低温等离子体射流聚合物表面改性实验

低温等离子体射流聚合物表面改性实验

姓名：胡颢

学科、专业：物理1001

学号：201021001

指导教师：闫慧杰

完成日期：2012年3月7日

大连理工大学

Dalian University of Technology

一、摘要

本实验是采用大气压下氩气低温等离子体射流对聚合物（聚乙烯薄膜）进行表面处理，以改善聚合物的表面能，提高其表面亲水能力与表面粘接强度。通过实验认识大气压放电等离子体的发生与其基本应用，并进一步从等离子体物理与等离子体化学角度分析其内在机理。

二、引言

大气压等离子体的运行与操作都相对比较简单，运行成本也大大降低，而且可以很方便地实现在线运行，所以其利用范围与领域被极大拓宽，在材料表面处理、臭氧产生、废气处理、污水处理、薄膜制备等方面获得了广泛的应用.大气压放电等离子体目前主要有电弧放电、电晕放电、火花放电、流光放电等基本形式.产生方法主要有介质阻挡放电、尖端电晕放电、空心阴极放电以及大气压低温等离子体射流等.低温等离子体射流是目前被广泛研究的一种大气压等离子体放电形式.由于其具有移动性比较好的特点，所以目前在材料表面处理、薄膜制备、消毒灭菌以及水处理方面都得到广泛应用。射流型大气低温等离子体表面处理机

射流型大气低温等离子体表面处理机(CTD-1000Z) 射流型大气低温等离子体其离子和电子的能量可达6～10eV。其最大的特点是喷射出的等离子体流为中性，不带电。可对被处理的物体表面进行改性、清洗和刻蚀。可以对各种高分子、金属、半导体、橡胶、PCB电路板等材料进行表面处理

四、实验仪器

中频放电功率源，大气压低温等离子体射流发生装置，气瓶，气体流量计，水接触角测试仪。

五、实验原理

1．介质阻挡放电

大气压条件下，气体击穿需要很高的电压，所以空间电场通常很强，再加上大气压条件下电子碰撞电离概率比较高，所以气体放电很容易过渡到弧光放电。为了抑制弧光放电的产生，可以采取介质阻挡放电形式。介质阻挡放电又称无声放电，在外电场E1的作用下，气体中的电子被加速，当E1达到某一值E年是就会产生电子雪崩。气体被击穿，放电空间产生大量电子和离子。电子在电极表面的绝缘层沉积下来并建立一个内电场E2，该内电场的方向与外电场的方向相反。若忽略空间电荷场，则放电空间的总电场由（E1+E2）决定。随着放电的发展，电极上积累的电荷足够多时，总电场地道不能再是电子加速到足够能量而产生碰撞电离。则放电熄灭。所以阻挡放电是一个不断产生熄灭的交替过程,产生的等离子体是典型的非平衡态低温等离子体。

介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge，DBD)是有绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态气体放电又称介质阻挡电晕放电或

无声放电。介质阻挡放电能够在高气压和很宽的频率范围内工作，通常的工作气压为10～10000。电源频率可从50Hz至1MHz。

电极结构的设计形式多种多样。在两个放电电极之间充满某种工

作气体,并将其中一个或两个电极用绝缘介质覆盖,也可以将介质直接悬挂在放电空间或采用颗粒状的介质填充其中，当两电极间施加足够高的交流电压时，电极间的气体会被击穿而产生放电，即产生了介质阻挡放电。在实际应用中，管线式的电极结构被广泛的应用于各种化学反应器中，而平板式电极结构则被广泛的应用于工业中的高分子和金属薄膜及板材的改性、接枝、表面张力的提高、清洗和亲水改性中。

（介质阻挡放电的结构示意图）

2．大气低温等离子体射流

大气压低温等离子体射流发生装置见上图，其基本放电形式是介质阻挡放电，同时又有快速气流吹动，气流的存在刻意进一步抑制放电过程中可能产生的放电通道过于集中的问题，有利于产生一种稳定而均匀的放电形态；此外，气流的吹动可以吧放电空间产生的一些活性成分激发态粒子甚至荷电粒子导出放电空间区域，这样就可以视线放点区域与工作区域的分离，使这种放电等离子体发生器有更大的实用性。目前这种放电等离子体发生器被

用于表面清洗，表面处理，消毒灭菌，薄膜制备，废气废水处理等方面。

（大气压低温等离子体射流发生装置示意图）

3．大气压低温等离子体射流聚合物表面处理

由于介质阻挡放电产生的等离子体中电子能量在1~10eV。这样能量的电子可以打断大多数聚合物的化学键（2.0~10eV），所以经过射流处理的聚合物表面会长生大量的不饱和键，这些不饱和键在空气中被氧化形成大量的极性基团，如-OH,-COO等，这些极性基团的存在提高了聚合物的表面能量。使得极性水分子聚合物表面的结合力增强。从而导致水接触角的降低。而等离子体改性只涉及聚合物表面0.1um量级的范围，不会对聚合物的整体结构造成损害。此外低温等离子体射流表面处理还具有速度快，作用时间短的特点，因此具有极高的处理效率。不会污染环境，是一种非常有前途的表面处理技术。

六、实验过程

（1）检查气路与气体流量计，确保气路不漏气并畅通，流量计工作正常。

（2）检查电源状态以及各连线，确保连线正确，接地保护正确连接。

（3）取出预先准备好的聚乙烯薄膜，放置在放电电极的接地电极端。

（4）打开高压气瓶减压阀，逐步调整减压阀，使气体流量达到合适的量值。

（5）记录气体量值，气体流量对放电稳定性与改性结果会产生较大影响。

（6）打开电源，逐步调整放电电压，使放电产生并平稳。（7）记录放电电压与频率参数

（8）经过一段时间处理后，逐步降低电源的输出电压并回复到零，关掉电源开关，关闭气体减压阀，停止气体输出。

（9）用水接触角测试仪测试处理后聚乙烯膜的表面水接触角。（10）记录处理前后聚乙烯薄膜的水面接触角测量值

七、结果与分析

处理前，水滴呈半球型吸附在薄膜上，处理后，水滴曲率明显减小，呈压扁的椭球状。水接触角明显减小，薄膜吸水性能明显提升。这是因为经过射流处理的聚合物表面产生大量的不饱和键，这些不饱和键在空气中被氧化形成大量的极性基团，这些极性基团的存在提高了聚合物的表面能量。使得极性水分子聚合物表面的结合力增强。从而导致水接触角的降低。

八、结论与应用前景

用低温等离子射流对物体表面进行射流处理，可提高物体表面能，提高其表面的亲水能力，而且其效率较高，5~20s左右就可以达到良好效果。且应用广泛，不仅可以对聚乙烯薄膜，还可以对普通的纸，毛皮等物体做表面处理，都效果良好，高效显著。利用其对物体表面处理的能力，可应用到物品的染色、上色，滤纸的制造，材料处理，绘画材料的制备，高吸水性衣料的生产等过程中。

九、参考文献

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