專利名稱：一種大氣壓微放電等離子體處理材料表面的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及纖維材料表面處理領(lǐng)域，特別是涉及一種大氣壓微放電等離子體處理材料表面的裝置及方法。
背景技術(shù)：
高性能纖維材料由于其高比強(qiáng)度、高比模量等優(yōu)點(diǎn)，是輕質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料骨架增 強(qiáng)材料的首選。由于高強(qiáng)高模聚乙烯(UHMPE)、聚-ρ-亞苯基對(duì)苯二甲酰胺(PPTA)、熱致液 晶聚合物(TLCP)、聚-ρ-亞苯基-苯并二噁唑(PBO)、聚-ρ-亞苯基-苯并二噻唑(PBT)、碳 纖維等高性能纖維表面光潔，缺少微納米圖案結(jié)構(gòu)，缺乏活性基團(tuán)，自由能低，因而導(dǎo)致浸 潤(rùn)性能不好，影響纖維與樹脂的粘附性，以及復(fù)合材料的力學(xué)特性。目前有各種物理化學(xué)處理方法被應(yīng)用于這些高性能纖維表面特性的改進(jìn)。如 SilversteinM. S.等在“酸刻蝕的超高分子量聚乙烯纖維表面性能與粘結(jié)性之間的關(guān) 系，，“Relationshipbetween surface properties and adhesion for etched ultra high molecular weight polyethylenefibers，， (Composites Sciences and Technology，1993， 48 (1-4)，151-157)的文章中介紹了用鉻酸試劑處理UHMWPE纖維的表面改性方法，發(fā)現(xiàn)經(jīng) 鉻酸處理后，雖然UHMWPE的表面粘結(jié)性能提高了 6倍，但該方法使纖維受到了腐蝕，對(duì)纖維 強(qiáng)度影響很大?？梢娀瘜W(xué)處理方法較易損壞聚合物本體基質(zhì)，并造成對(duì)環(huán)境的污染。大部分纖維的直徑在幾十微米，而等離子體放電處理的方法可以只在納米量級(jí)影 響纖維表面，適合于纖維的表面處理。如CN1259759和ZL99218828. 8公開了織物低氣壓等 離子體處理裝置，但是這兩個(gè)裝置需要昂貴的真空系統(tǒng)，體積比較大，不利于工業(yè)連續(xù)化生 產(chǎn)。介質(zhì)阻擋放電能在大氣壓下或高于大氣壓下產(chǎn)生大體積、高能量密度的低溫等離 子體，是一種典型的非平衡態(tài)氣體放電。不需要真空設(shè)備就能在較低的溫度下獲得等離子 體應(yīng)用中所需的各類活性粒子，相對(duì)于低氣壓放電具有更廣闊的應(yīng)用前景，因此近年來(lái)受 到國(guó)內(nèi)外研究人員的廣泛重視。目前常壓介質(zhì)阻擋放電處理材料表面工作頻率一般在IK至100K范圍，每半個(gè)時(shí) 間周期只產(chǎn)生一次或幾次放電過程，放電溫度低，相應(yīng)獲得的等離子體密度(放電強(qiáng)度) 低。而隨著激發(fā)電壓的提高，等離子體一般表現(xiàn)為在時(shí)間上和放電空間中隨機(jī)分布的大量 具有高能量密度的細(xì)絲狀放電電流形式，放電的絲狀通道時(shí)間和位置不可控，呈現(xiàn)游走性， 不能充分利用能耗，易造成對(duì)纖維的熔斷性損壞，限制了工業(yè)應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種大氣壓微放電等離子體處理材料表面的 裝置及方法，可在連續(xù)運(yùn)行的纖維薄膜材料表面均勻?qū)胛⒓{米圖案結(jié)構(gòu)，克服現(xiàn)有常壓 介質(zhì)阻擋放電裝置放電細(xì)絲的隨機(jī)時(shí)空分布導(dǎo)致的纖維處理不充分現(xiàn)象。