利用大气压均匀放电改善芳纶亲水性的装置及方法

摘要

利用大气压均匀放电改善芳纶布亲水性的装置及方法，属于大气压低温等离子体技术领域，由双极性纳秒脉冲电源(1)、线‑板式电极、电学测量系统、光谱测量系统和芳纶布处理装置组成。双极性纳秒脉冲电源(1)驱动线‑板式电极，发生介质阻挡放电，通过电学测量系统和光谱测量系统分析放电等离子体的特性，改变放电参数得到均匀的放电等离子体，用于处理芳纶布(7)，降低芳纶布(7)的水接触角。

权利要求

1.利用大气压均匀放电改善芳纶布亲水性的装置，其特征在于，主要由线-板式电极、电学测量系统和光谱测量系统组成，其特征在于：

线电极(8)通过连接部件(19)固定于水平状态的板电极(9)的中心轴线正上方，且平行于板电极(9)；连接部件(19)将线电极(8)和双极性纳秒脉冲电源的高压输出(3)相互连接；

介质板(10)覆盖在板电极(9)上，并用导电胶固定在板电极(9)的上表面，线电极(8)和板电极(9)之间的电极间隙距离在0-5mm范围内可调；线电极(8)下端的尖端夹角为30°-45°，尖端曲率半径为0.6-0.8mm；由外力驱动的进样卷轴(6)和出样卷轴(11)分别固定于板电极(9)的两侧，位置处于使得连接两个卷轴上的芳纶布能在由线电极(8)、板电极(9)组成的线-板式电极之间，沿垂直于线电极(8)的方向水平移动；

电学测量系统主要由数字示波器(5)、高压探头(4)和电流探头(15)组成；将高压探头线路一端连接在线电极(8)上，另一端连接在数字示波器(5)上；将电流探头线路一端接在板电极(9)与接地(2)之间的导线上，另一端接在数字示波器(5)上；电学测量系统实时测量介质阻挡放电的放电电压和电流，并由数字示波器(5)显示；

光谱测量系统主要由凸透镜(12)、光纤探头(13)、光纤(14)、高分辨率光栅单色仪(16)、电荷耦合器件(17)和计算机(18)组成；凸透镜(12)固定在板电极(9)和光纤探头(13)之间，使线-板式电极的放电间隙、凸透镜中心点以及光纤探头(13)三者在同一水平直线上；光纤探头(13)收集到由凸透镜(12)会聚后的光信号，并经光纤(14)传输至高分辨率光栅单色仪(16)进行分光，分光后的单色光信号经电荷耦合器件(17)转变为数字信号，最后由计算机(18)采集处理；

所述的利用大气压均匀放电改善芳纶布亲水性的装置中的连接部件(19)是上端有一个螺柱(20)，两侧各有一个通孔(21)的导电体，其中上端的螺柱(20)用于连接和固定双极性纳秒脉冲电源的高压输出(3)，并能调节线电极(8)与板电极(9)之间的距离；连接部件两侧的通孔(21)与线电极的螺孔(22)对应，通过螺栓(23)连接线电极，并可调节线电极(8)的倾斜度。

说明书

利用大气压均匀放电改善芳纶亲水性的装置及方法

技术领域

[0001] 利用大气压均匀放电改善芳纶布亲水性的装置及方法，属于等离子体技术领域，特别是涉及一种在大尺寸线-板式电极结构下利用双极性高压纳秒脉冲电源驱动，在大气压环境中获得大面积低均匀放电装置，并使用放电等离子体对芳纶布进行处理，从而改善其亲水性的技术。

背景技术

[0002] 芳纶布全称为“聚对苯二甲酰对苯二胺”，是一种新型的链状高分子复合材料，具有高结晶化、高强度、高模量和耐高温等特点，在近年来被广泛应用于航空、航天、汽车和造船等行业中。然而，芳纶布的表面因为高结晶化而非常光滑，这导致了其亲水性较差，影响了其在工业上的应用。改善芳纶布亲水性的传统方法主要是通过化学工艺，但是化学试剂成本高，效率低，而且会对环境造成污染。相比而言使用等离子体对芳纶布进行表面改性更加可靠、方便，成本更低，而且对环境不造成污染。

