一种基于二氧化碳气氛的低温常压等离子体表面亲水改性装置及方法

1.本发明涉及绿色制造技术领域，具体涉及一种基于二氧化碳气氛的低温常压等离子体表面亲水改性装置及方法。


背景技术：

2.以二氧化碳为主的温室气体排放导致的全球气候变暖，正严重威胁着人类的生存和可持续发展，是当前人类面临的重大全球性挑战之一。我国为推动绿色循环低碳发展，提出了力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和。与此同时，我国现阶段改善环境质量的任务依然严峻，碳中和目标为我们推进环境污染防治和温室气体减排工作提供了基本遵循。为实现碳中和的目标，除了减少化石能源消费，大力发展新能源，还可以从以排放的二氧化碳的收集和利用出发。现已有很多研究专注于二氧化碳的吸附和能源化再生利用。其中，以等离子体技术催化分解二氧化碳的研究成为二氧化碳能源化研究的热点之一，但是目前得到一氧化碳或甲烷转化率均不理想，二氧化碳的利用率不高。
3.等离子体表面处理技术是通过一定能量激发气体分子，使气体离解成电子、离子、自由基和其他亚稳态都等激发态，与材料表面发生碰撞，破坏共价键，产生自由基，活化材料表面。而活化的材料表面可与激发气体相结合，在表面产生化学活性基团。低温常压大气等离子体处理技术已被广泛用于电镀、涂层、油墨印刷等行业，以起到提高界面结合的作用。
4.综上所述，以二氧化碳为气氛，可以利用等离子体技术将二氧化碳有效活化利用，在聚合物薄膜产生更多亲水基团，从而在对聚合物薄膜表面进行亲水改性的同时，实现二氧化碳的再利用，减少二氧化碳在环境中的排放。
5.

