低溫等離子體射流聚合物表面改性實(shí)驗(yàn)（Word）

1、低溫等離子體射流聚合物表面改性實(shí)驗(yàn)姓 名： 胡顥 學(xué)科、專業(yè) ： 物理1001 學(xué) 號(hào) ： 201021001 指 導(dǎo) 教 師： 閆慧杰 完 成 日 期： 2012年3月7日大連理工大學(xué)Dalian University of Technology1 / 11一、摘要本實(shí)驗(yàn)是采用大氣壓下氬氣低溫等離子體射流對(duì)聚合物（聚乙烯薄膜）進(jìn)行表面處理，以改善聚合物的表面能，提高其表面親水能力與表面粘接強(qiáng)度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)大氣壓放電等離子體的發(fā)生與其基本應(yīng)用，并進(jìn)一步從等離子體物理與等離子體化學(xué)角度分析其內(nèi)在機(jī)理。二、引言大氣壓等離子體的運(yùn)行與操作都相對(duì)比較簡(jiǎn)單，運(yùn)行成本也大大降低，而且可以很方便地實(shí)現(xiàn)在線

2、運(yùn)行，所以其利用范圍與領(lǐng)域被極大拓寬，在材料表面處理、臭氧產(chǎn)生、廢氣處理、污水處理、薄膜制備等方面獲得了廣泛的應(yīng)用.大氣壓放電等離子體目前主要有電弧放電、電暈放電、火花放電、流光放電等基本形式.產(chǎn)生方法主要有介質(zhì)阻擋放電、尖端電暈放電、空心陰極放電以及大氣壓低溫等離子體射流等.低溫等離子體射流是目前被廣泛研究的一種大氣壓等離子體放電形式.由于其具有移動(dòng)性比較好的特點(diǎn)，所以目前在材料表面處理、薄膜制備、消毒滅菌以及水處理方面都得到廣泛應(yīng)用。射流型大氣低溫等離子體表面處理機(jī) 射流型大氣低溫等離子體表面處理機(jī) (CTD-1000Z) 射流型大氣低溫等離子體其離子和電子的能量可達(dá)610eV。其最大的特

3、點(diǎn)是噴射出的等離子體流為中性，不帶電。可對(duì)被處理的物體表面進(jìn)行改性、清洗和刻蝕?？梢詫?duì)各種高分子、金屬、半導(dǎo)體、橡膠、PCB電路板等材料進(jìn)行表面處理四、實(shí)驗(yàn)儀器中頻放電功率源，大氣壓低溫等離子體射流發(fā)生裝置，氣瓶，氣體流量計(jì)，水接觸角測(cè)試儀。五、實(shí)驗(yàn)原理1介質(zhì)阻擋放電 大氣壓條件下，氣體擊穿需要很高的電壓，所以空間電場(chǎng)通常很強(qiáng)，再加上大氣壓條件下電子碰撞電離概率比較高，所以氣體放電很容易過(guò)渡到弧光放電。為了抑制弧光放電的產(chǎn)生，可以采取介質(zhì)阻擋放電形式。介質(zhì)阻擋放電又稱無(wú)聲放電，在外電場(chǎng)E1的作用下，氣體中的電子被加速，當(dāng)E1達(dá)到某一值E年是就會(huì)產(chǎn)生電子雪崩。氣體被擊穿，放電空間產(chǎn)生大量電子和離

4、子。電子在電極表面的絕緣層沉積下來(lái)并建立一個(gè)內(nèi)電場(chǎng)E2，該內(nèi)電場(chǎng)的方向與外電場(chǎng)的方向相反。若忽略空間電荷場(chǎng)，則放電空間的總電場(chǎng)由（E1+E2）決定。隨著放電的發(fā)展，電極上積累的電荷足夠多時(shí)，總電場(chǎng)地道不能再是電子加速到足夠能量而產(chǎn)生碰撞電離。則放電熄滅。所以阻擋放電是一個(gè)不斷產(chǎn)生熄滅的交替過(guò)程,產(chǎn)生的等離子體是典型的非平衡態(tài)低溫等離子體。介質(zhì)阻擋放電(Dielectric Barrier Discharge，DBD)是有絕緣介質(zhì)插入放電空間的一種非平衡態(tài)氣體放電又稱介質(zhì)阻擋電暈放電或無(wú)聲放電。介質(zhì)阻擋放電能夠在高氣壓和很寬的頻率范圍內(nèi)工作，通常的工作氣壓為1010000。電源頻率可從50Hz至

5、1MHz。電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)形式多種多樣。在兩個(gè)放電電極之間充滿某種工作氣體,并將其中一個(gè)或兩個(gè)電極用絕緣介質(zhì)覆蓋,也可以將介質(zhì)直接懸掛在放電空間或采用顆粒狀的介質(zhì)填充其中，當(dāng)兩電極間施加足夠高的交流電壓時(shí)，電極間的氣體會(huì)被擊穿而產(chǎn)生放電，即產(chǎn)生了介質(zhì)阻擋放電。在實(shí)際應(yīng)用中，管線式的電極結(jié)構(gòu)被廣泛的應(yīng)用于各種化學(xué)反應(yīng)器中，而平板式電極結(jié)構(gòu)則被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)中的高分子和金屬薄膜及板材的改性、接枝、表面張力的提高、清洗和親水改性中。（介質(zhì)阻擋放電的結(jié)構(gòu)示意圖）2大氣低溫等離子體射流 大氣壓低溫等離子體射流發(fā)生裝置見(jiàn)上圖，其基本放電形式是介質(zhì)阻擋放電，同時(shí)又有快速氣流吹動(dòng)，氣流的存在刻意進(jìn)一步抑制放電

