專利名稱：用于聚合物材料表面改性的等離子體處理裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于聚合物材料表面改性的裝置和方法，具體的為一種利用大氣壓下產生輝光放電的低溫等離子體來改善聚合物材料的表面性能的裝置和方法。
背景技術：
聚合物材料因其出色的機械性能、化學性能和熱穩(wěn)定性而廣泛應用于工業(yè)生產和人們日常生活的方方面面。然而，由于聚合物表面的親水性低，使其存在難以與其它材料黏結的缺陷，因此需要改善其表面性能。
目前，廣泛用于聚合物表面改性的方法包括化學處理、光輻射處理和等離子體處理等，其中，等離子體處理因其對環(huán)境的無污染性而得到越來越多的關注。由活性粒子和電磁輻射構成的大氣壓輝光放電等離子體可以被直流或射頻電流激發(fā)，在聚合物表面引起一系列的化學反應并形成能夠增強聚合物材料表面性能的新型基團，通過活性基團嵌入、表面刻蝕和交聯(lián)等過程實現表面改性。等離子體處理的優(yōu)勢主要包含兩個方面: O等離子體處理僅發(fā)生在聚合物表面幾十納米范圍內，不會改變基體結構； 2)等離子體激發(fā)條件不同，可產生不同類型的等離子體，如氧化型等離子體和還原型等尚子體等。
以往用于聚合物表面改性的等離子體可由低氣壓輝光放電、大氣壓電暈放電和介質阻擋放電產生。這三種等離子體表面改性技術都存在著各種無法解決的問題，影響其發(fā)展和應用。
低氣壓輝光放電等離子體雖然在一定程度上能夠實現聚合物表面均勻改性的要求，但是需要真空系統(tǒng)，導致設備體積龐大，能耗高，操作復雜，難以實現工業(yè)化生產。與低氣壓等離子體處理技術相比，大氣壓放電和介質阻擋放電等離子體可以在常壓下的空氣中產生，雖然在一定程度上具有不需要昂貴的真空設備、操作簡便和成本低廉的優(yōu)點，但還存在以下不足。
公開號為CN1900408的中國專利公開了一種電暈放電低溫等離子體織物改性處理裝置，該裝置雖然在一定程度上能夠達到在常壓下對織物改性的目的，但是其放電等離子體中存在大量高能量密度的細絲放電，這將對聚合物表面造成損傷，并造成聚合物表面改性質量不均勻。
同理，公開號為CN101580594的中國專利公開了一種介質阻擋放電等離子體技術改性芳綸復合材料界面的方 法，該方法也存在放電等離子體中存在大量高能量密度的細絲放電，對聚合物表面造成損傷和造成聚合物表面改性質量不均勻的缺陷。
另外，目前的大氣壓放電等離子體通常采用射頻或微波電容耦合或電感耦合放電產生，大功率的射頻或微波電源制作困難，價格高，并且容易對人體和其他測量設備產生干擾，而大氣壓下的直流電源驅動的放電等離子體由于很容易產生輝光到弧光的轉變而不容易實現穩(wěn)定放電。發(fā)明內容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種用于聚合物材料表面改性的等離子體處理裝置和方法，該等離子體處理裝置和方法不僅能夠在常壓大氣中產生用于聚合物材料表面改性的等離子體，而且不會對聚合物表面造成損傷，并具有改性質量均勻的優(yōu)點。
為達到上述目的，本發(fā)明首先提出了一種用于聚合物材料表面改性的等離子體處理裝置，包括直流電源和反應室，所述反應室內對應設有分別與直流電源相連的金屬陽極和液態(tài)陰極，且所述反應室內設有用于盛放所述液態(tài)陰極的液體介質的容器，所述金屬陽極正對設置在所述液態(tài)陰極的液面正上方，所述反應室內還設有用于氣體介質流通的進氣系統(tǒng)。
