一种用于纤维表面改性的常压低温等离子体处理装置.pdf

一种用于纤维表面改性的常压低温等离子体处理装置
    技术领域：

    本发明涉及一种常压低温等离子体处理装置，更确切地说用这种装置可以避免电极间的弧光及火花放电，由介质阻挡放电在大气压条件下产生均匀等离子体，使静置或连续通过放电区域内的纤维材料经过常压均匀等离子体处理，可获得有效表面改性，憎水性的化学纤维材料改性成为吸湿性材料，材料的染色性也得到显著提高。属于纤维改性领域。

    背景技术：

    介质阻挡放电是在大气压条件下产生低温等离子体的方法，目前广泛地应用在臭氧合成、空气及水的净化处理，制作紫外光源、激励气体激光器等方面。例如：ZL99213572.9和CN99115989.6分别公开了一种低温等离子体臭氧发生片，和一种介质阻挡放电灯。其原理是：对置电极间或电极表面存在介质层，使得电极间放电空间产生等离子体光柱或等离子体气。在材料改性领域，低气压条件下在材料表面进行等离子体聚合，可对材料表面进行改性处理，如CN1259759和ZL99218828.8公开了一种织物等离子整理装置，在输入氮、氧，低真空条件下产生低温等离子体，对织物改性。这些真空条件下进行等离子体材料表面改性处理方法，抽真空能耗大，且不宜实现工业连续化生产。而CN1277267公开了一种金属表面强化用的常压非平衡等离子体，它利用超高压脉冲电源在常压下产生等离子体，通过离子强渗透提高金属的强度。这种工艺产生的常压非平衡等离子体的温度和能量太高，显然不能用于纤维纺织品材料的表面改性。开发常压条件下能对纤维纺织品材料进行有效表面改性的等离子体装置和处理技术方法，宜于进行工业化连续生产处理，用以提高化学纤维材料的吸湿性，改善化学纤维材料的服用性能和染色性能，具有极大的市场前景。遗憾的是至今尚无利用介质阻挡放电产生常压低温等离子体的处理装置，并能对纤维材料进行有效表面改性的报道。

    发明内容：

    本发明目的在于提供一种常压低温等离子体处理器，这种装置是利用介质阻挡放电在大气压条件下可以避免弧光及火花放电产生均匀等离子体，静置在或连续通过放电区域内的纤维材料经过常压均匀等离子体处理，可获得有效表面改性。憎水性的化学纤维材料改性成为吸湿性材料。同时材料的染色性能有显著提高。

    本发明的另一目的是用该处理器处理静置或连续通过放电区对纤维材料表面改性的方法。

    本发明所提供的常压低温等离子体处理器包括一对用冷却剂冷却的平面放电电极，置于两电极间的两个特殊介质阻挡板、两个反应气体导管以及两个气体导流板。其特征在于：

    (1)所述的处理器是由平行放置的上下两部分构成，每部分都是侧面用聚四氟乙烯或其它耐压绝缘材料制成的长方体盒子，处理器上下两部分平行相对的面上，中部各挖去一个长方形并用一个特殊的介质阻挡板封住，处理器上下两部分两介质阻挡板中间的狭缝为等离子体产生和处理空间，处理器上半部分可平移，以调节合适的狭缝距离，可容被处理物静置或连续通过。狭缝距离一般为1-5mm；

    (2)置于两电极间的两个特殊介质阻挡板，是两块表面抛光的陶瓷介电材料板。它们分别焊接或粘接在等离子体产生和处理器的上下两部分平行相对的两个表面上。

    (3)两平面放电电极分别固定在处理器的上下两部分内，分别与两介质阻挡板紧贴，并与等离子体产生和处理的空间隔绝。这种结构有效地避免了蒸发的电极材料沉积在待处理物上，避免金属沉积污染，两电极是由不锈钢、铜或其它金属(如黄铜、铝)制成的长方体金属盒，金属盒与介质阻挡板紧贴的表面要抛光处理，金属盒用输送管与冷却剂循环冷却系统相连，放电时靠流经金属盒的冷却剂使之降温。

