专利名称：丝普纶及化纤常压辉光放电等离子体改性研究系统与方法
技术领域：
本发明属于化纤改性、辉光放电、等离子体技术领域。涉及对化纤织物的放电等离子体表面改性系统与技术，特别涉及一种丝普纶Silpron及化纤织物的大面积、均匀、无损伤的适于实验研究与应用的常压辉光放电等离子体APGDP表面改性系统与技术。
背景技术：
由于细旦、超细旦聚丙烯纤维丝普纶的原料聚丙烯来源丰富、价格低廉、质轻保暖、性能稳定，而且芯吸性好、能单向导湿排汗，目前已成为高级內衣与运动衫的优选面料，被称为“人体服装空调器”，是一种近乎完美的纺织纤维，在五大化纤中具有巨大的竞争力和广阔的发展前景。但聚丙烯纤维由于其大分子链结构规整，结晶度高，缺乏官能基与极性基团，因此吸湿性差、不能染色，这限制了它的进一步推广。为使其成为更合用的服装面料，必需对其实施改性。化纤织物的改性方法很多，有化学方法，如在大分子链中引入第三组分的共聚、聚合物制造过程中加入改性添加剂的共混、在表面发生化学反应的浸及涂等的表面改性、变更纤维加工条件，通过形态变化以及复合、混纺、混织等手段实现的物理改性等。传统的改性方法要消耗大量宝贵的水资源及化学药品，不仅操作复杂，而且污染环境。等离子体改性是一种不用水的气、固相干法加工方式，快速、高效、无污染，操作简单，节省能源，反应仅涉及纤维100nm的浅表层，在不改变纤维基体的优良性能的情况下赋予纤维新的特性。以往用于化纤织物表面改性的等离子体可由低气压辉光放电，大气压电晕放电和无声放电产生。这三种放电等离子体化纤织物表面改性技术都存在各自无法解决的问题，影响其发展与应用。低气压辉光放电等离子体可提供大面积、均匀的等离子体，对化纤织物实现无损伤均匀表面改性，但它必须在低气压下运行，由于需要抽真空，设备投资大，操作复杂，很难实现工业化生产；而且所用的电能85％用于维持动态真空，耗能大，成本高，因而低气压辉光放电等离子体化纤织物表面改性技术不适于工业化的广泛应用。大气压电晕放电和无声放电等离子体虽在常压下工作，但其放电等离子体中存在着大量高能量密度的细丝放电它们将对织物造成损伤，不适于化纤织物表面改性应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种能在常压下产生大面积、均匀、无损伤的辉光放电等离子体、能对多种化纤织物和聚合物膜或高分子膜，特别是丝普纶织物研究织物改性工艺的常压辉光放电等离子体改性系统与方法，亦可用于小批量、非流水线生产。
本发明的技术解决方案是，一种常压辉光放电等离子体丝普纶及化纤织物在常压下进行表面改性的系统，它由常压辉光放电等离子体源及其所在的改性装置，供电系统，配气供气系统，气体加热循环系统，气体成分与等离子体活性分析系统及计算机数据采集与控制系统组成。
固连在改性装置前法兰上的隔断将改性装置分隔成进样室、改性室和成品室，通过可通行织物的两个动密封缝使改性室分别与进样室和成品室相连；改性室中心心有两对在同一水平高度上、水平放置、通水冷却、具有镜面光洁表面的矩形不锈钢放电电极，每对电极上下平行、极间距在1～50mm间可调，电极四周做成曲率半径为20mm的曲面，两电极相对的内表面各固定有厚度为0.1～2mm的薄氧化铝或石英玻璃介质片，极间的常压辉光放电提供织物改性所需之大面积、均匀等离子体；进样室与成品室对改性室内的改性气体，气压比大气压高80～800Pa，与大气之间起气氛缓冲作用，以减少工作气体的漏失；动密封缝由一对端头密封、夹紧力可调的、转动的张紧辊相互挤压形成，辊面镜面光洁；织物卷绕与偏绕纠正机构由一系列可转动的园柱型辊组成，织物卷绕与偏绕纠正机构装在装置前法兰内侧而封入改性装置，成品卷绕辊由调速电机驱动，使织物以一定的速度匀速通过改性室的电极间隙。
供电系统由中频电源与阻抗匹配网络以及数字存储示波器所组成。中频电源是1～20kHz的调频、0～20kV的调压电源，它通过由高压电感、电容组成的阻抗匹配网络与等离子体源的上下电极相连，通过与放电电极相连的高压探头和电流探头及数字存储示波器实时监测放电电压和放电电流的波形。
