大气压中频辉光放电等离子体特性研究及其改性纺织纤维

作     者：程曼丽 

作者单位：东华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱泉;唐晓亮;陈小立

授予年度：2009年

学科分类：0821[工学-纺织科学与工程] 08[工学] 082103[工学-纺织化学与染整工程] 

主      题：介质阻挡放电 辉光等离子体 发射光谱诊断 等离子体沉积 表面改性 

摘      要：低温等离子体技术是一种环境友好、极具潜力和发展前景的清洁生产技术,省时高效、节水节能、干态、无污染。它应用于纺织材料处理工序,能够在极大降低水、电、气以及化学品用量的情况下,有效达到所需工艺要求,同时达到降低水排放量、减轻污水处理负荷的目标。 随着机械制造技术的进步和等离子体技术的发展,等离子体设备相继问世,并应用于许多生产领域。低压辉光放电等离子体改性技术因需要真空设备而很难在实际生产中推广。大气压准辉光放电（Atmospheric Pressure Pseudo-Glow Discharge）等离子体不需要真空设备,除了具有辉光放电的均匀性、稳定性、以及所需能量密度小等优点外,亦可在每半个周期内多次放电、活性粒子更多、持续时间更长,而且操作要求比大气压辉光放电（Atmospheric Pressure GlowDischarge）等离子体简单、方便,故受到研究人员的青睐。 本文自制了大气压中频介质阻挡等离子体放电装置,采用18KHz的中频交流电源,使用氩气作为放电气体,通过一系列实验,根据电压—电流波形图和Lissajous图形确定所建装置在一定条件下可产生大气压中频辉光和准辉光放电等离子体。研究发现,使用氩气作为大气压下等离子体放电的气体时,其放电空间中氩气浓度变化对放电状态的稳定性有重要影响,氩气浓度越高、分布越均匀,则越利于等离子放电的均匀性和稳定性。随着放电间距的增加,放电空间中气体的流出速度要相应变小,目的是维持放电空间中氩气浓度的一致性,产生实际应用时所需要的均匀、稳定的等离子体。对大气压下等离子体放电设备进行改装,采用半封闭式环境来提高放电空间的氩气浓度,其成本仍旧远低于低压等离子体设备,因此具有工业应用的可行性。 自建大气压等离子体材料处理装置,使用中频电源。由于气体放电过程中存在许多不稳定性,从而导致辉光放电易转变为准辉光放电。考虑到准辉光放电既有辉光放电的均匀、稳定的性质,还比辉光放电的活性粒子数量多、持续时间长的优势,所以一系列实验都是在大气压准辉光放电等离子体条件下实现的。首先进行了丙酮和丙烯酸等离子体沉积。结果表明,在所建等离子体装置中进行大气压气相沉积是可行的,其沉积产物的化学反应机理不同于传统的化学反应机理。大气压下得到的丙酮沉积膜和丙烯酸沉积膜,红外光谱分析结果显示两种不同单体的最终产物结构极其相似,丙酮单体在等离子体气氛中形成了一定的羧基官能团。其次在该等离子体表面材料处理装置中,分别对羊毛、涤纶、丙纶织物进行了一系列的表面改性实验。从处理后样品的外观以及其断裂强力的变化,可确定在相同的处理时间内,经该设备处理后的织物所受损伤较小。实验结果显示,经过等离子体处理后所有材料的润湿性都有一定的提高,且等离子体引发接枝的工艺可以避免等离子处理材料后的“时效性影响。扫描电镜（SEM）测试结果表明,等离子体表面处理对丙纶纤维表面有刻蚀作用,使纤维表面变的粗糙,比表面积增大;等离子体引发接枝处理后的织物表面更加粗糙,比表面积更大。X射线光电子能谱（XPS）测试结果表明,氩等离子体表面处理使丙纶纤维表面含氧量明显提高,纤维表面引入了-C-O、-C=O等基团。XPS分析结果说明,丙烯酸接枝在材料表面引入了羧基基团,羧基亲水基团能吸收空气中的水分,纤维吸附水分的离子化以及水分诱导周围不纯物质的离子化,使纤维电导率显著增加、比电阻下降、半衰时间减少,这是丙纶织物抗静电性能得到改善的主要原因;阳离子染料能与纤维表面产生的羧基发生吸附作用,从而提高了织物的阳离子染料可染性和K/S值。 在实验中,为了更好的对丙酮等离子体放电进行实时观测,还自建大气压中频交流放电等离子体喷射装置,并用HR2000光纤光栅光谱仪对丙酮等离子体放电光谱进行记录、分析和诊断。依据丙酮等离子体放电的特征颜色,重点分析了300nm～600nm范围内的谱峰,并进行了活性粒子归属诊断。研究结果说明,对大气压环境下,使用氩气为“载气,对可挥发有机溶剂进行等离子发射光谱分析是一种可以用于诊断相关等离子体参数、分析有机试剂化学活性的新颖且有效的手段;这种诊断方法可以实施实时监控等离子体的化学活性,并将其应用于材料定域改性、薄膜沉积、纳米粒子的制备等领域。