专利名称：大气压低温射频等离子体连续处理纤维表面的装置及方法
技术领域：
本发明涉及纤维表面处理技术领域，特别是涉及一种大气压低温射频等离子体连续处理纤维表面的装置及方法。
背景技术：
纤维增强复合材料是当今十分有意义和有广阔发展前景的一种材料，具有强度高和质量轻等特点，广泛应用于航空、航天和国防等高技术领域以及民用行业。作为增强材料的纤维具有高强度、高模量、高弹性等优点的高性能纤维，如碳纤维、高强高模聚乙烯 (UHMWPE)纤维、芳纶、聚对苯撑苯并二恶唑(PBO)纤维。然而，大多数的高性能纤维表面光滑，化学反应活性低，与树脂基体粘附性及浸润性不好，导致界面粘结很差，严重制约了其在高性能复合材料中的应用。因此，很有必要对这些高性能纤维进行表面改性，以改善其与基体材料的粘结性能。对这些高性能纤维进行表面改性的方法有很多，其中等离子体纤维表面改性是一种高效和低成本的方法，它只作用于纤维表层，对纤维基体损伤小，具有高效、环保、操作简单等优点。传统的等离子体改性是在低压环境下进行的，需要复杂的真空系统，成本高，且不能连续处理，限制了该技术的推广和应用。大气压等离子体克服了低压等离子体的缺点， 它不需要真空系统，能够在常压下工作，成本低，且能够实现连续处理，适用于在线生产，近年来受到国内外研究人员的广泛重视。目前，对纤维表明进行大气压等离子体处理的方法主要平板电极放电的形式，该方法可以实现大面积放电，但是在连续处理中存在以下问题 1)放电装置体积较大，占地空间较大，同时需要高流量的工作气体维持放电的稳定，增加了气体的消耗；幻放电区域长度较短，导致连续化处理时等离子体处理速度较慢，且能量利用不充分；3)为降低装置温度，大部分装置需要水冷装置，增加了装置的复杂性及使用成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种大气压低温射频等离子体连续处理纤维表面的装置及方法，在维持放电稳定的前提下使得气体消耗降低。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种大气压低温射频等离子体连续处理纤维表面的装置，包括管体和第一陶瓷管，所述第一陶瓷管通过设置在所述管体两端和管体中间的支撑连接块设置在所述管体中；所述管体两端的支撑连接块内设有第二陶瓷管，所述第二陶瓷管与第一陶瓷管相通；所述第一陶瓷管两侧各设有一根电极；所述管体两端的支撑连接块中的一个支撑连接块上设有与第二陶瓷管相通的进气管；所述两根电极中，一根电极接地，另一根电极接高压；所述管体的外壁接地。所述管体内还设有变压器；所述管体的一个侧壁上安装有风扇；所述变压器与风扇相连。所述变压器和电极之间设有隔离片。
所述管体的两个相对的侧壁上开有散热孔。所述插有进气管的支撑连接块内设有一个活动块；所述活动块位于第二陶瓷管未与第一陶瓷管相通的另一端。所述第一陶瓷管为截面为正方形的陶瓷管，尺寸为450mmX15mmX15mm，第一陶瓷管的壁厚为2. 5mm ；电极的宽度为5mm，长度为450mm ；第二陶瓷管为截面为圆形的陶瓷管， 内直径为3mm，壁厚为1mm。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是还提供一种大气压低温射频等离子体连续处理纤维表面的方法，包括以下步骤(1)从纤维卷中拉出纤维束经过送丝装置，送入所述第一陶瓷管内并穿出，再由收丝装置卷绕；(2)将单一气体或混合气体通过进气管送入第一陶瓷管内，气体流动方向与纤维束的运动方向相反；(3)开启射频电源，使接高压的电极通电，从而使得第一陶瓷管内形成放电等离子体区域；(4)开启收丝装置，进行收丝。所述的纤维卷中间设有可转动的轴支撑，该轴在纤维连续处理过程中，给纤维束提供张力。所述收丝装置为数字式卷绕机，以设定的1-lOOm/min的线速度进行收丝。