[0003] 获得等离子体的手段有很多，其中介质阻挡放电是在大气压中获得低温等离子体最普遍的一种方式。介质阻挡放电等离子体有三种放电模式，分别是均匀放电模式、丝状放电模式和自组织斑图模式。其中丝状放电在流注击穿过程中，放电通道内的电流密度和能量密度都非常高，很容易损伤材料表面，因此不宜于处理纤维材料。相比而言，均匀放电因为适中的功率密度、均匀的能量分布以及无明显的丝状通道等优点，更适合进行芳纶布表面改性。然而传统的介质阻挡放电是运用正弦交流电源驱动的，在大气压空气环境下放电非常容易从均匀模式向丝状模式转变，这种转变影响了介质阻挡放电在工业上的应用，因此在大气压空气中获得均匀的放电等离子体非常重要。

[0004] 近年来，纳秒脉冲电源驱动的介质阻挡放电被认为是在大气压空气中能有效抑制放电由均匀放电模式向丝状放电、火花放电以及电弧放电模式转变而获得均匀放电等离子体的一种有效手段。在纳秒脉冲放电中，由于纳秒脉冲具有陡峭脉冲电压上升沿和较短脉冲持续时间等特点，使能量输入用于电子在电场中获得最大程度的加速而不是加热气体。因此纳秒脉冲介质阻挡放电相比于交流介质阻挡放电，具有等离子体温度更低、产生活性粒子效率更高和能量消耗更低等优点，在改善芳纶布表面亲水性领域有着很好的应用前景。

[0005] 专利CN104853513A提供了一种管式电极结构的大面积均匀介质阻挡放电装置，该装置可以在大气压下产生大面积均匀等离子体，但是这种放电需要在纯氮气的环境下才能产生均匀放电，使用成本较高，影响了其在工业上的应用。专利CN104831519A解决了在大气压下通过介质阻挡放电处理纱线材料，但其使用的管式电极结构只能处理单根纤维，效率较低，且放电模式为丝状放电，对材料表面会造成烧蚀、穿洞等损伤，因此实际应用范围受到了很大的限制。专利CN104694733A使用等离子体放电处理金属表面，该专利应用了纳秒脉冲介质阻挡放电，获得了均匀的等离子体，专利中高压电极与地电极交替排列，更利于形成体积放电而不是沿面放电，不适于芳纶布等纺织物的处理。本发明利用纳秒脉冲电源驱动的介质阻挡放电，可以在大气压条件下获得均匀的放电等离子体；同时使用线-板式电极结构保证了等离体面积足够大，有利于大面积处理芳纶布；在线-板式电极中设计了微调装置，方便调节，解决了传统的线-板式电极不容易调平、影响放电均匀性的问题。

发明内容

[0006] 为了在大气压空气环境下获得大面积均匀放电等离子体，并用于有效改善芳纶布表面亲水性，本发明提供了一种利用大气压均匀放电改善芳纶布亲水性的装置，主要由线-板式电极、电学测量系统和光谱测量系统组成。

[0007] 线电极通过连接部件固定于水平状态的板电极的中心轴线正上方，且平行于板电极；连接部件将线电极和双极性纳秒脉冲电源的高压输出相互连接；介质板覆盖在板电极上，并用导电胶固定在板电极的上表面，线电极和板电极之间的电极间隙距离在0-5mm范围内可调；线电极端的尖端夹角为30°-45°，尖端曲率半径为0.6-0.8mm；由外力驱动的进样卷轴和出样卷轴分别固定于板电极的两侧，位置处于使得连接两个卷轴上的芳纶布能在由线电极、板电极组成的线-板式电极之间，沿垂直于线电极的方向水平移动。

[0008] 电学测量系统主要由数字示波器、高压探头和电流探头组成；将高压探头线路一端连接在线电极上，另一端连接在数字示波器上；将电流探头线路一端接在板电极与接地之间的导线上，另一端接在数字示波器上；电学测量系统实时测量介质阻挡放电的放电电压和电流，并由数字示波器显示。

