专利名称：用于聚合物材料表面改性的等离子体处理装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于聚合物材料表面改性的装置和方法，具体的为一种利用大气压下产生辉光放电的低温等离子体来改善聚合物材料的表面性能的装置和方法。
背景技术：
聚合物材料因其出色的机械性能、化学性能和热稳定性而广泛应用于工业生产和人们日常生活的方方面面。然而，由于聚合物表面的亲水性低，使其存在难以与其它材料黏结的缺陷，因此需要改善其表面性能。
目前，广泛用于聚合物表面改性的方法包括化学处理、光辐射处理和等离子体处理等，其中，等离子体处理因其对环境的无污染性而得到越来越多的关注。由活性粒子和电磁辐射构成的大气压辉光放电等离子体可以被直流或射频电流激发，在聚合物表面引起一系列的化学反应并形成能够增强聚合物材料表面性能的新型基团，通过活性基团嵌入、表面刻蚀和交联等过程实现表面改性。等离子体处理的优势主要包含两个方面: O等离子体处理仅发生在聚合物表面几十纳米范围内，不会改变基体结构； 2)等离子体激发条件不同，可产生不同类型的等离子体，如氧化型等离子体和还原型等尚子体等。
以往用于聚合物表面改性的等离子体可由低气压辉光放电、大气压电晕放电和介质阻挡放电产生。这三种等离子体表面改性技术都存在着各种无法解决的问题，影响其发展和应用。
低气压辉光放电等离子体虽然在一定程度上能够实现聚合物表面均匀改性的要求，但是需要真空系统，导致设备体积庞大，能耗高，操作复杂，难以实现工业化生产。与低气压等离子体处理技术相比，大气压放电和介质阻挡放电等离子体可以在常压下的空气中产生，虽然在一定程度上具有不需要昂贵的真空设备、操作简便和成本低廉的优点，但还存在以下不足。
公开号为CN1900408的中国专利公开了一种电晕放电低温等离子体织物改性处理装置，该装置虽然在一定程度上能够达到在常压下对织物改性的目的，但是其放电等离子体中存在大量高能量密度的细丝放电，这将对聚合物表面造成损伤，并造成聚合物表面改性质量不均匀。
同理，公开号为CN101580594的中国专利公开了一种介质阻挡放电等离子体技术改性芳纶复合材料界面的方 法，该方法也存在放电等离子体中存在大量高能量密度的细丝放电，对聚合物表面造成损伤和造成聚合物表面改性质量不均匀的缺陷。
另外，目前的大气压放电等离子体通常采用射频或微波电容耦合或电感耦合放电产生，大功率的射频或微波电源制作困难，价格高，并且容易对人体和其他测量设备产生干扰，而大气压下的直流电源驱动的放电等离子体由于很容易产生辉光到弧光的转变而不容易实现稳定放电。发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于聚合物材料表面改性的等离子体处理装置和方法，该等离子体处理装置和方法不仅能够在常压大气中产生用于聚合物材料表面改性的等离子体，而且不会对聚合物表面造成损伤，并具有改性质量均匀的优点。
为达到上述目的，本发明首先提出了一种用于聚合物材料表面改性的等离子体处理装置，包括直流电源和反应室，所述反应室内对应设有分别与直流电源相连的金属阳极和液态阴极，且所述反应室内设有用于盛放所述液态阴极的液体介质的容器，所述金属阳极正对设置在所述液态阴极的液面正上方，所述反应室内还设有用于气体介质流通的进气系统。
进一步，所述进气系统包括设置在所述反应室上的进气口和出气口，所述进气口设置在所述液态阴极的上方，且所述进气口上依次设有气体流量计、气阀和进气泵，所述出气口设置在所述液态阴极的下方并直接与大气相通。
进一步，所述气体介质为空气、氮气或惰性气体；所述液态阴极的液体介质为自来水或氧化性试剂溶液。
进一步，还包括用于向所述容器内补充液体介质的蠕动泵。