6、過(guò)程中可能產(chǎn)生的放電通道過(guò)于集中的問(wèn)題，有利于產(chǎn)生一種穩(wěn)定而均勻的放電形態(tài)；此外，氣流的吹動(dòng)可以吧放電空間產(chǎn)生的一些活性成分激發(fā)態(tài)粒子甚至荷電粒子導(dǎo)出放電空間區(qū)域，這樣就可以視線放點(diǎn)區(qū)域與工作區(qū)域的分離，使這種放電等離子體發(fā)生器有更大的實(shí)用性。目前這種放電等離子體發(fā)生器被用于表面清洗，表面處理，消毒滅菌，薄膜制備，廢氣廢水處理等方面。（大氣壓低溫等離子體射流發(fā)生裝置示意圖）3大氣壓低溫等離子體射流聚合物表面處理由于介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的等離子體中電子能量在110eV。這樣能量的電子可以打斷大多數(shù)聚合物的化學(xué)鍵（2.010eV），所以經(jīng)過(guò)射流處理的聚合物表面會(huì)長(zhǎng)生大量的不飽和鍵，這些不飽和鍵在空氣中

7、被氧化形成大量的極性基團(tuán)，如-OH,-COO等，這些極性基團(tuán)的存在提高了聚合物的表面能量。使得極性水分子聚合物表面的結(jié)合力增強(qiáng)。從而導(dǎo)致水接觸角的降低。而等離子體改性只涉及聚合物表面0.1um量級(jí)的范圍，不會(huì)對(duì)聚合物的整體結(jié)構(gòu)造成損害。此外低溫等離子體射流表面處理還具有速度快，作用時(shí)間短的特點(diǎn)，因此具有極高的處理效率。不會(huì)污染環(huán)境，是一種非常有前途的表面處理技術(shù)。六、實(shí)驗(yàn)過(guò)程（1）檢查氣路與氣體流量計(jì)，確保氣路不漏氣并暢通，流量計(jì)工作正常。（2）檢查電源狀態(tài)以及各連線，確保連線正確，接地保護(hù)正確連接。（3）取出預(yù)先準(zhǔn)備好的聚乙烯薄膜，放置在放電電極的接地電極端。（4）打開(kāi)高壓氣瓶減壓閥，逐步調(diào)

8、整減壓閥，使氣體流量達(dá)到合適的量值。（5）記錄氣體量值，氣體流量對(duì)放電穩(wěn)定性與改性結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大影響。（6）打開(kāi)電源，逐步調(diào)整放電電壓，使放電產(chǎn)生并平穩(wěn)。（7）記錄放電電壓與頻率參數(shù)（8）經(jīng)過(guò)一段時(shí)間處理后，逐步降低電源的輸出電壓并回復(fù)到零，關(guān)掉電源開(kāi)關(guān)，關(guān)閉氣體減壓閥，停止氣體輸出。（9）用水接觸角測(cè)試儀測(cè)試處理后聚乙烯膜的表面水接觸角。（10）記錄處理前后聚乙烯薄膜的水面接觸角測(cè)量值七、結(jié)果與分析水接觸角左右平均處理前83.6485.1684.40處理后47.2647.7947.52處理前，水滴呈半球型吸附在薄膜上，處理后，水滴曲率明顯減小，呈壓扁的橢球狀。水接觸角明顯減小，薄膜吸水性能明

9、顯提升。這是因?yàn)榻?jīng)過(guò)射流處理的聚合物表面產(chǎn)生大量的不飽和鍵，這些不飽和鍵在空氣中被氧化形成大量的極性基團(tuán)，這些極性基團(tuán)的存在提高了聚合物的表面能量。使得極性水分子聚合物表面的結(jié)合力增強(qiáng)。從而導(dǎo)致水接觸角的降低。八、結(jié)論與應(yīng)用前景用低溫等離子射流對(duì)物體表面進(jìn)行射流處理，可提高物體表面能，提高其表面的親水能力，而且其效率較高，520s左右就可以達(dá)到良好效果。且應(yīng)用廣泛，不僅可以對(duì)聚乙烯薄膜，還可以對(duì)普通的紙，毛皮等物體做表面處理，都效果良好，高效顯著。利用其對(duì)物體表面處理的能力，可應(yīng)用到物品的染色、上色，濾紙的制造，材料處理，繪畫(huà)材料的制備，高吸水性衣料的生產(chǎn)等過(guò)程中。九、參考文獻(xiàn)1.徐學(xué)基，諸定昌。氣體放電。上海，復(fù)旦大學(xué)出版社，19962李篤信，賈德民。聚合物的表面接枝改性技術(shù)進(jìn)展。中國(guó)塑料，19983.馬力群。難粘高分子材料的表面處理技術(shù)?；瘜W(xué)與粘合，1999.4.周其鳳，胡漢杰。高分子化學(xué)。北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.5.肖為雄。合成纖維改性原理與方法。成都：成都科技大學(xué)出版社，1992.6.陳銀，王紅衛(wèi)。等離子體在醫(yī)用材料表面改性中的應(yīng)用，非織造布，2006.7.張燕，顧