專利名稱：大氣壓等離子體處理纖維束或纖維線繩表面裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大氣壓氣體放電等離子體對材料表面處理的裝置和方法。
背景技術(shù)：
高性能有機(jī)纖維具有高強(qiáng)度、高模量、高彈及耐熱等優(yōu)良性能，作為增強(qiáng)纖維材料在 復(fù)合材料中具有廣闊的應(yīng)用前景，但由于這些纖維材料表面缺乏極性官能團(tuán)，與基體材料 間粘附性能差，因而有必要對其表面進(jìn)行改性以改善與基體材料界面間的粘附性能。目前 采用的處理方法有多種，其中使用氣體放電等離子體處理高分子纖維材料表面替代傳統(tǒng)的 化學(xué)方法，具有節(jié)能和環(huán)保意義。
低氣壓氣體放電非平衡等離子體技術(shù)在材料表面處理方面有著非常成熟的應(yīng)用，但在 諸如聚合物、織物以及紙張等材料表面實(shí)現(xiàn)連續(xù)處理的工藝過程，則需要制造體積龐大的 真空室或采用分級預(yù)真空和高真空的隧道窯式系統(tǒng)，因而給這類應(yīng)用帶來極大的不便，同 時(shí)大大增加了工藝成本；大氣壓氣體放電非平衡等離子體技術(shù)無須配備真空系統(tǒng)，并且可 在裝置結(jié)構(gòu)上進(jìn)行靈活多樣的設(shè)計(jì)，這樣給諸多領(lǐng)域的應(yīng)用帶來了極大的方便，因而大氣 壓氣體放電非平衡等離子體技術(shù)日益引起等離子體物理、化工、環(huán)保及材料處理等領(lǐng)域?qū)W 者與工程技術(shù)人員的濃厚興趣。目前高分子材料表面等離子體處理主要是大面積單面處 理，而作為復(fù)合材料中起增強(qiáng)作用的纖維或纖維束則須全表面處理；此外，由于纖維或纖 維束占空間小，對大面積的氣體放電可利用的放電區(qū)域有限，同時(shí)對于放電輔助性氣體及 反應(yīng)性氣體的消耗也有浪費(fèi)，因而采用大面積放電方法處理纖維或纖維束不利于節(jié)能和降 耗。采用大氣壓等離子體射流技術(shù)也可對纖維材料表面進(jìn)行處理，大批量處理存在如下問 題- 1)大氣等離子體射流溫度高，對纖維表面的燒蝕作用降低纖維的機(jī)械強(qiáng)度，采用放 電輔助性氣體能降低處理溫度，但要保證射流有足夠的射程，需要高流量的氣體，增加了 氣體的消耗；2)等離子體射流面與纖維面向、背向表面的作用有差異，影響處理的均勻 性，從而影響復(fù)合材料中纖維與基體材料間的粘附性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決上述存在的技術(shù)問題，而提供一種大氣壓等離子體處理纖維束或纖維 線繩表面裝置及方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是； 一種大氣壓等離子體處理纖維束或纖維線繩表面裝置，包括普
通玻璃管，石英內(nèi)套管，石英外套管，不銹鋼絲網(wǎng)，高壓電極冷卻水管，其特點(diǎn)是普通 玻璃管內(nèi)同軸套置石英內(nèi)套管和石英外套管構(gòu)成氣體放電等離子體區(qū)，其中在石英內(nèi)套管 的內(nèi)表面或外表面通過真空蒸鍍沉積金屬膜形成高壓電極；石英外套管外表面套接不銹鋼 絲網(wǎng)，并與普通玻璃管之間留有縫隙作水膜夾層，普通玻璃管兩端與石英外套管外壁封接 后構(gòu)成接地電極。
石英內(nèi)套管與石英外管兩端用聚四氟乙烯支撐固定，且保持石英內(nèi)套管與石英外套管
之間的氣體間隙為3.0-6.0mm作為氣體放電等離子體區(qū)；位于石英內(nèi)套管與石英外套管之 間的聚四氟乙烯支撐的同一半徑圓上等間距開有直徑為0. 5-3. Omm的小孔若干對；在石英 外套管一端口附近15.0mm處燒接直徑為6.0mm的進(jìn)氣口，且開口朝向與內(nèi)管表面相切并 與石英外套管軸向成30。；石英外套管外表面套接不銹鋼絲網(wǎng)后與普通玻璃管之間留有的 縫隙為2.0-3.0mm;石英內(nèi)套管中設(shè)有高壓電極冷卻水管，水膜夾層中的水經(jīng)冷卻水導(dǎo)管 流入高壓電極冷卻水管中；氣體放電等離子體區(qū)通過氣體質(zhì)量與流量控制器連接氣瓶；該 裝置的兩端安裝有轉(zhuǎn)繞機(jī)。