進一步，所述進氣系統(tǒng)包括設置在所述反應室上的進氣口和出氣口，所述進氣口設置在所述液態(tài)陰極的上方，且所述進氣口上依次設有氣體流量計、氣閥和進氣泵，所述出氣口設置在所述液態(tài)陰極的下方并直接與大氣相通。
進一步，所述氣體介質為空氣、氮氣或惰性氣體；所述液態(tài)陰極的液體介質為自來水或氧化性試劑溶液。
進一步，還包括用于向所述容器內補充液體介質的蠕動泵。
進一步，所述反應室內設有用于聚合物材料連續(xù)進料的驅動裝置，所述驅動裝置包括用于將聚合物材料導向至金屬陽極與液態(tài)陰極之間的驅動輥、設置在所述容器內并用于調節(jié)聚合物材料與液態(tài)陰極液面距離的升降輥和用于收卷處理完成后的聚合物材料的收卷輥，所述收卷輥上設有驅動電機，所述容器上設有用于調節(jié)升降輥上下位置的升降機構。
進一步，所述反應室內設有用于調節(jié)所述金屬陽極與所述液態(tài)陰極之間間距的調節(jié)機構。
進一步，所述金屬陽極采用耐燒蝕金屬材料制成并與所述液態(tài)陰極的液面垂直，且所述金屬陽極呈針狀、棒狀、筒狀或板狀，并陣列布置在所述液態(tài)陰極的液面上方，每一根所述金屬陽極與所述直流電源之間均設有鎮(zhèn)流電阻。
本發(fā)明還公開了一種采用如上所述等離子體處理裝置的用于聚合物材料表面改性的等離子體處理方法，包括如下步驟: 1)將待處理聚合物材料置于液態(tài)陰極液面下方，并調節(jié)所述聚合物材料與液態(tài)陰極液面之間距離至設定值； 2)啟動進氣系統(tǒng)向反應室內進氣； 3)啟動直流電源，調節(jié)金屬陽極和液態(tài)陰極之間的間距至設定值，使金屬陽極和液態(tài)陰極之間產生放電等離子體，開始對聚合物材料進行等離子體處理； 4 )處理完成后，關閉直流電源，取出聚合物材料。
進一步，所述步驟I)中，待處理聚合物材料水平置于液態(tài)陰極液面的下方，且待處理聚合物材料的上表面至液態(tài)陰極液面的距離為1-1Omm ； 進一步，所述步驟3 )中，所述直流電源的輸出電壓值可調，且所述金屬陽極和液態(tài)陰極之間的放電電壓為0- 10000V，放電電流為0-300mA。
本發(fā)明的有益效果在于: 本發(fā)明用于聚合物材料表面改性的等離子體處理裝置，通過將金屬陽極和液態(tài)陰極與直流電源相連，用直流高壓驅動產生大氣壓輝光放電等離子體，可以在開放大氣中激發(fā)，不需要昂貴的真空設備，操作簡便，成本低廉；該等離子體中包含高能電子、離子、激發(fā)態(tài)分子原子及各種激發(fā)態(tài)和紫外光等多種活性粒子，這些活性粒子與聚合物表面進行相互作用，引起聚合物表面發(fā)生物理、化學組分以及化學結構的變化，從而達到表面改性的目的； 采用直流電源提供放電電壓，且放電電壓在幾百到幾千伏，放電電流在毫安量級；等離子體處理效果可通過調節(jié)聚合物表面到液態(tài)陰極液面的距離實現，通過調節(jié)聚合物表面到液態(tài)陰極液面的距離，能夠方便控制到達聚合物表面的活性粒子量，達到實現不同處理效果的目的。
本發(fā)明用于聚合物材料表面改性的等離子體處理裝置和方法，在放電情況良好的情況下，不會發(fā)生火花和電弧放電，避免了弧光放電和過高的等離子體溫度而引起的被處理物的燒蝕穿孔和熱破壞，放電產生的等離子體溫度和能量適中，能在不破壞聚合物內部結構的情況下改善聚合物表面的吸水性，使聚合物的潤濕性顯著提高。


