大气压下空气间隙的辉光放电及对无纺布表面改性-中国电机工程学会.PDF

中国电机工程学会高电压专业委员会 2004 年学术会议论文 大气压下空气间隙的辉光放电及 对无纺布表面改性的研究 关志成，郝艳捧 清华大学深圳研究生院（深圳 518055） 摘 要：重点论述了大气压下辉光放电的研究现状和诊断方法，探讨了大气压下空气间隙辉光放电的可行性，通过试 验，对比研究了大气压下3mm空气间隙的辉光放电和均匀的丝状放电，并对比研究了辉光放电和均匀的丝状 放电处理聚丙稀无纺布的表面亲水性。结果表明，在一定条件下，大气压下3mm空气间隙的均匀的丝状放电 可以转化为辉光放电；用大气压下空气间隙的均匀的丝状放电处理聚丙稀无纺布时容易烧蚀材料，而用辉光 放电不会损坏材料；经大气压 3mm 空气间隙辉光放电处理过的无纺布，其表面水滴的接触角可由处理前的 120°变为60°。 关键词：大气压辉光放电 等离子体表面改性 工业等离子体工程 气体放电 1 引言 目前，化学纤维已成为国际纺织生产中的主体原料。但是由于化学纤维结构紧密、结晶度高，是 典型的疏水性纤维，难以染色，穿着舒适性差，因此必须对纤维表面进行改性才能扩大其应用领域。 气体放电产生的低温等离子体中存在着大量种类繁多的活性粒子，可以用来对聚合物材料进行表面改 性，例如，提高薄膜、无纺布和纺织品的亲水性、可湿性、吸水性、可印性、可染性和粘着性等。和 传统的化学方法相比，用等离子体改善纺织品的可染性具有突出的优点：它不需要使用表面活化剂和 大量的水，无废弃物或有毒的副产品，因而具有很好的经济效益和环保效益。 低温等离子体通常是由低气压下的辉光放电产生的，但对于工业生产而言，真空系统的使用难以 实现流水线连续生产。介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge: DBD ）在一定条件下转变为均匀 的丝状放电（Uniform Filamentary Discharge: UFD ），能够在大气压下产生低温等离子体，目前，已 在高聚物塑料的印刷、粘合或涂装等工序前的表面处理上实现了工业化应用，而在化纤无纺布和纺织 品工业中尚属空白。由于与塑料不同，无纺布和纺织品都是非均匀材料，UFD在大气压下通常由大量 的时间和放电空间随机分布的具有高能量密度的放电细丝组成，难以对材料表面均匀处理，甚至会损 坏材料，限制了其工业应用。因此，最适合用来对无纺布和纺织品纤维进行表面改性的工业化等离子 体源是放电均匀、能量密度适中的大气压下空气间隙辉光放电（Atmospheric Pressure Glow Gischarge: APGD ）等离子体。 2 研究现状 国内外的研究人员一直在努力实现大气压辉光放电。1933年德国Von Engel首次报导了利用冷却 的裸电极在大气压氢气和空气中得到的辉光放电[1]，但很容易从辉光过渡到电弧，并且需要在低气压 下点燃，因此仍离不开真空系统。自上世纪80年代以来，由于等离子体表面改性诱人的工业化应用前 景，APGD一直是国内外学者研究的重点和热点[2]。 研究发现：在非空气气体中（如氦气、氩气、氮气或某些混合气体）比较容易实现APGD 。例如， 1993年Okazaki等人使用网孔电极和介质阻挡材料，在3mm氩气、氮气间隙中分别获得了APGD[3]； 1 中国电机工程学会高电压专业委员会 2004 年学术会议论文 1995年Roth等人用介质阻挡平板电极结构RF放电在3.5 mm氦气间隙中获得了APGD[4] ；2001年 Massines等人利用介质阻挡平板电极结构，分别获得了5 mm氦气间隙和1 mm氮气间隙中的APGD[5]； 2002年清华大学选择电阻率合适的材料作为电极覆盖层，用50 Hz (或60 Hz)工频电压代替RF 电压，分 别实现了大气压氦气中大面积均匀辉光放电[6]、用介质阻挡电极实现了5 mm氦气间隙的APGD[7] 等 等。 空气中APGD 的研究也取得了一些小的进展。例如，1998年Tepper用网孔电极和驻极体介质阻挡 材料实现了2 mm 空气间隙的AP