    (4)处理器上下两部分内各设有一个与电极平行的气体导管，各导管面向狭缝的侧面上开有出气沟缝，从沟缝流出的反应气体经气体导流斜板向狭缝内传输反应气体(参见附图2)。

    (5)两块介质板最好用表面抛光的陶瓷介电材料板如氧化硅、含Mg的陶瓷板、Si₃N₄、Al₂O₃等，介电常数较大的板，厚度太薄，介质板抵抗电压的能力就会下降；当厚度太厚时，放电电压太高，也难以保持放电的均匀一致性。电极和介质板需经抛光处理，放电时冷却电极，以避免弧光和火花放电，保证在介质板间均匀放电产生均匀等离子体。

    本发明提供的常压低温等离子体处理器的外接设备包括一个高频高压电源系统，一个气体供给系统和一个冷却循环系统。

    本发明所提供的常压低温等离子体处理器，是用变压器油或其它耐高压的冷却剂冷却，通过泵使冷却剂循环冷却两放电电极的；

    本发明所提供的常压低温等离子体处理器，在两平面放电电极加以高频交流电压是通过市售的高频高压电源系统供给的，其频率为5KHz-20KHz，电压大于3KV。根据待改性的纤维材料厚度调节频率和电压，并在放电狭缝内，通以合适的放电气体，可在两电极间内侧的两个介质阻挡层中间的放电空间产生所用气体的均匀等离子体，并能避免电弧和火花放电。

    本发明的另一目的是通过以下步骤实施的：

    (1)依据被改性纤维材料特性和厚度调节狭缝距离；

    (2)向等离子体处理器上下两部分间的狭缝内连续输入用以产生等离子体的气体；反应气体流量2L/min-5L/min，气体是惰性气体，惰性气体与空气，或惰性气体与其它气体如氮气的混合气体；

    (3)向两电极加上高频交流高压：在恰当匹配的频率和电压范围内，在适当的气体流量下，可在两个介质阻挡板间狭缝空间内放电产生常压均匀等离子体，并能避免弧光及火花放电；

    (4)静置在等离子体产生和处理器放电狭缝内或连续通过狭缝的纤维或纤维制品待处理物，经10秒以上处理后可获得有效表面改性。

    处理后纤维或纤维制品的润湿性改善是用下列方法确认的：

    将试样平铺于有色溶液表面(常用5％重铬酸钾溶液)，测量材料完全润湿的时间。或者，将0.2cc的水滴滴到试样表面，测量水滴在20秒的时间内在试样表面铺展开的圆形润湿斑的直径或面积。显然，本发明提供的常压等离子体处理器，可以很方便地构成进行工业等离子体连续处理生产装置，只需在待处理物的前进方向上，设置若干个本发明提供等离子体处理器，在一定的物料行进速度下保证待处理物得到足够的处理时间，并且每个等离子体产生和处理器可以使用不同的反应气体，以获得不同的处理效果。

    本发明的优点也是显而易见的。利用本发明提供的平面电极介质阻挡放电的等离子体处理器和使用方法，易于大面积处理各种纤维纺织品，在放电情况良好的情况下，不发生火花或弧光放电，避免了弧光放电和过高的等离子体温度而引起的被处理物的烧蚀穿孔和热损害，放电产生的均匀等离子体温度和能量适当，能在不破坏纤维内部结构性质的情况下，使憎水性的化学纤维材料获得永久吸湿改性，纤维的润湿性显著提高。在同样的染色条件下，涤纶(PET)织物的染色性能有很大提高。