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供一種大氣壓微放電等離子體處理材料表面的裝置，包括氣室、電極陣列面、樣品支撐架、牽引裝置和高壓電源，所述的氣室 一端設(shè)有進(jìn)口，另一端設(shè)有出口 ；所述的氣室的側(cè)面上設(shè)有輸氣口 ；所述的氣室內(nèi)部設(shè)有 所述的樣品支撐架；所述的樣品支撐架的位置與所述的進(jìn)口和出口相對(duì)應(yīng)；所述的樣品支 撐架上下分別設(shè)有至少兩個(gè)電極陣列面，其中，在所述的樣品支撐架上方的電極陣列面稱 為上電極陣列面，在所述的樣品支撐架下方的電極陣列面稱為下電極陣列面；所述的上電 極陣列面與下電極陣列面相互平行，并且一一對(duì)應(yīng)；所述的電極陣列面由并行排列的至少 二十根電極-介質(zhì)管構(gòu)成；所述的上電極陣列面的電極-介質(zhì)管在同一端用電壓線相連； 所述的電壓線與所述的高壓電源相連；所述的下電極陣列面的電極-介質(zhì)管在同一端用接 地線相連；所述的接地線接地；所述的牽引裝置包括相互連接的滾輪和步進(jìn)電機(jī)；所述的 進(jìn)口處和所述的出口處均設(shè)置有所述的滾輪。所述的大氣壓微放電等離子體處理材料表面的裝置的電極-介質(zhì)管由金屬棒狀電極同軸套在介質(zhì)阻擋管內(nèi)構(gòu)成；所述的金屬棒狀電極緊密貼合所述的介質(zhì)阻擋管的內(nèi) 壁；所述的介質(zhì)阻擋管由絕緣材料或半導(dǎo)體材料制成；所述的金屬棒狀電極由良導(dǎo)體材料 制成。所述的介質(zhì)阻擋管管壁厚度為0. 1-3. Omm,內(nèi)直徑為0. 101-2. OOlmm ；所述的金屬 棒狀電極的直徑為0. 1-2. 0mm。所述的絕緣材料為陶瓷、或玻璃、或聚四氟乙烯；所述的良導(dǎo)體材料為不銹鋼、或 銅、或鋁、或鐵、或鎢銅合金。所述的大氣壓微放電等離子體處理材料表面的裝置的上電極陣列面和下電極陣 列面由聚四氟乙烯支撐定位；所述的上電極陣列面和下電極陣列面之間保持3. 0-20. Omm 的間隙。所述的大氣壓微放電等離子體處理材料表面的裝置的樣品支撐架兩端延伸出所 述的進(jìn)口和出口 ；所述的樣品支撐架由絕緣耐高溫材料制成。所述的大氣壓微放電等離子體處理材料表面的裝置的氣室的進(jìn)口和出口為夾縫 狀。所述的大氣壓微放電等離子體處理材料表面的裝置的上電極陣列面與下電極陣 列面的電極_介質(zhì)管軸向夾角為0-180度。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是還提供一種大氣壓微放電等離子體 處理材料表面的方法，包括以下步驟(1)將樣品通過滾輪和氣室中的樣品支撐架，進(jìn)入穿出上下電極陣列面之間；(2)將輔助氣體或摻入反應(yīng)氣體的輔助氣體通過與氣體質(zhì)量流量控制器相連的輸 氣口注入氣室；(3)打開激勵(lì)頻率為1-500KHZ，峰值電壓為1-20KV，功率為1-3000W的交流或脈沖 高壓電源，在上下電極陣列面之間形成等離子體區(qū)域；(4)開啟步進(jìn)電機(jī)，以設(shè)定的l-70m/min速度對(duì)樣品進(jìn)行等離子體連續(xù)處理。所述的大氣壓微放電等離子體處理材料表面的方法，在所述的步驟(2)中通入的 輔助氣體為氦氣、或氬氣、或氮?dú)?，流量?. l-10L/min ；通入的反應(yīng)氣體為氫氣或氧氣，流 量為 0. l-100ml/min。有益效果