进一步，所述反应室内设有用于聚合物材料连续进料的驱动装置，所述驱动装置包括用于将聚合物材料导向至金属阳极与液态阴极之间的驱动辊、设置在所述容器内并用于调节聚合物材料与液态阴极液面距离的升降辊和用于收卷处理完成后的聚合物材料的收卷辊，所述收卷辊上设有驱动电机，所述容器上设有用于调节升降辊上下位置的升降机构。
进一步，所述反应室内设有用于调节所述金属阳极与所述液态阴极之间间距的调节机构。
进一步，所述金属阳极采用耐烧蚀金属材料制成并与所述液态阴极的液面垂直，且所述金属阳极呈针状、棒状、筒状或板状，并阵列布置在所述液态阴极的液面上方，每一根所述金属阳极与所述直流电源之间均设有镇流电阻。
本发明还公开了一种采用如上所述等离子体处理装置的用于聚合物材料表面改性的等离子体处理方法，包括如下步骤: 1)将待处理聚合物材料置于液态阴极液面下方，并调节所述聚合物材料与液态阴极液面之间距离至设定值； 2)启动进气系统向反应室内进气； 3)启动直流电源，调节金属阳极和液态阴极之间的间距至设定值，使金属阳极和液态阴极之间产生放电等离子体，开始对聚合物材料进行等离子体处理； 4 )处理完成后，关闭直流电源，取出聚合物材料。
进一步，所述步骤I)中，待处理聚合物材料水平置于液态阴极液面的下方，且待处理聚合物材料的上表面至液态阴极液面的距离为1-1Omm ； 进一步，所述步骤3 )中，所述直流电源的输出电压值可调，且所述金属阳极和液态阴极之间的放电电压为0- 10000V，放电电流为0-300mA。
本发明的有益效果在于: 本发明用于聚合物材料表面改性的等离子体处理装置，通过将金属阳极和液态阴极与直流电源相连，用直流高压驱动产生大气压辉光放电等离子体，可以在开放大气中激发，不需要昂贵的真空设备，操作简便，成本低廉；该等离子体中包含高能电子、离子、激发态分子原子及各种激发态和紫外光等多种活性粒子，这些活性粒子与聚合物表面进行相互作用，引起聚合物表面发生物理、化学组分以及化学结构的变化，从而达到表面改性的目的； 采用直流电源提供放电电压，且放电电压在几百到几千伏，放电电流在毫安量级；等离子体处理效果可通过调节聚合物表面到液态阴极液面的距离实现，通过调节聚合物表面到液态阴极液面的距离，能够方便控制到达聚合物表面的活性粒子量，达到实现不同处理效果的目的。
本发明用于聚合物材料表面改性的等离子体处理装置和方法，在放电情况良好的情况下，不会发生火花和电弧放电，避免了弧光放电和过高的等离子体温度而引起的被处理物的烧蚀穿孔和热破坏，放电产生的等离子体温度和能量适中，能在不破坏聚合物内部结构的情况下改善聚合物表面的吸水性，使聚合物的润湿性显著提高。
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明: 图1为本发明用于聚合物材料表面改性的等离子体处理装置第一实施例的结构示意图； 图2为本发明用于聚合物材料表面改性的等离子体处理装置第二实施例的结构示意图； 图3为采用本发明用于聚合物材料表面改性的等离子体处理方法处理后的聚酰亚胺薄膜表面的水接触角和α-溴萘接触角随处理时间的变化关系图； 图4为采用本发明用于聚合物材料表面改性的等离子体处理方法处理后的聚酰亚胺薄膜表面的含水率随处理时间的变化关系图； 图5为采用本发明用于聚合物材料表面改性的等离子体处理方法处理后的聚酰亚胺薄膜表面的含水率随薄膜表面到液面厚度的变化关系图。
具体实施方式
下面将结合附图 ，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
第一实施例 如图1所示，为本发明用于聚合物材料表面改性的等离子体处理装置实施例的结构示意图。本实施例用于聚合物材料表面改性的等离子体处理装置，包括直流电源I和反应室2，反应室2内对应设有分别与直流电源I相连的金属阳极3和液态阴极4，且反应室2内设有用于盛放液态阴极4的液体介质的容器5，金属阳极3正对设置在液态阴极4的液面正上方，反应室2内还设有用于气体介质流通的进气系统。