為了使本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進行說明: 圖1為本發(fā)明用于聚合物材料表面改性的等離子體處理裝置第一實施例的結構示意圖； 圖2為本發(fā)明用于聚合物材料表面改性的等離子體處理裝置第二實施例的結構示意圖； 圖3為采用本發(fā)明用于聚合物材料表面改性的等離子體處理方法處理后的聚酰亞胺薄膜表面的水接觸角和α-溴萘接觸角隨處理時間的變化關系圖； 圖4為采用本發(fā)明用于聚合物材料表面改性的等離子體處理方法處理后的聚酰亞胺薄膜表面的含水率隨處理時間的變化關系圖； 圖5為采用本發(fā)明用于聚合物材料表面改性的等離子體處理方法處理后的聚酰亞胺薄膜表面的含水率隨薄膜表面到液面厚度的變化關系圖。
具體實施方式
下面將結合附圖 ，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。
第一實施例 如圖1所示，為本發(fā)明用于聚合物材料表面改性的等離子體處理裝置實施例的結構示意圖。本實施例用于聚合物材料表面改性的等離子體處理裝置，包括直流電源I和反應室2，反應室2內對應設有分別與直流電源I相連的金屬陽極3和液態(tài)陰極4，且反應室2內設有用于盛放液態(tài)陰極4的液體介質的容器5，金屬陽極3正對設置在液態(tài)陰極4的液面正上方，反應室2內還設有用于氣體介質流通的進氣系統(tǒng)。
優(yōu)選的，本實施例反應室2內設有用于調節(jié)金屬陽極3與液態(tài)陰極4之間間距的調節(jié)裝置，本實施例的調節(jié)裝置為設置在反應室2頂部與金屬陽極3之間的螺紋調節(jié)結構。通過調節(jié)金屬陽極3和液態(tài)陰極4之間的距離，并結合金屬陽極2和液態(tài)陰極4之間的放電電壓，能夠有效擊穿氣體介質，并產生大氣壓輝光放電等離子體。優(yōu)選的，金屬陽極3與所述液態(tài)陰極4的液面垂直，且金屬陽極3采用耐燒蝕金屬材料制成，如采用鉬、鎢和不銹鋼等金屬材質制成，且金屬陽極3可以呈針狀、棒狀、筒狀或板狀，本實施例的金屬陽極3采用鉬制成，且金屬陽極3呈棒狀。
本實施例用于聚合物材料表面改性的等離子體處理裝置，通過將金屬陽極3和液態(tài)陰極4與直流電源相連，用直流高壓驅動產生大氣壓輝光放電等離子體，可以在開放大氣中激發(fā)，不需要昂貴的真空設備，操作簡便，成本低廉。該等離子體中包含高能電子、離子、激發(fā)態(tài)分子原子及各種激發(fā)態(tài)和紫外光等多種活性粒子，這些活性粒子與聚合物表面進行相互作用，引起聚合物表面發(fā)生物理、化學組分以及化學結構的變化，從而達到表面改性的目的。采用直流電源提供放電電壓，且放電電壓在幾百到幾千伏，放電電流在毫安量級。等離子體處理效果可通過調節(jié)聚合物表面到液態(tài)陰極液面的距離實現，通過調節(jié)聚合物表面到液態(tài)陰極液面的距離，能夠方便控制到達聚合物表面的活性粒子量，達到實現不同處理效果的目的。
本實施例用于聚合物材料表面改性的等離子體處理裝置，在放電情況良好的情況下，不會發(fā)生火花和電弧放電，避免了弧光放電和過高的等離子體溫度而引起的被處理物的燒蝕穿孔和熱破壞，放電產生的等離子體溫度和能量適中，能在不破壞聚合物內部結構的情況下改善聚合物表面的吸水性，使聚合物的潤濕性顯著提高。
進一步，進氣系統(tǒng)包括設置在反應室2上的進氣口 6和出氣口 7，進氣口 6設置在液態(tài)陰極4的上方，且進氣口 6上依次設有氣體流量計、氣閥和進氣泵，出氣口 7設置在液態(tài)陰極4的下方并直接與大氣相通，采用該結構的進氣系統(tǒng)，能夠滿足進氣的要求。