由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效 果本發(fā)明可以較好的控制放電細(xì)絲的尺度與隨機(jī)分布性，在纖維或者薄膜表面均勻產(chǎn)生 微納米刻蝕圖案，并導(dǎo)入活性基團(tuán)；可以降低放電功率，有效的提高等離子體的能效，明顯 改善纖維或者薄膜材料表面的結(jié)構(gòu)和性能，同時(shí)提高了氣體和能量的利用率，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易 于控制。在常壓低溫等離子體放電中，放電細(xì)絲固定產(chǎn)生在兩個(gè)電極陣列面的垂直方向交 錯(cuò)點(diǎn)位置，避免了在隨機(jī)位置出現(xiàn)，節(jié)約了大量能耗；平行的電極陣列面和放電細(xì)絲的空間 位置約束又進(jìn)一步導(dǎo)致每個(gè)細(xì)絲的放電時(shí)間上的一致性，從而實(shí)現(xiàn)放電等離子體處理區(qū)域 的時(shí)空可控。單級(jí)電極陣列面對(duì)只能在固定的放電絲通道覆蓋的直徑范圍內(nèi)處理樣品，通過陣 列面對(duì)的多級(jí)錯(cuò)位排布的方法，可以使得進(jìn)入氣室的纖維材料表面被全面覆蓋處理，在經(jīng) 過的所有纖維或者薄膜表面刻蝕形成微納米圖案化結(jié)構(gòu)。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)示意圖；圖2是本發(fā)明的氣室左視圖；圖3是本發(fā)明的氣室俯視圖；圖4是本發(fā)明中上下電極陣列面的電極-介質(zhì)管軸向方向夾角成90度的放電局 部示意圖；圖5是本發(fā)明中上下電極陣列面的電極-介質(zhì)管軸向方向平行的放電局部示意 圖；圖6是未經(jīng)過等離子體處理的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)纖維表面示意圖；圖7是經(jīng)過本發(fā)明處理過的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)纖維表面示意圖；圖8是未經(jīng)等離子體處理的聚乙烯(UHMPE)纖維表面示意圖；圖9是經(jīng)過本發(fā)明處理過的聚乙烯(UHMPE)纖維表面示意圖。
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(shuō)明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，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(duì)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(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定 的范圍。本發(fā)明的實(shí)施方式涉及一種大氣壓微放電等離子體處理材料表面的裝置，可以較 好的控制放電細(xì)絲的尺度與隨機(jī)分布性，在纖維或者薄膜表面均勻產(chǎn)生微納米刻蝕圖案， 并導(dǎo)入活性基團(tuán)，提高復(fù)合材料的粘結(jié)性能，降低放電功率，有效地提高等離子體的利用 率，能方便地應(yīng)用于連續(xù)化生產(chǎn)過程，并可以應(yīng)用于改善纖維薄膜表面生物細(xì)胞的生長(zhǎng)狀 態(tài)、纖維薄膜表面的光學(xué)特性等與表面微納米圖案結(jié)構(gòu)有關(guān)的性能。如圖1所示，該裝置包 括氣室1、電極陣列面、樣品支撐架6、牽引裝置和高壓電源。如圖2和圖3所示，氣室1的一端設(shè)有進(jìn)口 8，另一端設(shè)有出口 9，在氣室1的側(cè)面 還設(shè)有輸氣口 7。該輸氣口 7通過氣體質(zhì)量流量計(jì)(圖中未畫出)與外接氣瓶相連。輔助氣體或摻入反應(yīng)氣體的輔助氣體從氣瓶輸出后，通過氣體質(zhì)量流量計(jì)控制，從氣室1上的 輸氣口 7進(jìn)入，輸氣口 7的直徑為3mm，氣體從氣室1的進(jìn)口 8處和出口 9處出去。其中，氣 室1的進(jìn)口 8和出口 9均為狹縫狀；輔助氣體可以是氦氣、氬氣等惰性氣體，也可以是氮?dú)猓?