优选的，本实施例反应室2内设有用于调节金属阳极3与液态阴极4之间间距的调节装置，本实施例的调节装置为设置在反应室2顶部与金属阳极3之间的螺纹调节结构。通过调节金属阳极3和液态阴极4之间的距离，并结合金属阳极2和液态阴极4之间的放电电压，能够有效击穿气体介质，并产生大气压辉光放电等离子体。优选的，金属阳极3与所述液态阴极4的液面垂直，且金属阳极3采用耐烧蚀金属材料制成，如采用钼、钨和不锈钢等金属材质制成，且金属阳极3可以呈针状、棒状、筒状或板状，本实施例的金属阳极3采用钼制成，且金属阳极3呈棒状。
本实施例用于聚合物材料表面改性的等离子体处理装置，通过将金属阳极3和液态阴极4与直流电源相连，用直流高压驱动产生大气压辉光放电等离子体，可以在开放大气中激发，不需要昂贵的真空设备，操作简便，成本低廉。该等离子体中包含高能电子、离子、激发态分子原子及各种激发态和紫外光等多种活性粒子，这些活性粒子与聚合物表面进行相互作用，引起聚合物表面发生物理、化学组分以及化学结构的变化，从而达到表面改性的目的。采用直流电源提供放电电压，且放电电压在几百到几千伏，放电电流在毫安量级。等离子体处理效果可通过调节聚合物表面到液态阴极液面的距离实现，通过调节聚合物表面到液态阴极液面的距离，能够方便控制到达聚合物表面的活性粒子量，达到实现不同处理效果的目的。
本实施例用于聚合物材料表面改性的等离子体处理装置，在放电情况良好的情况下，不会发生火花和电弧放电，避免了弧光放电和过高的等离子体温度而引起的被处理物的烧蚀穿孔和热破坏，放电产生的等离子体温度和能量适中，能在不破坏聚合物内部结构的情况下改善聚合物表面的吸水性，使聚合物的润湿性显著提高。
进一步，进气系统包括设置在反应室2上的进气口 6和出气口 7，进气口 6设置在液态阴极4的上方，且进气口 6上依次设有气体流量计、气阀和进气泵，出气口 7设置在液态阴极4的下方并直接与大气相通，采用该结构的进气系统，能够满足进气的要求。
进一步，从进气系统通入反应室内的气体介质为空气、氮气或惰性气体；液态阴极4的液体介质为自来水或氧化性试剂溶液，本实施例的气体介质为空气，液态阴极4的液体介质为氧化性试剂溶液，能够满足使用要求。
进一步，金属阳极3与直流电源I之间设有镇流电阻8，镇流电阻8的阻值为10欧姆-100兆欧姆，本实施例的镇流电阻8的阻值选用10兆欧姆，能够满足使用要求。
第二实施例 如图2所示，为本发明用于聚合物材料表面改性的等离子体处理装置第二实施例的结构示意图。本实施例用于聚合物材料表面改性的等离子体处理装置，包括直流电源I和反应室2，反应室2内对应设有分别与直流电源I相连的金属阳极3和液态阴极4，且反应室2内设有用于盛放液态阴极4的液体介质的容器5,金属阳极3正对设置在液态阴极4的液面正上方，反应室2内还设有用于气体介质流通的进气系统。
本实施例反应室2内设有用于聚合物材料连续进料的驱动装置，所述驱动装置包括用于将聚合物材料导向至金属阳极3与液态阴极4之间的驱动辊10、设置在容器5内并用于调节聚合物材料9与液态阴极4液面距离的升降辊11和用于收卷处理完成后的聚合物材料9的收卷辊12，收卷辊12上设有驱动电机，容器5上设有用于调节升降辊12上下位置的升降机构。通过设置驱动装置，在驱动电机的作用下，能够连续驱动聚合物材料9至金属阳极3与液态阴极4之间进行等离子体处理，能够有效实现连续生产，提高生产效率。升降机构可以采用多种结构实现，本实施例的升降机构包括固定安装在容器5上的伸缩杆13，升降辊12铰接安装在伸缩杆13上，通过伸缩杆13的伸缩作用，能够调节升降滚12在容器5内的上下位置，进而调节聚合物材料9与液态阴极液面之间的距离。