有益效果由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果本发明采用上述装置对纤维束进行连续处理，由于属于射频介质阻挡辉光放电，可以产生均勻稳定的低温等离子体，明显改善了纤维表面的结构和性能，使其和树脂复合的粘结性能大大提高，且不会降低纤维的力学性能；采用的铜条电极宽度为5mm，使得整个纤维束处于放电区域，同时在铜条宽度合适的情况下增加了铜条的长度(单根450mm)，使得等离子更加有效地作用于纤维表面上，降低了能量消耗、提高了连续处理纤维束的速度；采用内径为3mm的圆陶瓷管，一方面保证了纤维束可以顺利进出等离子体区域，另一方面保证正方形陶瓷管内等离子体区域工作气体纯度和减少了气体消耗；采用12V的直流变压器作为电源驱动风扇给装置降温，并通过散热孔散热，避免了装置温度过高时对纤维结构和力学性能的影响，同时与复杂的水冷却装置相比，降低了装置的复杂性和费用；采用上电极接地、变压器安装在装置内部、整个不锈钢外壁接地的形式，增加了该装置的操作安全性。
图1是本发明的系统结构示意图；图2是本发明系统的局部剖视图；图3是沿图2中A-A的剖视图；图4是图1中右端的聚四氟乙烯块的俯视图；图5是图1中左端的聚四氟乙烯块的左视图；图6是安装风扇的不锈钢后壁示意图。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。如图1和图2所示，本发明的大气压射频辉光放电等离子体连续处理纤维表面的装置，包括正方形陶瓷管1，上下两个铜条电极2和3，聚四氟乙烯支撑连接块5、9和10，进气管6，圆形陶瓷管8，变压器11及聚四氟乙烯隔离片12，风扇14，不锈钢管体及设置在不锈钢管体外壁13、16、17和20上的散热孔15。上下两根铜条电极2和3分别构成接地电极和高压电极，在正方形陶瓷管1内形成气体放电等离子体区域；变压器11带动电扇14转动，通过不锈钢外壁13和20上的散热孔15散热；聚四氟乙烯支撑连接块5内设有一个聚四氟乙烯活动块7，可以将其取出插入另一个相同尺寸的正方形陶瓷管1，从而可以根据需要增加气体放电等离子体区域的长度。本发明的结构特点如下1)正方形陶瓷管1同时作为介质阻挡层和等离子体反应腔体，陶瓷管壁厚和内间隙分别为2. 5mm和IlmmX 11mm，单根长度为450mm ；铜条电极宽度为5mm，上电极2接地，下电极3接射频电源；采用不锈钢作为装置外壁，同时将整个外壁接地，如图1、图2和图3所
7J\ ο2)聚四氟乙烯支撑连接块7和9的中心各有一个圆形陶瓷管8，圆形陶瓷管8的壁厚和内径分别为Imm和3mm ；气体从聚四氟乙烯支撑连接块5上的进气管6通入，经由两端的圆形陶瓷管8排出，如图1、图2、图4和图5所示。3)聚四氟乙烯支撑连接块5内的聚四氟乙烯活动块7，可根据需要将其取出，并在该处插入另一个相同的正方形陶瓷管1，如图1和图2所示。4) 12V的直流变压器11放置于管体内部，并通过聚四氟乙烯隔离片12与电极2和 3隔开，带动安装在不锈钢外壁13上的风扇14转动；散热孔15同时开设在不锈钢外壁13 和20上，如图1和图6所示。5)装置两端有由纤维卷25、螺旋圈M和分丝装置19组成的送丝装置和收丝装置 25。本发明的具体实施例及步骤1)将一卷纤维25插入可以转动的轴上，将纤维束18通过螺旋圈M和分丝装置 19，送入正方形陶瓷管1内的气体放电管等离子体区域，由聚四氟乙烯支撑连接块5内的圆形陶瓷管8出来后，缠绕在收丝装置23上，同时在1-lOOm/min之间设定好需要的速度。2)将单一气体或混合气体通过进气管6送入正方形陶瓷管1内(气体流量可以通过流量计来控制)，气体流动方向与纤维束18的运动方向相反。3)打开风扇14的开关，开启2MHz射频电源，气体放电在大气压下产生射频介质阻挡辉光放电等离子体，使得第一陶瓷管内形成放电等离子体区域。4)开启收丝装置23，进行等离子体连续处理。5)如有需要，可将聚四氟乙烯活动块7取出，将另一个相同装置的正方形陶瓷管一端，如图1所示的陶瓷管左端(去掉聚四氟乙烯块9)插入，同时将两个相同装置的电极用导线连接。此时，通气管6仍在原来位置(两个装置之间的聚四氟乙烯块5上)，即气体从装置中间通入。 不难发现，本发明采用上述装置和方法对纤维束进行连续处理，由于属于射频介质阻挡辉光放电，可以产生均勻稳定的低温等离子体，明显改善了纤维表面的结构和性能， 使其和树脂复合的粘结性能大大提高，且不会降低纤维的力学性能；采用的铜条电极宽度为5mm，使得整个纤维束处于放电区域，同时在铜条宽度合适的情况下增加了铜条的长度 (单根450mm)，使得等离子更加有效地作用于纤维表面上，降低了能量消耗、提高了连续处理纤维束的速度；采用内径为3mm的圆陶瓷管，一方面保证了纤维束可以顺利进出等离子体区域，另一方面保证正方形陶瓷管内等离子体区域工作气体纯度和减少了气体消耗；采用12V的直流变压器作为电源驱动风扇给装置降温，并通过散热孔散热，避免了装置温度过高时对纤维结构和力学性能的影响，同时与复杂的水冷却装置相比，降低了装置的复杂性和费用；采用上电极接地、变压器安装在装置内部、整个不锈钢外壁接地的形式，增加了该装置的操作安全性。