反應(yīng)氣體一般使用氧氣，或氫氣等活性氣體。具體使用什么氣體可根據(jù)所需要的處理效果 進(jìn)行選擇。電極陣列面是由至少20根并行排列的電極_介質(zhì)管組成的一個(gè)面，一般一個(gè)電極陣列面不超過2000根電極-介質(zhì)管，電極-介質(zhì)管之間的距離根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行確定。 電極-介質(zhì)管由金屬棒狀電極13同軸套在介質(zhì)阻擋管12內(nèi)構(gòu)成，介質(zhì)阻擋管12可以由 陶瓷、聚四氟乙烯、或者玻璃等絕緣體制成，金屬棒狀電極13可以由不銹鋼、或銅、或鋁、或 鐵、或鎢銅合金等耐高溫良導(dǎo)體制成。金屬棒狀電極13與介質(zhì)阻擋管12內(nèi)壁之間應(yīng)緊密結(jié) 合，保證金屬棒狀電極13與介質(zhì)阻擋管12之間沒有間隙，一般金屬棒狀電極13的直徑為 0. 1-2. Omm,介質(zhì)阻擋管12的內(nèi)直徑為0. 101-2. OOlmm,介質(zhì)阻擋管12的壁厚0. 1-3. Omm, 長(zhǎng)度根據(jù)需要確定。樣品支撐架6由絕緣耐高溫的聚四氟乙烯等材料構(gòu)成，設(shè)置在氣室1內(nèi)，其位置與 氣室1的進(jìn)口 8和出口 9相互對(duì)應(yīng)，也可根據(jù)需要將其兩端延伸出氣室1兩邊開口(即氣 室1的進(jìn)口 8和出口 9)使得樣品可以進(jìn)出反應(yīng)裝置。在樣品支撐架6的上下分別設(shè)有多 個(gè)電極陣列面，在樣品支撐架6上方的稱為上電極陣列面4，在樣品支撐架6下方的稱為下 電極陣列面5，上電極陣列面4與下電極陣列面5相互平行，并且一一對(duì)應(yīng)，靠近氣室1的 進(jìn)口 8的一組上電極陣列面4和下電極陣列面5作為一級(jí)，錯(cuò)位排列在一個(gè)方向上的多組 電極陣列面作為多級(jí)。上電極陣列面4和下電極陣列面5都通過聚四氟乙烯支撐定位，使 得上電極陣列面4與下電極陣列面5之間保持有3-20mm的間距，上電極陣列面4與下電 極陣列面5的電極-介質(zhì)管之間的軸向方向范圍為0-180度，可以根據(jù)實(shí)際放電需要進(jìn)行 調(diào)整，圖4所示的是軸向夾角為90度時(shí)的情況和圖5所示的是軸向夾角為0度時(shí)的情況 (即軸向方向平行的情況)。上電極陣列面4的電極-介質(zhì)管的末端全部連接在同一高壓 線2上，該高壓線2與高壓電源相連，其中，高壓電源為交流電源或脈沖電源，其激勵(lì)頻率為 1-500KHZ，峰值電壓為1-20KV，功率為1-3000W。下電極陣列面5的電極-介質(zhì)管的末端全 部連接在同一接地線3上，該接地線3接地。如此氣體放電產(chǎn)生的等離子體11就在上電極 陣列面4和下電極陣列面5之間的區(qū)域，該區(qū)域稱為等離子體區(qū)域，絲狀放電通道就固定產(chǎn) 生于上電極陣列面4和下電極陣列面5之間最短距離位置點(diǎn)。如圖1所示，在氣室中包含 三組電極陣列面，樣品支撐架6，用于接低溫等離子體電源(即高壓電源)的高壓線2和接 地用的接地線3。牽引裝置包括相互連接的滾輪10和步進(jìn)電機(jī)(圖中未畫出)。在氣室1的進(jìn)口 8 處和出口 9處均放置有滾輪10，步進(jìn)電機(jī)控制滾輪10的轉(zhuǎn)速，使得纖維束能按照預(yù)設(shè)速度 通過等離子體區(qū)域，步進(jìn)電機(jī)的速度可在l-70m/min內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。