進一步，從進氣系統(tǒng)通入反應室內的氣體介質為空氣、氮氣或惰性氣體；液態(tài)陰極4的液體介質為自來水或氧化性試劑溶液，本實施例的氣體介質為空氣，液態(tài)陰極4的液體介質為氧化性試劑溶液，能夠滿足使用要求。
進一步，金屬陽極3與直流電源I之間設有鎮(zhèn)流電阻8，鎮(zhèn)流電阻8的阻值為10歐姆-100兆歐姆，本實施例的鎮(zhèn)流電阻8的阻值選用10兆歐姆，能夠滿足使用要求。
第二實施例 如圖2所示，為本發(fā)明用于聚合物材料表面改性的等離子體處理裝置第二實施例的結構示意圖。本實施例用于聚合物材料表面改性的等離子體處理裝置，包括直流電源I和反應室2，反應室2內對應設有分別與直流電源I相連的金屬陽極3和液態(tài)陰極4，且反應室2內設有用于盛放液態(tài)陰極4的液體介質的容器5,金屬陽極3正對設置在液態(tài)陰極4的液面正上方，反應室2內還設有用于氣體介質流通的進氣系統(tǒng)。
本實施例反應室2內設有用于聚合物材料連續(xù)進料的驅動裝置，所述驅動裝置包括用于將聚合物材料導向至金屬陽極3與液態(tài)陰極4之間的驅動輥10、設置在容器5內并用于調節(jié)聚合物材料9與液態(tài)陰極4液面距離的升降輥11和用于收卷處理完成后的聚合物材料9的收卷輥12，收卷輥12上設有驅動電機，容器5上設有用于調節(jié)升降輥12上下位置的升降機構。通過設置驅動裝置，在驅動電機的作用下，能夠連續(xù)驅動聚合物材料9至金屬陽極3與液態(tài)陰極4之間進行等離子體處理，能夠有效實現連續(xù)生產，提高生產效率。升降機構可以采用多種結構實現，本實施例的升降機構包括固定安裝在容器5上的伸縮桿13，升降輥12鉸接安裝在伸縮桿13上，通過伸縮桿13的伸縮作用，能夠調節(jié)升降滾12在容器5內的上下位置，進而調節(jié)聚合物材料9與液態(tài)陰極液面之間的距離。
優(yōu)選的，本實施例用于聚合物材料表面改性的等離子體處理裝置還包括用于向容器5內補充液體介質的蠕動泵14，能夠及時向容器5內補充液體介質，保證等離子體處理能夠連續(xù)地進行。
優(yōu)選的，金屬陽極3與所述液態(tài)陰極4的液面垂直，且金屬陽極3采用耐燒蝕金屬材料制成，如采用鉬、鎢和不銹鋼等金屬材質制成，且金屬陽極3可以呈針狀、棒狀、筒狀或板狀，并陣列布置在液態(tài)陰極4的液面上方，每一根金屬陽極3與直流電源I之間均設有鎮(zhèn)流電阻8，本實施例的金屬陽極3采用鎢制成，且金屬陽極3呈針狀。通過在液態(tài)陰極4的液面上方陣列布置多根金屬陽極3，能夠使產生的等離子體分布更加均勻，使得等離子體處理的效果更好，金屬陽極3 —般采用1-20根，本實施例的液態(tài)陰極4的液面上方陣列布置3排3列共9根金屬陽極3。
優(yōu)選的，本實施例反應室2內設有用于調節(jié)金屬陽極3與液態(tài)陰極4之間間距的調節(jié)裝置，通過調節(jié)金屬陽極3和液態(tài)陰極4之間的距離，并結合金屬陽極2和液態(tài)陰極4之間的放電電壓，能夠有效擊穿氣體介質，并產生大氣壓輝光放電等離子體。本實施例的調節(jié)裝置包括用于安裝金屬陽極3的安裝板15，安裝板15與反應室2頂部之間設有螺紋調節(jié)機構，能夠實現金屬陽極3的同步距離調節(jié)。
本實施例的其他實施方式與第一實施例相同，不再累述。
下面結合上述第二實施例的等離子體處理裝置對本發(fā)明用于聚合物材料表面改性的等離子體處理方法的具體實施方式
作詳細說明。