优选的，本实施例用于聚合物材料表面改性的等离子体处理装置还包括用于向容器5内补充液体介质的蠕动泵14，能够及时向容器5内补充液体介质，保证等离子体处理能够连续地进行。
优选的，金属阳极3与所述液态阴极4的液面垂直，且金属阳极3采用耐烧蚀金属材料制成，如采用钼、钨和不锈钢等金属材质制成，且金属阳极3可以呈针状、棒状、筒状或板状，并阵列布置在液态阴极4的液面上方，每一根金属阳极3与直流电源I之间均设有镇流电阻8，本实施例的金属阳极3采用钨制成，且金属阳极3呈针状。通过在液态阴极4的液面上方阵列布置多根金属阳极3，能够使产生的等离子体分布更加均匀，使得等离子体处理的效果更好，金属阳极3 —般采用1-20根，本实施例的液态阴极4的液面上方阵列布置3排3列共9根金属阳极3。
优选的，本实施例反应室2内设有用于调节金属阳极3与液态阴极4之间间距的调节装置，通过调节金属阳极3和液态阴极4之间的距离，并结合金属阳极2和液态阴极4之间的放电电压，能够有效击穿气体介质，并产生大气压辉光放电等离子体。本实施例的调节装置包括用于安装金属阳极3的安装板15，安装板15与反应室2顶部之间设有螺纹调节机构，能够实现金属阳极3的同步距离调节。
本实施例的其他实施方式与第一实施例相同，不再累述。
下面结合上述第二实施例的等离子体处理装置对本发明用于聚合物材料表面改性的等离子体处理方法的具体实施方式
作详细说明。
本实施例利用如上所述用于聚合物材料表面改性的等离子体处理方法，包括如下步骤: 1)将待处理聚合物材料9置于液态阴极4液面下方，并利用升降辊11和升降机构调节待处理聚合物材料9至液态阴极液面的间距，调节聚合物材料9与液态阴极4液面之间距离至设定值； 2)启动进气系统向反应室2内进气； 3)启动直流电源1，调节金属阳极3和液态阴极4之间的间距，使金属阳极3和液态阴极4之间产生放电等离子体，开始对聚合物材料进行等离子体处理，理时间可根据不同的待处理聚合物材料9设置，一般为10s-30min，如图3所示，为采用本实施例等离子体处理方法处理后的聚酰亚胺薄膜表面的含水率随处理时间的变化关系图，如图所示，随着处理时间的延长，聚酰亚胺薄膜表面的含水率逐渐增大后趋于平稳； 4)处理完成后，关闭直流电源I，取出聚合物材料。
如图2所示，为采用本实施例等离子体处理方法处理后的聚酰亚胺薄膜表面的水接触角和α-溴萘接触角随处理时间的变化关系图吗，如图所示，通过本实施例的等离子体处理方法处理后，聚酰亚胺薄膜表面的水接触角变小，与α -溴萘之间的接触角变大，表面其润湿性增强，达到了表面改性的目的。
进一步，本实施例中，待处理聚合物材料9水平置于液态阴极4液面的下方，且待处理聚合物材料9的上表面至液态阴极液面的距 离为1-lOmm，如图4所示，为采用本实施例等离子体处理方法处理后的聚酰亚胺薄膜表面的含水率随薄膜表面到液面厚度的变化关系图，随着聚酰亚胺薄膜表面至液态阴极液面的距离的逐渐增大，聚酰亚胺薄膜表面的含水率逐渐降低，说明随着待处理聚合物材料9与液态阴极4液面之间具体的增大，等离子体处理逐渐减弱。
进一步，直流电源I的输出电压值可调，且所述金属阳极和液态阴极之间的放电电压为0-10000V，放电电流为0-300mA。通过将直流电源I设置为输出电压值可调节，能够有效控制金属阳极3和液态阴极4之间的放电电压，并驱动产生大气压辉光放电等离子体对聚合物表面进行改性处理。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作 出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
权利要求
1.一种用于聚合物材料表面改性的等离子体处理装置，其特征在于:包括直流电源和反应室，所述反应室内对应设有分别与直流电源相连的金属阳极和液态阴极，且所述反应室内设有用于盛放所述液态阴极的液体介质的容器，所述金属阳极正对设置在所述液态阴极的液面正上方，所述反应室内还设有用于气体介质流通的进气系统。
