大氣壓中頻輝光放電等離子體特性研究及其改性紡織纖維.pdf

1、低溫等離子體技術(shù)是一種環(huán)境友好、極具潛力和發(fā)展前景的清潔生產(chǎn)技術(shù)，省時(shí)高效、節(jié)水節(jié)能、干態(tài)、無污染。它應(yīng)用于紡織材料處理工序，能夠在極大降低水、電、氣以及化學(xué)品用量的情況下，有效達(dá)到所需工藝要求，同時(shí)達(dá)到降低水排放量、減輕污水處理負(fù)荷的目標(biāo)。
　　 隨著機(jī)械制造技術(shù)的進(jìn)步和等離子體技術(shù)的發(fā)展，等離子體設(shè)備相繼問世，并應(yīng)用于許多生產(chǎn)領(lǐng)域。低壓輝光放電等離子體改性技術(shù)因需要真空設(shè)備而很難在實(shí)際生產(chǎn)中推廣。大氣壓準(zhǔn)輝光放電(Atmos

2、pheric Pressure Pseudo-Glow Discharge)等離子體不需要真空設(shè)備，除了具有輝光放電的均勻性、穩(wěn)定性、以及所需能量密度小等優(yōu)點(diǎn)外，亦可在每半個(gè)周期內(nèi)多次放電、活性粒子更多、持續(xù)時(shí)間更長，而且操作要求比大氣壓輝光放電(Atmospheric Pressure GlowDischarge)等離子體簡單、方便，故受到研究人員的青睞。
　　 本文自制了大氣壓中頻介質(zhì)阻擋等離子體放電裝置，采用18KHz的中

3、頻交流電源，使用氬氣作為放電氣體，通過一系列實(shí)驗(yàn)，根據(jù)電壓一電流波形圖和Lissajous圖形確定所建裝置在一定條件下可產(chǎn)生大氣壓中頻輝光和準(zhǔn)輝光放電等離子體。研究發(fā)現(xiàn)，使用氬氣作為大氣壓下等離子體放電的氣體時(shí)，其放電空間中氬氣濃度變化對放電狀態(tài)的穩(wěn)定性有重要影響，氬氣濃度越高、分布越均勻，則越利于等離子放電的均勻性和穩(wěn)定性。隨著放電間距的增加，放電空間中氣體的流出速度要相應(yīng)變小，目的是維持放電空間中氬氣濃度的一致性，產(chǎn)生實(shí)際應(yīng)用時(shí)所需

4、要的均勻、穩(wěn)定的等離子體。對大氣壓下等離子體放電設(shè)備進(jìn)行改裝，采用半封閉式環(huán)境來提高放電空間的氬氣濃度，其成本仍舊遠(yuǎn)低于低壓等離子體設(shè)備，因此具有工業(yè)應(yīng)用的可行性。
　　 自建大氣壓等離子體材料處理裝置，使用中頻電源。由于氣體放電過程中存在許多不穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致輝光放電易轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)輝光放電?？紤]到準(zhǔn)輝光放電既有輝光放電的均勻、穩(wěn)定的性質(zhì)，還比輝光放電的活性粒子數(shù)量多、持續(xù)時(shí)間長的優(yōu)勢，所以一系列實(shí)驗(yàn)都是在大氣壓準(zhǔn)輝光放電等離子體條

5、件下實(shí)現(xiàn)的。首先進(jìn)行了丙酮和丙烯酸等離子體沉積。結(jié)果表明，在所建等離子體裝置中進(jìn)行大氣壓氣相沉積是可行的，其沉積產(chǎn)物的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理不同于傳統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。大氣壓下得到的丙酮沉積膜和丙烯酸沉積膜，紅外光譜分析結(jié)果顯示兩種不同單體的最終產(chǎn)物結(jié)構(gòu)極其相似，丙酮單體在等離子體氣氛中形成了一定的羧基官能團(tuán)。其次在該等離子體表面材料處理裝置中，分別對羊毛、滌綸、丙綸織物進(jìn)行了一系列的表面改性實(shí)驗(yàn)。從處理后樣品的外觀以及其斷裂強(qiáng)力的變化，可確定在相

6、同的處理時(shí)間內(nèi)，經(jīng)該設(shè)備處理后的織物所受損傷較小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)過等離子體處理后所有材料的潤濕性都有一定的提高，且等離子體引發(fā)接枝的工藝可以避免等離子處理材料后的“時(shí)效性”影響。掃描電鏡(SEM)測試結(jié)果表明，等離子體表面處理對丙綸纖維表面有刻蝕作用，使纖維表面變的粗糙，比表面積增大；等離子體引發(fā)接枝處理后的織物表面更加粗糙，比表面積更大。X射線光電子能譜(XPS)測試結(jié)果表明，氬等離子體表面處理使丙綸纖維表面含氧量明顯提高，纖維表面

7、引入了-C-O、-C=O等基團(tuán)。XPS分析結(jié)果說明，丙烯酸接枝在材料表面引入了羧基基團(tuán)，羧基親水基團(tuán)能吸收空氣中的水分，纖維吸附水分的離子化以及水分誘導(dǎo)周圍不純物質(zhì)的離子化，使纖維電導(dǎo)率顯著增加、比電阻下降、半衰時(shí)間減少，這是丙綸織物抗靜電性能得到改善的主要原因；陽離子染料能與纖維表面產(chǎn)生的羧基發(fā)生吸附作用，從而提高了織物的陽離子染料可染性和K/S值。
　　 在實(shí)驗(yàn)中，為了更好的對丙酮等離子體放電進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測，還自建大氣壓中頻交

8、流放電等離子體噴射裝置，并用HR2000光纖光柵光譜儀對丙酮等離子體放電光譜進(jìn)行記錄、分析和診斷。依據(jù)丙酮等離子體放電的特征顏色，重點(diǎn)分析了300nm～600nm范圍內(nèi)的譜峰，并進(jìn)行了活性粒子歸屬診斷。研究結(jié)果說明，對大氣壓環(huán)境下，使用氬氣為“載氣”，對可揮發(fā)有機(jī)溶劑進(jìn)行等離子發(fā)射光譜分析是一種可以用于診斷相關(guān)等離子體參數(shù)、分析有機(jī)試劑化學(xué)活性的新穎且有效的手段；這種診斷方法可以實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)控等離子體的化學(xué)活性，并將其應(yīng)用于材料定域改性、