低溫等離子體射流聚合物表面改性實(shí)驗(yàn)報(bào)告

低溫等離子體射流聚合物表面改性實(shí)驗(yàn)姓名：_張會(huì)欽學(xué)科、專業(yè)：_學(xué)號(hào)：一物理1004201021017指導(dǎo)教師：—任春生完成日期：2012-3-28大連理工大學(xué)—.摘要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。引言低溫等離子體是繼固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之后的物質(zhì)第四態(tài)，當(dāng)外加電壓達(dá)到氣體的著火電壓時(shí)，氣體分子被擊穿，產(chǎn)生包括大電子，各種離子，原子和自由基在內(nèi)的混合體。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。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。實(shí)驗(yàn)原理介質(zhì)阻擋放電介質(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(DielectricBarrierDischarge，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10?10000。電源頻率可從50Hz至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)示意圖大氣壓低溫等離子體射流發(fā)生裝置示意圖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1?10eV。這樣能量的電子可以打斷大多數(shù)聚合物的化學(xué)鍵(2.0?10eV)，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)。五、實(shí)驗(yàn)要求打開(kāi)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。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。取出準(zhǔn)備好的聚乙烯薄膜，放置在放電電極的接地點(diǎn)極端。打開(kāi)高壓氣體流量值，調(diào)整減壓閥，使氣體流量達(dá)到合適量值并記錄。打開(kāi)電源，調(diào)整放電電壓，使放電產(chǎn)生并穩(wěn)定。記錄放電電壓(可調(diào))和頻率參數(shù)(固定)。經(jīng)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)閉電源和氣體減壓閥。取出經(jīng)處理的聚乙烯薄膜，用水接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量處理前后聚乙烯的表面水接觸角并記錄。結(jié)果與討論氣體流速：0.1m3/h放電電壓：3500V頻率：36kHZ水接觸角左右平均處理前98.21°100.68°99.44°處理后46.41°46.35°46.38°處理后，水接觸角明顯減小，原因是低溫等離子體射流，使聚乙烯薄膜表面產(chǎn)生了一些親水基團(tuán)，改變了薄膜的表面的性質(zhì)，使之親水能力增強(qiáng)，從而導(dǎo)致水接觸角變小。七.結(jié)論及設(shè)想用低溫等離子射流對(duì)聚乙烯表面進(jìn)行射流處理，提高了表面能，提高了其表面親水能力，而且其效率較高，10s左右就可以達(dá)到良好效果。等離子體射流擁有一些特殊的性質(zhì)，其對(duì)于聚合物表面改性的能力可用于紡織染色，材料處理，薄膜制備等。八.參考文獻(xiàn)1.徐學(xué)基，諸