本實施例利用如上所述用于聚合物材料表面改性的等離子體處理方法，包括如下步驟: 1)將待處理聚合物材料9置于液態(tài)陰極4液面下方，并利用升降輥11和升降機構調節(jié)待處理聚合物材料9至液態(tài)陰極液面的間距，調節(jié)聚合物材料9與液態(tài)陰極4液面之間距離至設定值； 2)啟動進氣系統(tǒng)向反應室2內進氣； 3)啟動直流電源1，調節(jié)金屬陽極3和液態(tài)陰極4之間的間距，使金屬陽極3和液態(tài)陰極4之間產生放電等離子體，開始對聚合物材料進行等離子體處理，理時間可根據不同的待處理聚合物材料9設置，一般為10s-30min，如圖3所示，為采用本實施例等離子體處理方法處理后的聚酰亞胺薄膜表面的含水率隨處理時間的變化關系圖，如圖所示，隨著處理時間的延長，聚酰亞胺薄膜表面的含水率逐漸增大后趨于平穩(wěn)； 4)處理完成后，關閉直流電源I，取出聚合物材料。
如圖2所示，為采用本實施例等離子體處理方法處理后的聚酰亞胺薄膜表面的水接觸角和α-溴萘接觸角隨處理時間的變化關系圖嗎，如圖所示，通過本實施例的等離子體處理方法處理后，聚酰亞胺薄膜表面的水接觸角變小，與α -溴萘之間的接觸角變大，表面其潤濕性增強，達到了表面改性的目的。
進一步，本實施例中，待處理聚合物材料9水平置于液態(tài)陰極4液面的下方，且待處理聚合物材料9的上表面至液態(tài)陰極液面的距 離為1-lOmm，如圖4所示，為采用本實施例等離子體處理方法處理后的聚酰亞胺薄膜表面的含水率隨薄膜表面到液面厚度的變化關系圖，隨著聚酰亞胺薄膜表面至液態(tài)陰極液面的距離的逐漸增大，聚酰亞胺薄膜表面的含水率逐漸降低，說明隨著待處理聚合物材料9與液態(tài)陰極4液面之間具體的增大，等離子體處理逐漸減弱。
進一步，直流電源I的輸出電壓值可調，且所述金屬陽極和液態(tài)陰極之間的放電電壓為0-10000V，放電電流為0-300mA。通過將直流電源I設置為輸出電壓值可調節(jié)，能夠有效控制金屬陽極3和液態(tài)陰極4之間的放電電壓，并驅動產生大氣壓輝光放電等離子體對聚合物表面進行改性處理。
最后說明的是，以上優(yōu)選實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實施例已經對本發(fā)明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在形式上和細節(jié)上對其作 出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權利要求書所限定的范圍。
權利要求
1.一種用于聚合物材料表面改性的等離子體處理裝置，其特征在于:包括直流電源和反應室，所述反應室內對應設有分別與直流電源相連的金屬陽極和液態(tài)陰極，且所述反應室內設有用于盛放所述液態(tài)陰極的液體介質的容器，所述金屬陽極正對設置在所述液態(tài)陰極的液面正上方，所述反應室內還設有用于氣體介質流通的進氣系統(tǒng)。
2.根據權利要求1所述用于聚合物材料表面改性的等離子體處理裝置，其特征在于:所述進氣系統(tǒng)包括設置在所述反應室上的進氣口和出氣口，所述進氣口設置在所述液態(tài)陰極的上方，且所述進氣口上依次設有氣體流量計、氣閥和進氣泵，所述出氣口設置在所述液態(tài)陰極的下方并直接與大氣相通。
3.根據權利要求2所述用于聚合物材料表面改性的等離子體處理裝置，其特征在于:所述氣體介質為空氣、氮氣或惰性氣體；所述液態(tài)陰極的液體介質為自來水或氧化性試劑溶液。