本發(fā)明的使用方法是(1)將纖纖維線繩經(jīng)石英內(nèi)套管與石英外管兩端的聚四氟乙烯 支撐的開孔連續(xù)進(jìn)入和穿出氣體放電等離子體區(qū)；(2)將大氣或經(jīng)氣體質(zhì)量流量控制器的 輔助氣體與反應(yīng)氣體的混合氣體，以一定角度射入氣體放電等離子體區(qū)后繞管軸作螺旋流 動(dòng)，并與待處理的纖維或纖維束或簾子線運(yùn)動(dòng)速度方向相反；(3)開啟10-100kHz, 3-10kV 的高頻高壓電源。
其中，纖維束或纖維線繩從聚四氟乙烯支撐的孔中穿過放電等離子體區(qū)，由自動(dòng)穩(wěn)速 轉(zhuǎn)繞機(jī)驅(qū)動(dòng)，以設(shè)定的速度(1-70m/min)進(jìn)行等離子體連續(xù)處理。
本發(fā)明的有益效果是采用上述結(jié)構(gòu)能對纖維束或纖維線繩全表面進(jìn)行處理，明顯改 善纖維束或纖維線繩的表面結(jié)構(gòu)與性能而不會(huì)降低纖維束或纖維線繩的機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)減 少氣體和能量消耗；
在大氣壓放電結(jié)構(gòu)中，由循環(huán)的普通自來水體確保處理系統(tǒng)的較低處理溫度，避免了 高溫(約15(TC)拉伸作用下氣體放電對纖維機(jī)械強(qiáng)度的影響；繞管軸流動(dòng)的渦旋氣流能 有效降低氣體的用量，并使套管夾層中氣體分布均勻(從而產(chǎn)生均勻放電等離子體區(qū))；
通過選擇高壓電極結(jié)構(gòu)(是否面向放電區(qū)、是否條狀)、調(diào)控放電輔助氣體與反應(yīng)氣體組 分配比、放電功率和頻率，對于給定的纖維束或纖維線繩達(dá)到理想的表面處理效果。


圖l是本發(fā)明的系統(tǒng)示意圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)局部剖視圖3是石英套管端口聚四氟乙烯支架的局剖視圖4是圖3中沿A-A的剖視圖5是反應(yīng)器氣體進(jìn)入接口示意圖6是等離子體氣體放電條狀高壓電極示意圖7是圖6的左視圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解i在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù) 人員可以對本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限 定的范圍。
如圖1， 2所示，本發(fā)明的大氣壓等離子體處理纖維束或纖維線繩裝置，包括普通玻 璃管與水膜4，石英內(nèi)套管l，石英外套管2，不銹鋼絲網(wǎng)3，高壓電極冷卻水管6，高壓 電極7 (金屬膜層)，冷卻水導(dǎo)管8，氣體質(zhì)量與流量控制器10和氣瓶，石英套管端口聚 四氟乙烯支架12，轉(zhuǎn)繞機(jī)13。
普通玻璃管與水膜4內(nèi)同軸套置石英內(nèi)套管1和石英外套管2之間構(gòu)成氣體放電等離子 體區(qū)5，其中在石英內(nèi)套管的內(nèi)表面或外表面通過真空蒸鍍沉積金屬膜形成高壓電極7; 石英外套管2外表面套接不銹鋼絲網(wǎng)3,并與普通玻璃管4之間留有縫隙作水膜夾層，普 通玻璃管4兩端與石英外套管2外壁封接后，不銹鋼絲網(wǎng)3與水膜夾層共同構(gòu)成接地電極。
本發(fā)明的的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
(1)內(nèi)、外石英管l, 2作為放電阻擋介質(zhì)，石英管厚度、管徑以及放電間隙的尺寸(在 確保兩管之間氣體間隙為3.0ram 6.0mm的條件下，對內(nèi)、外管的直徑和長度沒有限制)。在 石英內(nèi)套管l內(nèi)或外側(cè)表面(根據(jù)所處理纖維材料的結(jié)構(gòu)和性能選擇)采用真空蒸鍍方法 形成連續(xù)金屬膜作為氣體放電的高壓電極7;石英外套管2外表面套上不銹鋼絲網(wǎng)3，并 用普通玻璃管4套在石英外套管2上，其間有2.0-3.0mm的縫隙作水膜夾層，兩端與石英 外套管2外壁封接，不銹鋼絲網(wǎng)3與水膜夾層共同共同作為接地電極。 (2)水經(jīng)冷卻水導(dǎo)管8進(jìn)入普通玻璃管與石英外套管2的夾層中對外管壁和電極冷卻，而 此時(shí)的外電極實(shí)際上是由局限夾層中流動(dòng)的水膜與不銹鋼絲網(wǎng)3共同構(gòu)成(透明水電極便