权利要求
1.一种大气压低温射频等离子体连续处理纤维表面的装置，包括管体和第一陶瓷管 (1)，其特征在于，所述第一陶瓷管(1)通过设置在所述管体两端和管体中间的支撑连接块 (5,9,10)设置在所述管体中；所述管体两端的支撑连接块(5，9)内设有第二陶瓷管(8)，所述第二陶瓷管(8)与第一陶瓷管(1)相通；所述第一陶瓷管(1)两侧各设有一根电极(2， 3)；所述管体两端的支撑连接块(5，9)中的一个支撑连接块( 上设有与第二陶瓷管(8) 相通的进气管(6)；所述两根电极(2，3)中，一根电极(2)接地，另一根电极(3)接高压；所述管体的外壁(13，16，17，20)接地。
2.根据权利要求1所述的大气压低温射频等离子体连续处理纤维表面的装置，其特征在于，所述管体内还设有变压器(11)；所述管体的一个外壁(1 上安装有风扇(14)；所述变压器(11)与风扇(14)相连。
3.根据权利要求2所述的大气压低温射频等离子体连续处理纤维表面的装置，其特征在于，所述变压器(11)和电极之间设有隔离片(12)。
4.根据权利要求1所述的大气压低温射频等离子体连续处理纤维表面的装置，其特征在于，所述管体的两个相对的外壁(13，17)上开有散热孔(15)。
5.根据权利要求1所述的大气压低温射频等离子体连续处理纤维表面的装置，其特征在于，所述插有进气管(6)的支撑连接块(5)内设有一个活动块(7)；所述活动块(7)位于第二陶瓷管(8)未与第一陶瓷管相通的另一端。
6.根据权利要求1所述的大气压低温射频等离子体连续处理纤维表面的装置，其特征在于，所述第一陶瓷管(1)为截面为正方形的陶瓷管，尺寸为450mmX15mmX 15mm，第一陶瓷管(1)的壁厚为2. 5mm;所述电极0，3)的宽度为5mm，长度为430mm ；所述第二陶瓷管 ⑶为截面为圆形的陶瓷管，内直径为3mm，壁厚为1mm。
7.一种使用如权利要求1-6中任一权利要求所述的装置处理纤维表面的方法，其特征在于，包括以下步骤(1)从纤维卷中拉出纤维束经过送丝装置，送入所述第一陶瓷管内并穿出，再由收丝装置卷绕；(2)将单一气体或混合气体通过进气管送入第一陶瓷管内，气体流动方向与纤维束的运动方向相反；(3)开启射频电源，使接高压的电极通电，从而使得第一陶瓷管内形成放电等离子体区域；(4)开启收丝装置，进行收丝。
8.根据权利要求7所述的大气压低温射频等离子体连续处理纤维表面的方法，其特征在于，所述的纤维卷中间设有可转动的轴支撑，该轴在纤维连续处理过程中，给纤维束提供张力。
9.根据权利要求7所述的大气压低温射频等离子体连续处理纤维表面的方法，其特征在于，所述收丝装置为数字式卷绕机，以设定的1-lOOm/min的线速度进行收丝。
全文摘要
本发明涉及一种大气压低温射频等离子体连续处理纤维表面的装置和方法，装置包括管体和第一陶瓷管，第一陶瓷管通过设置在管体两端和管体中间的支撑连接块设置在管体中；管体两端的支撑连接块内设有第二陶瓷管，第二陶瓷管与第一陶瓷管相通；第一陶瓷管两侧各设有一根电极；管体两端的支撑连接块中的一个支撑连接块上设有与第二陶瓷管相通的进气管；两根电极中，一根电极接地，另一根电极接高压；管体的外壁接地。方法是在将纤维束穿过第一陶瓷管，对电极加压，使得第一陶瓷管内形成放电等离子体区域，从而对纤维进行表面处理。本发明可以产生均匀稳定的低温等离子体，明显改善了纤维表面的结构和性能。
文档编号D06M10/00GK102505447SQ20111029675
公开日2012年6月20日 申请日期2011年9月27日 优先权日2011年9月27日
发明者刘小虎, 张菁, 石建军, 郭颖, 黄晓江 申请人:东华大学