4.根據權利要求1所述用于聚合物材料表面改性的等離子體處理裝置，其特征在于:還包括用于向所述容器內補充液體介質的蠕動泵。
5.根據權利要求1-4任一項所述用于聚合物材料表面改性的等離子體處理裝置，其特征在于:所述反應室內設有用于聚合物材料連續(xù)進料的驅動裝置，所述驅動裝置包括用于將聚合物材料導向至金屬陽極與液態(tài)陰極之間的驅動輥、設置在所述容器內并用于調節(jié)聚合物材料與液態(tài)陰極液面距離的升降輥和用于收卷處理完成后的聚合物材料的收卷輥，所述收卷輥上設有驅動電機，所述容器上設有用于調節(jié)升降輥上下位置的升降機構。
6.根據權利要求1-4任一項所述用于聚合物材料表面改性的等離子體處理裝置，其特征在于:所述反應室內設有用于調節(jié)所述金屬陽極與所述液態(tài)陰極之間間距的調節(jié)機構。
7.根據權利要求6所述用于聚合物材料表面改性的等離子體處理裝置，其特征在于:所述金屬陽極采用耐燒蝕金屬材料制成并與所述液態(tài)陰極的液面垂直，且所述金屬陽極呈針狀、棒狀、筒狀或板狀，并陣列布置在所述液態(tài)陰極的液面上方，每一根所述金屬陽極與所述直流電源之間均設有鎮(zhèn)流電阻。
8.一種采用如權利要求1-7任一項所述等離子體處理裝置的用于聚合物材料表面改性的等離子體處理方法，其特征在于:包括如下步驟: 1)將待處理聚合物材料置于液態(tài)陰極液面下方，并調節(jié)所述聚合物材料與液態(tài)陰極液面之間距離至設定值； 2)啟動進氣系統(tǒng)向反 應室內進氣； 3)啟動直流電源，調節(jié)金屬陽極和液態(tài)陰極之間的間距至設定值，使金屬陽極和液態(tài)陰極之間產生放電等離子體，開始對聚合物材料進行等離子體處理； 4 )處理完成后，關閉直流電源，取出聚合物材料。
9.根據權利要求8所述用于聚合物材料表面改性的等離子體處理方法，其特征在于:所述步驟I)中，待處理聚合物材料水平置于液態(tài)陰極液面的下方，且待處理聚合物材料的上表面至液態(tài)陰極液面的距離為l-10mm。
10.根據權利要求9所述用于聚合物材料表面改性的等離子體處理方法，其特征在于:所述步驟3)中，所述直流電源的輸出電壓值可調，且所述金屬陽極和液態(tài)陰極之間的放電電壓為0-10000V，放電電流為0-300mA。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于聚合物材料表面改性的等離子體處理裝置，包括直流電源和反應室，反應室內對應設有分別與直流電源相連的金屬陽極和液態(tài)陰極，且反應室內設有用于盛放所述液態(tài)陰極的液體介質的容器，金屬陽極正對設置在所述液態(tài)陰極的液面正上方，反應室內還設有用于氣體介質流通的進氣系統(tǒng)。本發(fā)明還公開了一種用于聚合物材料表面改性的等離子體處理方法，包括如下步驟1)將待處理聚合物材料置于液態(tài)陰極液面下方；2)啟動進氣系統(tǒng)向反應室內進氣；3)啟動直流電源，調節(jié)金屬陽極和液態(tài)陰極之間的間距，使金屬陽極和液態(tài)陰極之間產生放電等離子體，開始對聚合物材料進行等離子體處理；4)處理完成后，關閉直流電源，取出聚合物材料。
文檔編號C08J7/12GK103194001SQ20131015188
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月27日 優(yōu)先權日2013年4月27日
發(fā)明者鄭培超, 劉克銘, 王金梅, 代玉, 于斌 申請人:重慶郵電大學