配气供气系统由气源，质量流量控制器，混气室组成，通过气阀与改性室相连。气体加热循环系统由隔膜泵通过吸进工作气体经加热后再送回改性室的循环来加热工作气体和改性织物。配有超高真空泵的四极质谱仪分析由针伐采得的改性气体的成分。改性室、进样室、成品室均装有可测常压范围的压力规，由压力计监测气压，监测信号送入计算机数据采集与控制系统并反馈控制质量流量控制器进而控制进气量以维持改性室的工作气压，计算机数据采集与控制系统还采集由热电偶温度计测得的改性气体与织物的温度并控制气体加热循环系统的加热功率以维持工作气体与织物的温度。另外，工作气体经由针阀取样送进超高真空系统中的四极质谱仪进行气体组份分析，而与光栅单色仪及计算机数据采集系统相连的石英光纤束组成的等离子体光谱诊断系统可通过石英窗实时测量、分析反应等离子体的活性。
本发明的工艺过程如下研究与确定织物新品种的改性工艺需分两步，即先通过小样品实验确定和优选工作气体与放电参数，第二步对织物卷实验，进一步确定织物的卷绕速度与电源的最佳工作电压、频率以及匹配网络的工作参数。
第一步，关闭装置与两侧法兰，利用观察窗做通道将经过脱浆、烘干处理的织物小样品置于放电电极之间，用排气泵将系统抽至低真空，充入工作气体，再抽、再充气、直至气体组分达到予定的组分与压力，启动中频电源与匹配网络产生常压辉光放电等离子体，启动气体的加热循环系统加热工作气体至予定的工作温度，启动气体分析仪与等离子体光谱诊断系统测量分析气体成分与等离子体活性，在用常压辉光放电等离子体处理一定时间后取出样品，进行有关性能的检测，如亲水性、染色性等，再进行远红外谱、X-光电子谱等表面分析以确认其改性机理，通过多次实验优选工作气体的组分和温度，并初步确定电源的工作参数和达到改性所需之辐照时间；第二步，拉出前法兰，将待改性织物卷置于前法兰内侧的支架上，牵引织物穿过两道动密封缝和偏绕纠正辊，将前法兰推进装置并使织物插入两对电极之间，关闭前法兰和两侧法兰，在改性室气压为一个大气压加100～300Pa和予定的气体温度下，按前述工艺过程对卷绕中的织物进行改性，进一步确定织物的卷绕速度与电源的工作电压、频率以及匹配网络的工作参数。在对织物确定了改性工艺参数后，即可按前述用于生产的工艺过程对在染整处理生产线上的织物进行表面改性，与生产接轨。
设第一步实验确定的改性所需之辐照时间为t，每块电极的宽度为B，则卷绕织物的线速度V为V＝2B/t 1采用上述技术方案能在常压下产生能量密度合适的、大面积、均匀、辉光放电等离子体，它兼有低气压辉光放电和大气压电晕放电、无声放电的优点。由于工作气压仅比大气压高～102帕，可以较容易地通过动密封维持改性室内的工作气体的气氛与压力，克服了为维持低气压辉光放电反应室中气氛而必需有多道动密封及压差抽气系统因而消耗大量能量的困难，因而可以在合理的能耗水平下过渡到对染整处理生产线上的织物进行在线改性，能直接应用于工业生产；而且采用上述技术方案可以克服大气压电晕放电和无声放电等离子体中存在高能量密度的细丝放电因而对织物造成损伤的困难。上述技术方案中的气体温度、气体压力、气体组分、等离子体诊断等原位实时监测手段及计算机数据采集与控制系统监控等离子体改性状况，达到保证织物的改性提高成品率效果。采用上述用于研究的工艺过程还可以研究织物表面改性的作用机理，研究化纤织物新品种的改性工艺，设计针对新品种的化纤织物的表面改性装置。
本发明所达到的有益效果是；一、不同于低气压辉光放电等离子体，常压辉光放电等离子体是在大气压或稍高于大气压的气氛下运行的，采用能维持改性室与大气间～102Pa压差的动密封系统，可将织物改性工艺接轨进织物染整作业的流水线，易过渡到工业应用。
二、不同于大气压电晕放电、无声放电等离子体表面改性技术，常压辉光放电等离子体表面改性系统采用的是大面积、均匀辉光放电等离子体，不会产生细丝放电而造成织物损伤，等离子体的能量密度适中，适合于织物表面改性，而且其改性深度约为100nm的表面层，不会影响织物的整体性能。