由此可見，在該等離子體放電裝置中，放電細(xì)絲固定產(chǎn)生在兩個(gè)電極-介質(zhì)管陣 列面(即上電極陣列面與下電極陣列面)的垂直方向交錯(cuò)點(diǎn)位置，避免了在隨機(jī)位置出現(xiàn)， 平行的電極陣列面和放電細(xì)絲的空間位置約束又進(jìn)一步導(dǎo)致每個(gè)細(xì)絲的放電時(shí)間上的一 致性，從而實(shí)現(xiàn)放電等離子體處理區(qū)域的時(shí)空可控，電極-介質(zhì)管直徑對(duì)放電通道有限制 作用，產(chǎn)生位置固定的細(xì)絲狀微放電等離子體，可以降低放電功率，有效的提高等離子體的能效。 本發(fā)明的實(shí)施方式還涉及一種大氣壓微放電等離子體處理材料表面的方法，包 括以下步驟(1)將樣品通過滾輪和氣室中的樣品支撐架，進(jìn)入穿出上下電極陣列面之間； (2)將輔助氣體或摻入反應(yīng)氣體的輔助氣體通過與氣體質(zhì)量流量控制器相連的輸氣口注 入氣室，氣體可從氣室的夾縫狀進(jìn)口和出口出去，其中，輔助氣體可以是氦氣、氬氣等惰性 氣體，也可以是氮?dú)?；反?yīng)氣體一般使用氧氣，或氫氣等活性氣體；(3)打開激勵(lì)頻率為 1-500KHZ，峰值電壓為1-20KV，功率為1-3000W的交流或脈沖高壓電源，在上電極陣列面和 下電極陣列面之間形成等離子體區(qū)域，因?yàn)樵谏想姌O陣列面和下電極陣列面之間最短距離 的路徑的電場(chǎng)梯度最大，所以氣體放電通道固定產(chǎn)生在如圖4和圖5所示的路徑上；(4)開 啟步進(jìn)電機(jī)，以設(shè)定的l-70m/min速度對(duì)樣品進(jìn)行等離子體連續(xù)處理。不難發(fā)現(xiàn)，通過對(duì)多組電極陣列面進(jìn)行錯(cuò)位排布的方法，可以使得進(jìn)入氣室的纖 維材料表面被全面覆蓋處理，對(duì)經(jīng)過氣室的所有纖維或者薄膜表面刻蝕形成微納米圖案化 結(jié)構(gòu)，并導(dǎo)入活性基團(tuán)，提高復(fù)合材料的粘結(jié)性能，降低放電功率，有效地提高等離子體的 利用率，能方便地應(yīng)用于連續(xù)化生產(chǎn)過程。下面就幾個(gè)具體的實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
實(shí)施例1 使用長(zhǎng)寬為3m*lm的電極陣列面，金屬棒狀電極13由銅制成，其直徑為 0. 15mm，介質(zhì)阻擋管12由陶瓷制成，其內(nèi)直徑為0. 151mm，管壁厚為1. Omm,電極與介質(zhì)材料 將每組電極陣列面的上下電極-介質(zhì)管軸向方向夾角調(diào)整為90度，上下放電間距為3mm。將滾輪10連接在步進(jìn)電機(jī)上，使用步進(jìn)電機(jī)控制滾輪10轉(zhuǎn)速。開啟鋼瓶，將輔助 氣體氬氣和反應(yīng)氣體氧氣通過質(zhì)量流量控制器連接到氣室1側(cè)面的輸氣口 7上，輸入到氣 室1中，調(diào)節(jié)氣體流量和組成比例，可改變等離子體特性。本實(shí)施例中通入氬氣的流量為 2L/min，通入氧氣的流量為lOml/min。本實(shí)施例還可以只通入輔助氣體氬氣，那么此時(shí)通入 的氬氣的流量為3L/min。將高壓線2與低溫等離子體電源(即高壓電源)相連，接地線3接地，啟動(dòng)低溫 等離子體電源，該電源為交流電源，其激勵(lì)頻率設(shè)為30KHz，峰值電壓設(shè)為10KV，功率設(shè)為 100W，上電極陣列面4與下電極陣列面5之間將產(chǎn)生等離子體11，如圖4所示。將直徑為Imm的PET纖維簾子線繩繞過滾輪10，穿過氣室1，在樣品支撐架6的支 撐下，由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，并以30m/min的設(shè)定速度進(jìn)行等離子體處理。通過觀察纖維表面親水性能的變化，浸潤(rùn)性的提高有利于浸膠液在纖維材料表面 鋪展開，可以表示出本發(fā)明的實(shí)用效果。使用去離子水在纖維表面形成的接觸角對(duì)親水性 的改性效果進(jìn)行表征。當(dāng)PET簾子線使用本發(fā)明通入純氬或氬氧混合氣體產(chǎn)生的等離子體區(qū)域中處理 后，結(jié)果如表1所示。表1 PET簾子線處理前后表面與去離子水的接觸角