2.根据权利要求1所述用于聚合物材料表面改性的等离子体处理装置，其特征在于:所述进气系统包括设置在所述反应室上的进气口和出气口，所述进气口设置在所述液态阴极的上方，且所述进气口上依次设有气体流量计、气阀和进气泵，所述出气口设置在所述液态阴极的下方并直接与大气相通。
3.根据权利要求2所述用于聚合物材料表面改性的等离子体处理装置，其特征在于:所述气体介质为空气、氮气或惰性气体；所述液态阴极的液体介质为自来水或氧化性试剂溶液。
4.根据权利要求1所述用于聚合物材料表面改性的等离子体处理装置，其特征在于:还包括用于向所述容器内补充液体介质的蠕动泵。
5.根据权利要求1-4任一项所述用于聚合物材料表面改性的等离子体处理装置，其特征在于:所述反应室内设有用于聚合物材料连续进料的驱动装置，所述驱动装置包括用于将聚合物材料导向至金属阳极与液态阴极之间的驱动辊、设置在所述容器内并用于调节聚合物材料与液态阴极液面距离的升降辊和用于收卷处理完成后的聚合物材料的收卷辊，所述收卷辊上设有驱动电机，所述容器上设有用于调节升降辊上下位置的升降机构。
6.根据权利要求1-4任一项所述用于聚合物材料表面改性的等离子体处理装置，其特征在于:所述反应室内设有用于调节所述金属阳极与所述液态阴极之间间距的调节机构。
7.根据权利要求6所述用于聚合物材料表面改性的等离子体处理装置，其特征在于:所述金属阳极采用耐烧蚀金属材料制成并与所述液态阴极的液面垂直，且所述金属阳极呈针状、棒状、筒状或板状，并阵列布置在所述液态阴极的液面上方，每一根所述金属阳极与所述直流电源之间均设有镇流电阻。
8.一种采用如权利要求1-7任一项所述等离子体处理装置的用于聚合物材料表面改性的等离子体处理方法，其特征在于:包括如下步骤: 1)将待处理聚合物材料置于液态阴极液面下方，并调节所述聚合物材料与液态阴极液面之间距离至设定值； 2)启动进气系统向反 应室内进气； 3)启动直流电源，调节金属阳极和液态阴极之间的间距至设定值，使金属阳极和液态阴极之间产生放电等离子体，开始对聚合物材料进行等离子体处理； 4 )处理完成后，关闭直流电源，取出聚合物材料。
9.根据权利要求8所述用于聚合物材料表面改性的等离子体处理方法，其特征在于:所述步骤I)中，待处理聚合物材料水平置于液态阴极液面的下方，且待处理聚合物材料的上表面至液态阴极液面的距离为l-10mm。
10.根据权利要求9所述用于聚合物材料表面改性的等离子体处理方法，其特征在于:所述步骤3)中，所述直流电源的输出电压值可调，且所述金属阳极和液态阴极之间的放电电压为0-10000V，放电电流为0-300mA。
全文摘要
本发明公开了一种用于聚合物材料表面改性的等离子体处理装置，包括直流电源和反应室，反应室内对应设有分别与直流电源相连的金属阳极和液态阴极，且反应室内设有用于盛放所述液态阴极的液体介质的容器，金属阳极正对设置在所述液态阴极的液面正上方，反应室内还设有用于气体介质流通的进气系统。本发明还公开了一种用于聚合物材料表面改性的等离子体处理方法，包括如下步骤1)将待处理聚合物材料置于液态阴极液面下方；2)启动进气系统向反应室内进气；3)启动直流电源，调节金属阳极和液态阴极之间的间距，使金属阳极和液态阴极之间产生放电等离子体，开始对聚合物材料进行等离子体处理；4)处理完成后，关闭直流电源，取出聚合物材料。
文档编号C08J7/12GK103194001SQ20131015188
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月27日 优先权日2013年4月27日
发明者郑培超, 刘克铭, 王金梅, 代玉, 于斌 申请人:重庆邮电大学