三、采用中频电源与阻抗匹配网络可以高效率地把电能转化为等离子体的能量，降低放电的阈值电压，抑制丝状放电。本系统除在充进工作气体之前用真空泵予抽之外不再使用真空泵，因而节省了为维持低气压与大气压之间的多道动密封而耗费的大量能耗。
四、气体的加热循环系统可加热工作气体并使工作气体慢速流动，提高了反应活性和等离子体的均匀性，可提高改性的效果，还可扩大要改性的织物的品种直至极难改性的丝普纶聚丙烯纤维。
五、采用气体分析与等离子体光谱诊断系统可实时监测工作气体与等离子体的成分与活性，在应用时可提高成品率，在研究工艺阶段则可用于研究改进工艺和反应机理。
六、设置有起改性室气体与周围大气之间的气氛缓冲作用的进样室与成品室，在应用中，收放料机构是在大气中进行收、放料的，可大大减少改性气体的漏失。若要进一步减少改性气体的漏失，可采用双重进样室、双重成品室结构，这样一来改性室与大气之间有三重动密封来缓冲气体的交换，当然这种只起气氛缓冲作用的“进样室”与“成品室”可以设计得很窄。
七、计算机数据采集与控制系统控制可使整个系统的工作智能化。
下面结合附图和实例对本发明作进一步的说明。
图1是APGDP织物表面改性系统总体框2是APGDP织物表面改性装置结构示意中1，常压辉光放电等离子体源2，改性室3，进样室4，成品室5，动密封6，7，织物卷绕机构8，偏绕纠正机构9，支架10，前法兰11，导轨12，侧法兰14，隔断15，调速电机16，中频电源17，阻抗匹配网络18，数字存储示波器19，电极20，气源21，质量流量控制器22，混气室23，压力规24，压力计25，排气泵26，气体加热循环系统27，热偶温度计28，四极质谱仪29，光谱仪30，针阀31，超高真空系统32，石英观察窗33，光纤束34，计算机数据采集与控制系统35，改性织物36，绝缘介质层37，电极柄38，绝缘介质隔离。
具体实施例方式
一种常压辉光放电等离子体丝普纶及化纤织物在常压下进行表面改性的系统，它由常压辉光放电等离子体源及其所在的改性装置，供电系统，配气供气系统，气体加热循环系统，气体成分与等离子体活性分析系统及计算机数据采集与控制系统组成。
固连在改性装置前法兰上的隔断将改性装置分隔成进样室、改性室和成品室，通过可通行织物的两个动密封缝使改性室分别与进样室和成品室相连；改性室中心心有两对在同一水平高度上、水平放置、通水冷却、具有镜面光洁表面的矩形不锈钢放电电极，每对电极上下平行、极间距在1～50mm间可调，电极四周做成曲率半径为20mm的曲面，两电极相对的内表面各固定有厚度为0。1～2mm的薄氧化铝或石英玻璃介质片，极间的常压辉光放电提供织物改性所需之大面积、均匀等离子体；进样室与成品室对改性室内的改性气体，气压比大气压高80～800Pa，与大气之间起气氛缓冲作用，以减少工作气体的漏失；动密封缝由一对端头密封、夹紧力可调的、转动的张紧辊相互挤压形成，辊面镜面光洁；织物卷绕与偏绕纠正机构由一系列可转动的园柱型辊组成，织物卷绕与偏绕纠正机构装在装置前法兰内侧而封入改性装置，成品卷绕辊由调速电机驱动，使织物以一定的速度匀速通过改性室的电极间隙。
供电系统由中频电源与阻抗匹配网络以及数字存储示波器所组成。中频电源是1～20kHz的调频、0～20kV的调压电源，它通过由高压电感、电容组成的阻抗匹配网络与等离子体源的上下电极相连，通过与放电电极相连的高压探头和电流探头及数字存储示波器实时监测放电电压和放电电流的波形。
配气供气系统由气源，质量流量控制器，混气室组成，通过气阀与改性室相连。气体加热循环系统由隔膜泵通过吸进工作气体经加热后再送回改性室的循环来加热工作气体和改性织物。配有超高真空泵的四极质谱仪分析由针伐采得的改性气体的成分。改性室、进样室、成品室均装有可测常压范围的压力规，由压力计监测气压，监测信号送入计算机数据采集与控制系统并反馈控制质量流量控制器进而控制进气量以维持改性室的工作气压，计算机数据采集与控制系统还采集由热电偶温度计测得的改性气体与织物的温度并控制气体加热循环系统的加热功率以维持工作气体与织物的温度。另外，工作气体经由针阀取样送进超高真空系统中的四极质谱仪进行气体组份分析，而与光栅单色仪及计算机数据采集系统相连的石英光纤束组成的等离子体光谱诊断系统可通过石英窗实时测量、分析反应等离子体的活性。
