金洲 张菁 夏磊
 

摘 要:利用介质阻挡放电设计并制作等离子体射流源,通入气体放电产生均匀等离子体,调整气体流速与流量将等离子体吹出放电装置外,装置外等离子体处于通常的大气压下,即可得到大气压下的低温等离子体,将有机物材料置于放电装置喷嘴口附近,通过等离子体中的高能粒子改变材料面化学键,等离子体氧化反应引进了大量的含氧极性基团——羟基、羧基等,使得纤维材料表面的吸水性有明显的提高。并指出低温等离子体技术应用的前景和目前存在的问题。
关键词:等离子体射流源; 低温等离子体; 介质阻挡放电; 含氧极性基团 ;亲水性

一、引言

低温等离子体的特殊性能可以对金属、半导体、高分子材料等进行表面改性。材料表面改性的等离子体改性技术已广泛应用于电子、机械、纺织、生物医学工程等领域。目前,低温等离子体与材料相互作用的研究已经发展成为国际上活跃的领域。研究其相互作用的物理化学过程机理,是发展微电子学、固体表面改性、功能材料等材料领域里的重要课题。低温等离子体高的活性,在室温下可以引起多种化学反应或物理掺杂,而基质材料的本体性能不受影响。等离子体化学气相沉积(CVD)物理气相沉积(PVD)方法已广泛用于制备功能材料,显示出低温等离子体对材料表面改性有着较大的优势。通过低温等离子体表面处理,材料表面发生多种的物理,化学变化,或产生刻蚀而粗糙,或形成致密的交联层,或引入含氧极性基团,使材料的亲水性、粘结性、可染色性、生物相容性及电性能分别得到改善。

低温等离子体技术在有机材料上的应用有很大的优势,它的优点如下①属于干式工艺,省能源,无公害,满足节能和环保的需要;②时间短,效率高;③对所处理的材料无严格要求,具有普遍适应性;④可处理形状复杂的材料,材料表面处理的均匀性好;⑤反应环境温度低;⑥对材料表面的作用仅涉及几到几百纳米,材料表面性能改善的同时,基体性能不受影响。

二、 实验研究

2.1 等离子体射流源的设计

大多数等离子体放电在小于几百帕的低压下发生以对纺织材料进行处理。然而,如果要在工业上对纺织材料表面连续进行处理,这样的系统需要复杂的抽真空设备而且成本很高。从经济角度考虑,就需要发展大气压下产生等离子体的技术。使用常压等离子体放电系统可以降低装置成本、简化操作条件。因此 ,能产生常压等离子体的介质阻挡放电系统为纺织材料表面改性的产业化提供了广阔前景。介质阻挡放电中介质与电极的典型位置关系如图2-2:


图2-2 介质阻挡放电中介质与电极的典型位置关系
1 电极;2 介质;3 高频高压电源

图2-2(a)是很实用的放电结构,常用于制造臭氧发生器,特点是结构简单,而且可以通过金属电极把放电产生的热量散发掉。图2-2(b)的特点是放电发生在两介质层之间,可以防止放电等离子体之间与金属电极接触,对于具有腐蚀性的气体或要产生高纯度等离子体,这种构形具有独特的优点。图2-2(c)可以在介质两边同时生成两种成分不同的等离子体。

本实验中使用改进的图2-2(b)介质阻挡放电形式,放电装置有两个石英套管及内外两个电极构成,内电极与射频功率源耦合,外电极接地。在实验操作中有进一步的改进,为获得均匀的等离子体并有冷却效果最终决定在内套管中以水做正电极,外套管片接地。放电装置如图2-3(a,b)所示:


(a) (b)
图2-3 等离子体放电装置图及原理图

放电电源为等离子体高压脉冲电源,气体由D08-1A/ZM型流量控制器控制;实验检测仪器包括数字荧光示波器(Tektronix TDS3015 500MHz)、OOIBase32型光谱仪,JC200A静滴接触角/界面张力测量仪。本实验中选取两组工作气体,一组为氩气,另一组为氩气和氧气的混合气体,氧气为反应性气体,而氩气为非反应性气体。
 
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