于觀察和放電測量)；然后再經(jīng)冷卻水導(dǎo)管8流入高壓電極冷卻水管6內(nèi)(插入內(nèi)石英管l 中)冷卻石英內(nèi)管1壁和高壓電極7;由于高壓內(nèi)電極7對高壓電極冷卻水管6間的電容 要大于高壓內(nèi)電極7和不銹鋼絲網(wǎng)3間的電容，在交流或脈沖高電壓下同軸石英玻璃套管 夾層中的氣體(大氣或其它混合氣體)擊穿形成氣體放電等離子體，(圖l， 2所示)。
(3) 石英內(nèi)、外套管1， 2兩端用聚四氟乙烯支撐12固定，以保持兩石英管之間的氣體 間隙為3. 0 6. 0mm，在聚四氟乙烯位支撐12于兩管間隙的同一半徑的圓上等間距地開有直 徑約為0. 5 3. Omra的小孔若干對，如圖3， 4所示。
(4) 在外石英管一端口附近約15.0mm處燒接直徑為6.0咖的進(jìn)氣口9，開口朝向與內(nèi)管 表面相切并與管軸成30。，如圖5所示。
(5) 高壓電極7也可采用真空蒸鍍方法在內(nèi)石英管內(nèi)或外側(cè)表面形成沿管軸方向平行排 列的有一定寬度的條狀金屬膜層，如圖6， 7所示。
本發(fā)明方法的具體實(shí)施步驟
(1) 將纖維束或纖維線繩穿過上述石英管兩端聚四氟乙烯12的孔洞以及氣體放電等離子 體區(qū)5，在自動(dòng)穩(wěn)速轉(zhuǎn)繞機(jī)13的帶動(dòng)下以各種設(shè)定的速度進(jìn)行表面處理。
(2) 放電輔助氣體或與特種反應(yīng)氣體的混合氣體進(jìn)入放電區(qū)5，并與纖維或纖維束或簾子 線11運(yùn)動(dòng)相反方向以螺旋路徑繞管軸流動(dòng)。
(3) 在以同軸石英玻璃套管l， 2為放電阻擋介質(zhì)的放電管中，管內(nèi)電場沿徑向非均勻分 布，內(nèi)管表面電場最強(qiáng)，放電電流密度高，因而功率密度高。為了減少相鄰放電之間的相 互作用，提高能量利用效率，高壓電極采用沿管軸方向平行排列的有一定寬度的條狀金屬 膜層。
(4) 為了保證高速轉(zhuǎn)繞纖維束或纖維線繩的表面處理效果，則需要增加放電區(qū)軸向長度 和增加電源的放電激勵(lì)頻率，采用上述條狀電極結(jié)構(gòu)可在有限的功率內(nèi)提高能量的利用 率，并由于等效電容量的減小，電源的高端頻率資源也可得到有效利用。本發(fā)明裝置可用 頻率l(TlOOKHz，峰值電壓為3. 0 10. OkV的交流電源。
具體實(shí)施例方式開水閥，水體經(jīng)高壓電極冷卻水管6流入水膜4夾層；接通電源， 套管夾層中的空氣在交流高壓作用下產(chǎn)生氣體放電，形成脈沖等離子體區(qū)5;或者打開氣 瓶開關(guān)和氣體質(zhì)量流量控制器10，氣體從進(jìn)氣接口 9進(jìn)入石英套管放電等離子體區(qū)5並以 渦流繞管軸流動(dòng)，調(diào)節(jié)氣體流量和組成比例，可改變氣體放電等離子體特性；將直徑為 0. 3-3. Omm的纖維或纖維束或纖維線繩11從聚四氟乙烯支撐12的孔中穿過放電等離子體 區(qū)5，由自動(dòng)穩(wěn)速轉(zhuǎn)繞機(jī)13驅(qū)動(dòng)，以設(shè)定速度(l-70m/min)進(jìn)行等離子體連續(xù)處理。
權(quán)利要求
1.一種大氣壓等離子體處理纖維束或纖維線繩表面裝置，包括普通玻璃管(4)與水膜，石英內(nèi)套管(1)，石英外套管(2)，不銹鋼絲網(wǎng)(3)，高壓電極冷卻水管(6)，其特征在于，所述普通玻璃管(4)內(nèi)同軸套置石英內(nèi)套管(1)和石英外套管(2)構(gòu)成氣體放電等離子體區(qū)(5)，其中在所述石英內(nèi)套管(1)的內(nèi)表面或外表面通過真空蒸鍍沉積金屬膜形成高壓電極(7)；所述石英外套管(2)外表面套接不銹鋼絲網(wǎng)(3)，并與普通玻璃管(4)之間留有縫隙作水膜夾層，普通玻璃管(4)兩端與石英外套管(2)外壁封接后，不銹鋼絲網(wǎng)(3)和水膜共同構(gòu)成接地電極。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣壓等離子體處理纖維束或纖維線繩表面裝置，其特征在于， 所述石英內(nèi)套管(1)與石英外套管(2)兩端用聚四氟乙烯支撐(12)固定，且保持石英 內(nèi)套管(1)與石英外套管(2)之間的氣體間隙為3. 0-6. 