氣等離子處理氬/氧等離子處理 可見，經(jīng)過等離子處理后，PET簾子線表面性能提升，與去離子水的接觸角減小，說(shuō) 明其親水性得到了增強(qiáng)。用電子顯微鏡對(duì)處理前后的PET簾子線進(jìn)行表面形貌觀察，發(fā)現(xiàn)沒有經(jīng)過等離子 體處理的PET簾子線纖維表面光滑、平整，表面形貌無(wú)明顯起伏，如圖6所示。而經(jīng)過等離 子處理后的PET簾子線表面，有顯著的刻蝕效果，表面分布著均勻的微納米量級(jí)的凹陷的 刻蝕孔，使得纖維表面的比表面積增大，有利于樹脂的鉚定與纖維材料的浸潤(rùn)性提高，如圖 7所示。紅外與XPS測(cè)試表明，經(jīng)過等離子處理后的PET簾子線表面有-0Η、-00Η等極性基 團(tuán)引入，使得水能更容易鋪展或滲入在PET簾子線表面。實(shí)施例2 使用長(zhǎng)寬為2m*2m的電極陣列面，金屬棒狀電極13由鐵制成，其直徑為0.1mm，介質(zhì)阻擋管12由聚四氟乙烯制成，其內(nèi)直徑為0. 101mm，管壁厚為2. Omm,電極與介 質(zhì)材料將每組電極陣列面的上下電極-介質(zhì)管軸向方向夾角調(diào)整為0度，上下間距為10mm。將滾輪10連接在步進(jìn)電機(jī)上，使用步進(jìn)電機(jī)控制滾輪10轉(zhuǎn)速。開啟鋼瓶，將輔助 氣體氬氣和反應(yīng)氣體氧氣通過質(zhì)量流量控制器連接到氣室1側(cè)面的輸氣口 7上，輸入到氣 室1中，調(diào)節(jié)氣體流量和組成比例，可改變等離子體特性。本實(shí)施例中通入氮?dú)獾牧髁繛?5L/min，通入氧氣的流量為30ml/min。本實(shí)施例還可以只通入輔助氣體氮?dú)猓敲创藭r(shí)通入 氮?dú)獾牧髁繛?L/min。將高壓線2與低溫等離子體電源(即高壓電源)相連，接地線3接地，啟動(dòng)低溫 等離子體電源，該電源為交流電源，其激勵(lì)頻率設(shè)為ΙΟΟΚΗζ，峰值電壓設(shè)為20KV，功率設(shè)為 2000W，上電極陣列面與下電極陣列面之間將產(chǎn)生等離子體11，如圖5所示。在氮?dú)猸h(huán)境中，當(dāng)電源輸出功率低的時(shí)候，上下平行的電極-介質(zhì)管之間產(chǎn)生等 間距的放電通道，隨著功率的增加，間距距離逐漸變小，達(dá)到某一特定數(shù)值時(shí)，將達(dá)到和實(shí) 施例1類似的放電效果。將UHMPE纖維束繞過滾輪10，穿過氣室1，在樣品支撐架6的支撐下，由步進(jìn)電動(dòng) 機(jī)驅(qū)動(dòng)，并以6m/min的設(shè)定速度進(jìn)行等離子體處理。當(dāng)UHMPE纖維束使用本發(fā)明通入氮?dú)饣虻趸旌蠚怏w產(chǎn)生的等離子體區(qū)域中處 理后，單絲的拔出強(qiáng)度可提高3-10倍，UD布的抗沖擊強(qiáng)度可提高1-5倍。SEM觀察發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)等離子體處理的UHMPE纖維表面比較平整，如圖8所示。經(jīng)等 離子體處理后的UHMPE纖維表面出現(xiàn)微納米刻蝕圖案，有助于提高纖維與布的黏結(jié)特性， 如圖9所示。實(shí)施例3 使用長(zhǎng)寬為lm*lm的電極陣列面，金屬棒狀電極13由鎢銅合金制成，直 徑為2mm，介質(zhì)阻擋管12由玻璃制成，其內(nèi)直徑為2. 001mm，管壁厚為3mm，電極與介質(zhì)材料 將每組電極陣列面的上下電極-介質(zhì)管軸向方向夾角調(diào)整為45度，上下間距為20mm。