    这种处理器可以与外接设备和物料传输系统一起构成常压等离子体连续处理装置，用于工业化生产，是一种节能、环保的纤维材料改性的新技术。

    附图说明：

    图1本发明提供的常压低温等离子体处理器的结构示意图。

    图a为侧视图。连续处理时右方是进料口，左方为出料口。

    图b是处理器出料口的正视图，连续处理时被处理的纤维或纤维织物从里向外移动。

    图2系图1下半部的结构示意图。上半部分结构相同。图中：

    1-等离子体产生和处理器下半部分

    2-等离子体产生和处理器上半部分        3-上电极介质板

    4-下电极介质板      5-上电极           6-下电极

    7-上部气体导管      8-下部气体导管     9-上、下气体导流板

    10-物料        11-电极冷却剂输送管     12-气体输送管

    13-等离子体处理器的下半部分的上表面

    14-等离子体处理器的下半部分长方形开口，固定的下电极置于长方形开口内，抛光表面与下电极介质板紧贴

    15-下部气体导管的出气沟缝

    具体实施方式：

    下面通过具体实施例，进一步阐述本发明的实质性特点和显著的进步，但本发明决非仅局限于实施例。

    实施例1

    使用图1中的常压低温等离子体处理器对涤纶(聚对苯二甲酸乙二醇酯PET)织布进行连续处理。两电极是黄铜，氧化硅板作为阻挡介质。上下电极加上约10KHz左右的交流高压，将氩气或氩气与空气的混合气通入处理器上下两部分间的放电狭缝作为放电气体，在放电空间产生蓝紫色明亮辉光，且观察不到弧光和火花放电。氩气流量越大，放电空间的辉光越明亮，放电越强烈。狭缝之间距离为3mm。

    涤纶布静置于放电狭缝，或缓慢通过放电狭缝若干次，在稳定放电情况下，不论静态处理还是连续处理，在保证处理时间相同条件下，涤纶布最后处理效果相同。当处理2分钟左右，则涤纶布表观无任何变化，也未观察到热损害或弧光和火花放电造成的烧蚀或穿孔。

    处理前水滴在涤纶布上呈半球状，不辅展，而滴在棉布上立即辅展开呈一圆形湿润斑。处理后水滴在涤纶布上立即辅展开，20秒后辅展开的圆形湿润斑直径达到约40mm，与棉布情况相同。

    用同样浓度的分散红染料在相同染色条件下染色，处理后样品与未处理样品比较染色效果明显提高，最好情况下色彩明度提高约12％，彩度提高约23％。

    这种吸湿性的提高，至少在一年内无明显改变。染色效果的改变也是耐洗的。

    当处理工艺条件不适当时，在放电空间内会出现线状放电通道，且放电辉光变暗，处理后样品在线状放电通道处会出现贯穿样品的直径约0.5mm的烧蚀细孔，这些细孔的数量随放电均匀性的劣化程度而变，100cm²面积上少则几个，多则几十上百个，这时样品已遭破坏。

    实施例2

    使用图1中的等离子体产生和处理器对面密度为170g/m²的PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯)熔喷非织造布(熔喷无纺布)进行静态或连续处理。与实例1大致相同的方法处理，但处理条件有所差别。在稳定放电情况下，处理后样品表观无任何变化，也未观察到热损害或弧光和火花放电造成的烧蚀或穿孔。

    处理前后的PBT熔喷无纺布取直径5cm的样品，处理前无纺布样品平辅在呈黄色的5％重铬酸钾溶液表面，20秒内无纺布浮在水面不润湿；而处理后的样品在小于1秒的时间内立刻完全润湿，白色的无纺布变成黄色。

    当处理工艺条件不佳时，也会出现与实例1相类似的放电劣化现象，样品同样也会被烧蚀破坏。

    未处理过的样品平辅在溶液表面2分钟后，一直浮在水面完全不润湿；未处理过的样品在重铬酸钾溶液中浸泡3分钟后的效果，材料吸湿性差，未润湿，试样颜色基本无变化；在稳定放电情况下产生均匀等离子体处理后，样品平铺在溶液表面立刻吸湿均匀变色。在不均匀弱放电情况下处理8分钟，试样平辅在溶液表面部分区域吸湿变色，润湿面积随处理时间延长虽然有所增大，但仍不均匀，且材料会出现穿孔现象。