0mm作為氣體放電等離子體區(qū)(5)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的大氣壓等離子體處理纖維束或纖維線繩表面裝置，其特征在于， 位于石英內(nèi)套管(1)與石英外套管(2)之間的所述聚四氟乙烯支撐(12)的同一半徑圓 上等間距開有直徑為0. 5-3. 0mm的小孔若干對。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣壓等離子體處理纖維束或纖維線繩表面裝置，其特征在于， 在所述石英外套管(2) —端口附近15.0腿處燒接直徑為6.0mm的進(jìn)氣口 (9)，且開口朝 向與內(nèi)管(1)表面相切并與石英外套管(2)軸向成30° 。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣壓等離子體處理纖維束或纖維線繩表面裝置，其特征在于， 所述石英外管(2)外表面套接不銹鋼絲網(wǎng)(3)后與普通玻璃管(4)之間留有2.0-3.0mm 縫隙作為水膜夾層。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣壓等離子體處理纖維束或纖維線繩表面裝置，其特征在于， 所述石英內(nèi)套管(1)中設(shè)有高壓電極冷卻水管(6);所述水膜夾層中的水經(jīng)冷卻水導(dǎo)管(8)流入高壓電極冷卻水管(6)中。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣壓等離子體處理纖維束或纖維線繩表面裝置，其特征在于， 所述氣體放電等離子體區(qū)(5)通過氣體質(zhì)量與流量控制器(10)連接氣瓶。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣壓等離子體處理纖維束或纖維線繩表面裝置，其特征在于， 該裝置的兩端安裝有轉(zhuǎn)繞機(jī)(13)。
9. 一種大氣壓等離子體處理纖維束或纖維線繩表面方法，其特征在于，具體步驟是-1)將纖維或纖維束或簾子線(11)經(jīng)石英內(nèi)套管(1)與石英外套管(2)兩端的聚四氟 乙烯支撐(12)的開孔連續(xù)進(jìn)入和穿出氣體放電等離子體區(qū)(5); 2) 將大氣或經(jīng)氣體質(zhì)量流量控制器(10)的輔助氣體與反應(yīng)氣體的混合氣體，以一定角 度射入氣體放電等離子體區(qū)(5)后繞管軸作螺旋流動(dòng)，并與待處理的纖維或纖維束或簾 子線(11)運(yùn)動(dòng)速度方向相反；3) 開啟10-100kHz， 3-10kV的高頻高壓電源。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的大氣壓等離子體處理纖維束或纖維線繩表面方法，其特征在于， 所述纖維束或纖維線繩(11)從聚四氟乙烯支撐(12)的孔中穿過放電等離子體區(qū)(5)， 由自動(dòng)穩(wěn)速轉(zhuǎn)繞機(jī)(13)驅(qū)動(dòng)，以設(shè)定的l-70m/min速度進(jìn)行等離子體連續(xù)處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種大氣壓等離子體處理纖維束或纖維線繩表面裝置及方法，同軸套置石英內(nèi)套管和石英外套管構(gòu)成氣體放電等離子體區(qū)，石英內(nèi)套管的內(nèi)表面或外表面通過真空蒸鍍沉積金屬膜形成高壓電極；石英外套管外表面套接不銹鋼絲網(wǎng)和水膜夾層構(gòu)成接地電極。本發(fā)明利用同軸石英玻璃套管構(gòu)造介質(zhì)阻擋放電的非對稱電極結(jié)構(gòu)，一方面保證氣體在夾層中具有特定的流層分布，減少氣體的消耗；另方面冷卻高壓電極的自來水經(jīng)導(dǎo)管流入水膜夾層中并與放電管上的不銹鋼絲網(wǎng)構(gòu)成放電管的透明接地電極，有效降低處理溫度。根據(jù)不同纖維材料選擇恰當(dāng)?shù)母邏弘姌O形式、氣體組分、電源參數(shù)和處理速度，對纖維束或纖維線繩表面進(jìn)行高效、低損耗和環(huán)保處理。
文檔編號D06M101/00GK101096820SQ20071004253
公開日2008年1月2日 申請日期2007年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月22日
發(fā)明者菁 張, 徐金洲, 王德興 申請人:東華大學(xué)