左、右法兰12始终保持密封，打开一个石英观察窗32，将经过脱浆烘干处理的织物小样品平放于放电电极19之间，即两绝缘介质板36之间的间隙中，用排气泵25将改性室2、进样室3与成品室4抽至低真空100Pa，充入工作气体至大气压，为减少工作气体中的杂质用排气泵25将改性室2、进样室3与成品室4再抽至低真空100Pa，充工作气体至一个大气压加100Pa，启动中频电源16与匹配网络17产生常压辉光放电等离子体，启动气体的加热循环系统26加热工作气体至予定的工作温度80摄氏度，启动气体分析仪28与等离子体光谱诊断系统29测量分析气体成分与等离子体活性，用放电等离子体对织物样品进行一定时间的表面改性，取出样品，进行有关性能的检测，如亲水性、染色性等，再进行远红外谱、X-光电子谱等表面分析以确认其改性机理，通过多次实验优选工作气体的组分和温度，然后调变电源16的电压、频率，电极19间隙以及匹配网络17工作参数，提高所获得的均匀、稳定的辉光放电等离子体放电强度，力求缩短样品改性所需之时间t；为确定和检验生产线上的织物进行表面改性的运行速度，沿导轨将装置上的前法兰10向前移开，把成卷的样品织物装上左端的织物卷绕辊6，牵引织物通过张紧辊之间的动密封5缝隙，经过纠偏张紧辊8把织物卷绕上右端的织物卷绕辊7，张紧织物，拉开两电极19的间距，在将前法兰10向装置推进时把织物送进两电极19之间的间隙，将前法兰10与装置压紧密封，用排气泵25将改性室2、进样室3与成品室4抽至低真空100Pa，充工作气体至大气压，为减少工作气体中的杂质用排气泵25将改性室2、进样室3与成品室4再抽至低真空100Pa，充工作气体至一个大气压加100Pa，启动气体的加热循环系统26加热工作气体至予定的工作温度80摄氏度，启动四极质谱仪28与等离子体光谱诊断系统29，测量、分析气体成分与等离子体活性，用计算机数据采集与控制系统34保持工作气体的温度、压力、成分与等离子体活性不变，再启动连接右卷绕辊7的调速电机15按前述公式1所确定的线速度V＝2B/t卷绕织物进行改性，并检验。式中，B为一块电极的宽度，t为前述对不动的小样品的工艺实验所确定的能使织物改性的处理时间。
权利要求
1.丝普纶及化纤常压辉光放电等离子体改性研究系统，由改性装置、供电系统、配气供气系统、气体加热循环系统、气体成分与等离子体活性分析系统、计算机数据采集与控制系统组成，其特征在于，a.改性装置是由常压辉光放电等离子体源(1)及其所在的改性室(2)、进样室(3)、成品室(4)、动密封机构(5)、织物卷绕(6)、织物卷绕(7)、偏绕纠正机构(8)、支架(9)、前法兰(10)、两侧法兰(12)调速电机(15)组成，固连在前法兰(10)上的隔断(14)将装置分隔成进样室(3)、改性室(2)与成品室(4)，隔断(14)与改性装置之间的接触面采用真空密封连接；b.供电系统由中频电源(16)与阻抗匹配网络(17)以及数字存储示波器(18)所组成，中频电源(16)为1～20kHz调频、0～20kV变压的电源，它通过阻抗匹配网络(17)与等离子体源的上下电极(19)相连，数字存储示波器(18)通过高压探头与电流探头与等离子体源的上下电极(19)相连，示波器与计算机数据采集与控制系统(34)相连；c.配气、供气系统由气源(20)、质量流量控制器(21)、混气室(22)、压力规(23)、压力计(24)和排气泵(25)所组成，质量流量控制器(21)与计算机数据采集与控制系统(34)相连；d.气体加热循环系统(26)由通过阀门与改性室(2)相连的隔膜泵和加热器以及热偶温度计(27)所组成，热偶温度计(27)与计算机数据采集与控制系统(34)相连；e.气体成分与等离子体活性分析系统由四极质谱仪(28)与光谱仪(29)所组成，四极质谱仪(28)通过针阀(30)与装置相连，光谱仪(29)通过光纤束(33)与装置相连，透过石英观察窗(32)采集等离子体的光发射，四极质谱仪(28)及光谱仪(29)与计算机数据采集与控制系统(34)相连。