將滾輪10連接在步進(jìn)電機(jī)上，使用步進(jìn)電機(jī)控制滾輪10轉(zhuǎn)速。開啟鋼瓶，將輔助 氣體氦氣和反應(yīng)氣體氧氣通過質(zhì)量流量控制器連接到氣室1側(cè)面的輸氣口 7上，輸入到氣 室1中，調(diào)節(jié)氣體流量和組成比例，可改變等離子體特性。本實(shí)施例中通入的氦氣流量為 3L/min，通入的氧氣流量為30ml/min。本實(shí)施例還可以只通入輔助氣體氦氣，那么此時(shí)通入 的氦氣流量為7L/min。將高壓線2與低溫等離子體電源(即高壓電源)相連，接地線3接地，啟動(dòng)低溫 等離子體電源，該電源為脈沖電源，其激勵(lì)頻率設(shè)為ΙΟΟΚΗζ，峰值電壓設(shè)為15KV，功率設(shè)為100W，上電極陣列面4與下電極陣列面5之間將產(chǎn)生等離子體11。
將PBO纖維束繞過滾輪10牽引，穿過氣室1，在樣品支撐架6的支撐下，由步進(jìn)電 動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，以lOm/min的設(shè)定速度進(jìn)行等離子體處理。經(jīng)過等離子體處理后的PBO纖維的界面剪切強(qiáng)度由原來(lái)的18MPa提高到了 25MPa， SEM觀察發(fā)現(xiàn)，纖維表面變得粗糙不平，形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，纖維比表面積得到很大提高。IR分 析表明，由于等離子體處理使得PBO纖維表面引入了極性基團(tuán)(羥基，羧基等)，浸潤(rùn)性得到 了增強(qiáng)。
權(quán)利要求
一種大氣壓微放電等離子體處理材料表面的裝置，包括氣室(1)、電極陣列面、樣品支撐架(6)、牽引裝置和高壓電源，其特征在于，所述的氣室(1)一端設(shè)有進(jìn)口(8)，另一端設(shè)有出口(9)；所述的氣室(1)的側(cè)面上設(shè)有輸氣口(7)；所述的氣室(1)內(nèi)部設(shè)有所述的樣品支撐架(6)；所述的樣品支撐架(6)的位置與所述的進(jìn)口(8)和出口(9)相對(duì)應(yīng)；所述的樣品支撐架(6)上下分別設(shè)有至少兩個(gè)電極陣列面，其中，在所述的樣品支撐架上方的電極陣列面稱為上電極陣列面(4)，在所述的樣品支撐架下方的電極陣列面稱為下電極陣列面(5)；所述的上電極陣列面(4)與下電極陣列面(5)相互平行，并且一一對(duì)應(yīng)；所述的電極陣列面由并行排列的至少二十根電極-介質(zhì)管構(gòu)成；所述的上電極陣列面(4)的電極-介質(zhì)管在同一端用電壓線(2)相連；所述的電壓線(2)與所述的高壓電源相連；所述的下電極陣列面(5)的電極-介質(zhì)管在同一端用接地線(3)相連；所述的接地線(3)接地；所述的牽引裝置包括相互連接的滾輪(10)和步進(jìn)電機(jī)；所述的進(jìn)口(8)處和所述的出口(9)處均設(shè)置有所述的滾輪(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣壓微放電等離子體處理材料表面的裝置，其特征在于， 所述的電極-介質(zhì)管由金屬棒狀電極(13)同軸套在介質(zhì)阻擋管(12)內(nèi)構(gòu)成；所述的金屬 棒狀電極(13)緊密貼合所述的介質(zhì)阻擋管(12)的內(nèi)壁；所述的介質(zhì)阻擋管(12)由絕緣材 料或半導(dǎo)體材料制成；所述的金屬棒狀電極(13)由良導(dǎo)體材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大氣壓微放電等離子體處理材料表面的裝置，其特征在于， 所述的介質(zhì)阻擋管(12)管壁厚度為0. 1-3. Omm,內(nèi)直徑為0. 101-2. OOlmm ；所述的金屬棒狀 電極(13)的直徑為0. 1-2. Omm0
