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常压介质阻挡辉光放电及其对有机材料的表面改性作用机理

【摘要】: 常压低温等离子体技术的研究始于20世纪80年代,经过近30年的发展,目前研究的重点集中在将等离子体技术应用于各种工程应用之中。在有机材料的表面改性中,常压低温等离子体技术可以在不影响材料本体性能的情况下改变其表面物理化学性能,整个过程高效且不会产生污染。低温等离子技术正以其高效、节能、环保等特点受到各界广泛关注。 在本论文中,基于对常压等离子体工程应用的需要,实验室自行研发、设计了一套经过改良的常压介质阻挡等离子体放电处理设备,并对其运行过程中的等离子体状态进行了诊断。该常压介质阻挡放电装置放电面积大,且放电均匀,可以适用于各种需要连续化处理的材料表面改性工程中。经过对放电器中等离子状态的诊断,发现了常压等离子体放电过程中的转变特征和规律,并提出了造成这种转变的机理分析。常压下的均匀介质阻挡放电过程主要受到放电功率和反应气体组成两个参数的影响,随着放电功率的增加等离子体中的电子能量也随之提升,使得等离子体中的反应体系会逐步出现两次转变。通过电学和光学诊断发现,两次转变过程中的等离子体功率-电流关系、电子密度分布和激发微粒组成都有很大的改变。这种转变过程主要受到气体组分中氧/氮成份的激发作用影响,发现对于实验用等离子体反应器来说,在氩气环境下的800w放电功率和在氩/氧环境下的600w放电功率能够获得较好的放电形貌。 随后,使用常压等离子体介质阻挡放电器对PET帘子线纤维进行表面改性,以期通过改良表面形貌和化学组成来提升其浸胶性能,减少直至替代传统浸胶工艺中部分高能耗、高污染的步骤。通过微观与宏观分析发现,经过等离子体处理的PET帘子线纤维表面粗糙度增加,化学成份与结构都发生了改变;亲水性及力学性能的测试结果表明,经过等离子体处理的PET帘子线能够与浸胶液结合更牢固。 基于该工程应用案例的结论,本论文进一步分析了常压介质阻挡放电在材料表面发生的刻蚀与化学反应过程。对比低压放电和常压辉光放电的处理过程可以发现,常压等离子体表面改性的作用机理与发展过程都与低压下的等离子反应有很大的区别,是一种基于流注刻蚀与氧化扩散结合的复合过程。该过程中流注刻蚀发生速度很快,且与反应腔中的电学特征密切相关;而氧化扩散过程则与气体组成关系较为密切,作用效果与时间体现出较高的关联性。 本论文首次将常压等离子体放电诊断与对材料表面改性过程结合,提出了常压等离子体放电转变过程的机理假设和对材料表面刻蚀作用的原理分析。本论文中的机理分析与假设及在实验过程中获得的经验能够为常压等离子体在工程中的应用提供有价值的参考与借鉴。

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