[0009] 光谱测量系统主要由凸透镜、光纤探头、光纤、高分辨率光栅单色仪、电荷耦合器件和计算机组成；凸透镜固定在板电极和光纤探头之间，使线-板式电极的放电间隙、凸透镜中心点以及光纤探头三者在同一水平直线上；光纤探头收集到由凸透镜会聚后的光信号，并经光纤传输至高分辨率光栅单色仪进行分光，分光后的单色光信号经电荷耦合器件转变为数字信号，最后由计算机采集处理。

[0010] 连接部件是上端有一个螺柱、两侧各有一个通孔的导电体，其中上端的螺柱用于连接和固定双极性纳秒脉冲电源的高压输出，并能调节线电极与板电极之间的距离；连接部件两侧的通孔与线电极的螺孔对应，通过螺栓连接线电极，并可调节线电极的倾斜度。

[0011] 改善芳纶布亲水性的方法包括如下步骤：

[0012] 步骤1：在对芳纶布进行处理前，为了去除芳纶布表面的油污，首先将芳纶布浸泡在丙酮溶液中3-6小时，之后用超声波清洗机在丙酮溶液中清洗芳纶布10-30分钟，最后在干燥的环境下自然晾干；将晾干的芳纶布的两端分别缠绕在进样卷轴和出样卷轴上；

[0013] 步骤2：调节连接部件的螺柱调整线电极与介质板之间的距离；调节连接部件两侧的螺栓)使线电极与介质板保持平行；将凸透镜和光纤探头放置在线-板式电极的一侧，调整凸透镜和光纤探头的位置，使线-板式电极的放电间隙、凸透镜中心点以及光纤探头三者在同一水平直线上；

[0014] 步骤3：连接双极性纳秒脉冲电源和高压探头、电流探头和数字示波器，打开数字示波器、高分辨率光栅单色仪、电荷耦合器件和计算机；调节数字示波器的电压、电流至适当量程，通过计算机上的控制软件调节高分辨率光栅单色仪和电荷耦合器件的光栅数、分辨率、曝光时间、光谱采集范围等参数；

[0015] 步骤4：打开双极性纳秒脉冲电源启动开关，先调节脉冲重复频率,然后调节脉冲峰值；同时转动进样滚轴和出样滚轴，使芳纶布匀速缓慢通过放电等离子体区域；

[0016] 步骤5：处理结束后，先将脉冲峰值电压调为0再将脉冲重复频率调为0，最后关闭双极性纳秒脉冲电源，取出芳纶布。

[0017] 本发明的有益效果是：(1)采用双极性纳秒脉冲电源驱动下的介质阻挡放电，在大气压空气环境中获得了均匀的放电等离子体；(2)通过使用大尺寸线-板式电极，保证了等离子体的空间放电体积和沿面放电面积都足够大，有利于大面积处理芳纶布，以达到工业应用上的需求；(3)可以通过发射光谱仪和数字示波器对等离子体的光谱和电学特性进行实时诊断，便于分析放电机理和放电产生的活性粒子，深入了解等离子体处理芳纶布的机理；(4)通过测量样品的水接触角发现，处理后的芳纶布水接触角从大约96°下降至大约60°，亲水性得到明显改善。

附图说明

[0018] 图1为本发明的结构示意图。

[0019] 图2为线-板式电极结构主视安装图。

[0020] 图3为线-板式电极结构侧视安装图。

[0021] 图中：1.双极性纳秒脉冲电源；2.接地；3.高压输出；4.高压探头；5.数字示波器；6.进样卷轴；7.芳纶布；8.线电极；9.板电极；10.介质板；11.出样卷轴；12.凸透镜；13.光纤探头；14.光纤；15.电流探头；16.高分辨率光栅单色仪；17.电荷耦合器件；18.计算机；19.连接部件；20.螺柱；21.通孔；22.螺孔；23.螺栓。

具体实施方式

[0022] 下面结合附图对本发明做详细的说明。

[0023] 利用大气压均匀放电改善芳纶布亲水性的装置，主要由线-板式电极、电学测量系统和光谱测量系统组成。

[0024] 线电极8通过连接部件19固定于水平状态的板电极9的中心轴线正上方，且平行于板电极9；连接部件19将线电极8和双极性纳秒脉冲电源的高压输出3相互连接；介质板10覆盖在板电极9上，并用导电胶固定在板电极9的上表面，线电极8和板电极9之间的电极间隙距离在0-5mm范围内可调；线电极8下端的尖端夹角为30°-45°，尖端曲率半径为0.6-0.8mm；由外力驱动的进样卷轴6和出样卷轴11分别固定于板电极9的两侧，位置处于使得连接两个卷轴上的芳纶布能在由线电极8、板电极9组成的线-板式电极之间，沿垂直于线电极8的方向水平移动；