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大氣壓微放電等離子體處理材料表面的裝置，其特征在于， 所述的絕緣材料為陶瓷、或玻璃、或聚四氟乙烯；所述的良導(dǎo)體材料為不銹鋼、或銅、或鋁、 或鐵、或鎢銅合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣壓微放電等離子體處理材料表面的裝置，其特征在于， 所述的上電極陣列面(4)和下電極陣列面(5)由聚四氟乙烯支撐定位；所述的上電極陣列 面⑷和下電極陣列面(5)之間保持3. 0-20. Omm的間隙。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣壓微放電等離子體處理材料表面的裝置，其特征在于， 所述的樣品支撐架(6)兩端延伸出所述的進(jìn)口⑶和出口(9)；所述的樣品支撐架(6)由 絕緣耐高溫材料制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣壓微放電等離子體處理材料表面的裝置，其特征在于， 所述的進(jìn)口(8)和出口(9)為夾縫狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣壓微放電等離子體處理材料表面的裝置，其特征在于， 所述的上電極陣列面(4)與下電極陣列面(5)的電極-介質(zhì)管軸向夾角為0-180度。
9.一種大氣壓微放電等離子體處理材料表面的方法，其特征在于，包括以下步驟(1)將樣品通過滾輪和氣室中的樣品支撐架，進(jìn)入穿出上下電極陣列面之間；(2)將輔助氣體或摻入反應(yīng)氣體的輔助氣體通過與氣體質(zhì)量流量控制器相連的輸氣口 注入氣室；(3)打開激勵(lì)頻率為1-500KHZ，峰值電壓為1-20KV，功率為1-3000W的交流或脈沖高壓 電源，在上下電極陣列面之間形成等離子體區(qū)域；(4)開啟步進(jìn)電機(jī)，以設(shè)定的l-70m/min速度對(duì)樣品進(jìn)行等離子體連續(xù)處理。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的大氣壓微放電等離子體處理材料表面的方法，其特征在于， 在所述的步驟(2)中通入的輔助氣體為氦氣、或氬氣、或氮?dú)?，流量?. l-10L/min ；通入的 反應(yīng)氣體為氫氣或氧氣，流量為0. l-100ml/min。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種大氣壓微放電等離子體處理材料表面的裝置及方法，同軸套置金屬棒狀電極和介質(zhì)阻擋管形成電極-介質(zhì)管，并行排列若干這樣的電極-介質(zhì)管成一個(gè)電極陣列面，上電極陣列面接高壓線，下電極陣列面接地，電極軸向間夾角為0-180度，等離子體就產(chǎn)生在這樣的上下兩個(gè)電極陣列面之間。本發(fā)明利用這種電極陣列面構(gòu)造介質(zhì)阻擋放電的非對(duì)稱電極結(jié)構(gòu)，能夠精確控制等離子體放電細(xì)絲通道的位置和放電時(shí)間，在連續(xù)運(yùn)行的纖維或者薄膜表面均勻?qū)胛⒓{米圖案結(jié)構(gòu)，降低了能耗并改善高性能纖維與樹脂間的粘結(jié)性，以及纖維或者薄膜表面生物細(xì)胞的生長(zhǎng)狀態(tài)、纖維或薄膜表面的光學(xué)特性等與表面微納米圖案結(jié)構(gòu)有關(guān)的性能。
文檔編號(hào)H05H1/24GK101838800SQ201010167809
公開日2010年9月22日 申請(qǐng)日期2010年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月6日
發(fā)明者刁穎, 孫立群, 張菁, 徐金洲, 李賽, 石建軍, 鐘方川 申請(qǐng)人:東華大學(xué)