[发明专利]利用大气压均匀放电改善芳纶亲水性的装置及方法

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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

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。

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。

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。