[0025] 电学测量系统主要由数字示波器5、高压探头4和电流探头15组成；将高压探头线路一端连接在线电极8上，另一端连接在数字示波器5上；将电流探头线路一端接在板电极9与接地2之间的导线上，另一端接在数字示波器5上；电学测量系统实时测量介质阻挡放电的放电电压和电流，并由数字示波器5显示；

[0026] 光谱测量系统主要由凸透镜12、光纤探头13、光纤14、高分辨率光栅单色仪16、电荷耦合器件17和计算机18组成；凸透镜12固定在板电极9和光纤探头13之间，使线-板式电极的放电间隙、凸透镜中心点以及光纤探头13三者在同一水平直线上；光纤探头13收集到由凸透镜12会聚后的光信号，并经光纤14传输至高分辨率光栅单色仪16进行分光，分光后的单色光信号经电荷耦合器件17转变为数字信号，最后由计算机18采集处理。

[0027] 连接部件19是上端有一个螺柱20，两侧各有一个通孔21的导电体，其中上端的螺柱20用于连接和固定双极性纳秒脉冲电源的高压输出3，并能调节线电极8与板电极9之间的距离；连接部件两侧的通孔21与线电极的螺孔22对应，通过螺栓23连接线电极，并可调节线电极8的倾斜度。

[0028] 改善芳纶布亲水性的方法包括如下步骤：

[0029] 步骤1：在对芳纶布进行处理前，为了去除芳纶布表面的油污，首先将芳纶布浸泡在丙酮溶液中3-6小时，之后用超声波清洗机在丙酮溶液中清洗芳纶布10-30分钟，最后在干燥的环境下自然晾干；将晾干的芳纶布的两端分别缠绕在进样卷轴和出样卷轴上；

[0030] 步骤2：调节连接部件的螺柱20调整线电极8与介质板10之间的距离；调节连接部件两侧的螺栓21使线电极8与介质板10保持平行；将凸透镜12和光纤探头13放置在线-板式电极的一侧，调整凸透镜12和光纤探头13的位置，使线-板式电极的放电间隙、凸透镜中心点以及光纤探头13三者在同一水平直线上；

[0031] 步骤3：连接双极性纳秒脉冲电源1和高压探头4、电流探头15和数字示波器5，打开数字示波器5、高分辨率光栅单色仪16、电荷耦合器件17和计算机18；调节数字示波器5的电压、电流至适当量程，通过计算机18上的控制软件调节高分辨率光栅单色仪16和电荷耦合器件17的光栅数、分辨率、曝光时间、光谱采集范围等参数；

[0032] 步骤4：打开双极性纳秒脉冲电源1启动开关，先调节脉冲重复频率,然后调节脉冲峰值；同时转动进样滚轴6和出样滚轴11，使芳纶布7匀速缓慢通过放电等离子体区域；

[0033] 步骤5：处理结束后，先将脉冲峰值电压调为0再将脉冲重复频率调为0，最后关闭双极性纳秒脉冲电源1，取出芳纶布7。

[0034] 本发明所使用的所使用的数字示波器5为美国Tektronix公司提供的MDO3034型数字示波器，带宽为350MHz，高压探头4为Tektronix公司的P6015A，1000×，3.0pF，100MΩ高压探头，电流探头15为Pearson探头，型号为4100。光谱仪为Andor公司的SR-750i型高分辨光栅光谱仪，高分辨率光栅单色仪16和电荷耦合器件17被集成在光谱仪内部。

[0035] 本实施例中，板电极9长120mm，宽30mm，厚度为3mm。介质板10长150mm，宽60mm，厚度为2mm，介质板10覆盖在板电极9上并使用导电胶黏合在一起。线电极8长120mm，高10mm，最厚处5mm，下端的尖端夹角为40°，尖端曲率半径为0.8mm。