2.根据权利要求1或2所述的丝普纶及化纤常压辉光放电等离子体改性研究系统，其特征在于，等离子体源(1)是由表面镜面光洁度6～11道、相距1～30mm间隙的两对水平、平行放置的矩形不锈钢电极(19)所组成，电极(19)四周为曲率半径为10～30mm的曲面，在电极表面固定有厚度为0.1～2mm的绝缘介质层(36)，电极与通水冷却的电极柄(37)连接，电极柄(37)与改性室(2)之间有耐高压的绝缘介质隔离层(38)。
3.根据权利要求1所述的丝普纶及化纤常压辉光放电等离子体改性研究系统，其特征在于，织物卷绕(6，7)与偏绕纠正机构(8)装在前法兰(10)内侧而封入改性装置，始终关闭两侧的法兰(12)，两边的缓冲室(3，4)即成了进样室(3)与成品室(4)。
4.使用权利要求1所述的丝普纶及化纤常压辉光放电等离子体改性研究系统进行丝普纶及化纤织物改性方法，其特征在于，第一步，关闭装置与两侧法兰，利用观察窗做通道将经过脱浆、烘干处理的织物小样品置于放电电极之间，用排气泵将系统抽至低真空，充入工作气体，再抽—再充直至气体组分达到予定的组分与一个大气压加80～800Pa的气压，启动，中频电源与匹配网络产生常压辉光放电等离子体，启动气体的加热循环系统加热工作气体至40～120度摄氏，启动气体分析仪与等离子体光谱诊断系统测量分析气体成分与等离子体活性，在用常压辉光放电等离子体处理一定时间后取出样品进行有关性能的检测，如亲水性(含时效性)、染色性(含染色率，色饱和度)等，再进行远红外谱、X-光电子谱等表面分析以确认其改性机理，通过多次实验优选工作气体的组分和温度，并初步确定电源的工作参数和达到改性所需之辐照时间；第二步，拉出前法兰，将待改性织物卷置于前法兰内侧的支架上，牵引织物穿过两道动密封缝和偏绕纠正辊，将前法兰推进装置并使织物插入两对电极之间，关闭前法兰和两侧法兰，在改性室为一个大气压加80～800Pa的气压和40～120度摄氏的气体温度下，按前述工艺过程对卷绕中的织物进行改性，进一步确定织物的卷绕速度与电源的工作电压、频率以及匹配网络的工作参数。在对织物确定了改性工艺参数后，即可交付生产装置使用。
5.根据权利要求4所述的丝普纶及化纤常压辉光放电等离子体改性方法，其特征在于，能改善丝普纶织物性能的工作气体为二氧化碳、氧气和氦气的混和气，分压比为二氧化碳0～100％氧气0～100％氦气0～100％。
6.根据权利要求4所述的丝普纶及化纤常压辉光放电等离子体改性方法，其特征在于，能改善丝普纶织物性能的工作气体为二氧化碳、氧气和氦气的混和气，分压比为氨气 0～100％氦气 0～100％。
全文摘要
丝普纶及化纤常压辉光放电等离子体改性研究系统与方法属于化纤改性、辉光放电、等离子体技术领域。涉及一种能在常压下产生大面积、均匀、无损伤的辉光放电等离子体的表面改性系统与技术，适于化纤织物及丝普纶织物改性工艺的实验研究和放电等离子体的特性及等离子体与表面相互作用机理等相关基础研究，用以设计针对新品种的化纤织物的表面改性的工业生产装置；本系统亦可用于丝普纶及化纤织物表面改性的小批量、非流水线生产。它既克服了大气压电晕放电和无声放电等离子体中存在高能量密度的细丝放电对织物造成损伤的困难，又解决了低气压辉光放电等离子体改性装置设备投资大，操作复杂，耗能大等问题。
文档编号D06M10/00GK1560352SQ20041002119
公开日2005年1月5日 申请日期2004年2月23日 优先权日2004年2月23日
发明者彪 顾, 顾彪, 徐茵 申请人:大连理工大学