技术实现要素：

6.本发明的目的在于提出一种二氧化碳气氛的低温常压等离子体表面亲水改性装置，在常压下利用高能将二氧化碳电离，既能实现疏水性聚合物薄膜表面连续化亲水改性，又实现二氧化碳的再利用，减少二氧化碳的排放。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一方面，本发明提供了一种基于二氧化碳气氛的低温常压等离子体表面亲水改性装置，该装置包括二氧化碳供气单元、等离子体处理室及传送带，等离子体处理室包括发生室和后置反应室，发生室内设有正电极、负电极，正电极与外置控制电源电连接，负电极接地；二氧化碳供气单元位于等离子体处理室的顶部，二氧化碳供气单元的底部连接气管，气管延伸至发生室内的底部，二氧化碳供气单元与气管的连接处设有控制开关，控制开关与压力传感器电连接，压力传感器位于发生室内的顶部；
传送带为u型结构，传送带依次穿过发生室和后置反应室，正电极位于传送带的上部，负电极位于传送带的下部，传送带嵌入正电极与负电极之间，负电极由至少两个传送辊组成，传送辊转动带动传送带运动，待处理薄膜附着于传送带表面。
8.进一步地，所述发生室的左下角和后置反应室的右上角均安装鼓风机。
9.进一步地，正电极与负电极之间的间距为10mm-500mm。
10.进一步地，正电极为棒状或管状电极，由高导电性金属制成。
11.进一步地，高导电性金属为铁、铜、银中的一种。
12.进一步地，负电极由不锈钢制成，负电极表面附有绝缘涂层。
13.进一步地，绝缘涂层的材质为al2o3或ca
0.8
sr
0.2
tio3。
14.进一步地，发生室的左上角设有入口，后置反应室右上角设有出口，传送带从入口进入发生室，从出口离开后置反应室，入口和出口均设有密封结构，密封结构为2个同向设置的弹性硅胶片。
15.另一方面，本发明还提供了一种基于二氧化碳气氛的低温常压等离子体表面亲水改性方法，该方法包括如下步骤：s1：将待处理薄膜附着于传送带上；s2：开启控制开关，二氧化碳供气单元内的二氧化碳进入发生室，直至气压传感器检测发生室内气压等于一个大气压；s3：打开控制电源开关，等离子发生电极开始放电，转动传送辊，传送辊带动传送带运动，附着于传送带表面的待处理薄膜依次穿过发生室和后置反应室。
16.进一步地，控制电源的运行功率为50w-50kw；正电极放电频率为10khz-100mhz；待处理薄膜在发生室内的运行时间3-5min，在后置反应室的运行时间1-3min。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：（1）本发明的基于二氧化碳气氛的低温常压等离子体表面亲水改性装置，实现了二氧化碳的二次利用，将正电极，负电极和传送带置于反应室的底部，传送带进出口均位于处理室顶部，二氧化碳比重大，可以将空气从顶部排出室内，进而实现反应室内充满二氧化碳气体，保证等离子体的发生气氛为二氧化碳；（2）本发明的基于二氧化碳气氛的低温常压等离子体表面亲水改性装置，与真空等离子体处理装置相比，本发明的装置不需要真空处理，常压下即可进行，入口和出口位置单向布置的弹性硅胶片既可以保证处理室的气密性，又可以保证传送带输入输出的连续性，可以实现连续的薄膜亲水处理；（3）本发明的基于二氧化碳气氛的低温常压等离子体表面亲水改性装置，等离子激发二氧化碳电离的气体离子轰击待处理薄膜表面，使得薄膜表面活化。通过控制传送带速度，使待处理薄膜在反应室内进行等离子处理3-5min后，再在后置反应室内运行1min，保证薄膜表面的活化基团与电离后的气体离子发生充分的键合反应。基于实验证明，等离子体活化后的表面在空气中1-2min后即失活。
18.（4）本发明的基于二氧化碳气氛的低温常压等离子体表面亲水改性装置，以pp纺粘无纺布为例，薄膜表面对水的接触角可以由95o降低到32o，成功实现薄膜的亲水改性。以红外光谱仪对薄膜表面官能团进行分析发现，改性后的pp纺粘无纺布表面出现了亲水基团-oh和c-o的吸收峰。
19.附图说明
20.图1为基于二氧化碳气氛的低温常压等离子体表面亲水改性装置的结构示意图。
21.1-二氧化碳供气单元；11-气管；12-控制开关；13-压力传感器；2-等离子体处理室；21-发生室；22-后置反应室；23-正电极；24-负电极；25-鼓风机；26-入口；27-出口；3-传送带。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制，本发明中，还需要说明的是，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如可以固定连接，也可以是可拆卸连接，也可以是机械连接，也可以是通过中间媒介间接连接，也可以电连接可以通过具体情况理解术语在本发明中的具体含义。
24.实施例1本发明提供了基于二氧化碳气氛的低温常压等离子体表面亲水改性装置，如图1所示，该装置包括二氧化碳供气单元1、等离子体处理室2及传送带3。
25.等离子体处理室2包括发生室21和后置反应室22，发生室21内设有正电极23、负电极24，正电极23与外置控制电源电连接，负电极24接地。
26.二氧化碳供气单元1位于等离子体处理室2的顶部，二氧化碳供气单元1的底部连接气管11，气管11延伸至发生室21内的底部，二氧化碳供气单元1与气管11的连接处设有控制开关12，控制开关与压力传感器13电连接，压力传感器13位于发生室21内的顶部。
27.传送带3为u型结构，传送带3依次穿过发生室21和后置反应室22，正电极23位于传送带3的上部，负电极24位于传送带3的下部，传送带3嵌入正电极23与负电极24之间，负电极24由至少两个传送辊组成，传送辊转动带动传送带3运动，待处理薄膜附着于传送带3表面。
28.具体的，二氧化碳供气单元1可持续为等离子发生室21供气，保证发生室21气压与外界气压相同。
29.压力传感器13感应等离子体处理室2内的气体压力，一旦室内低于一个大气压，会通过气管11排放气体进入等离子体处理室2内底部，保证二氧化碳从发生室21底部充入。
30.控制开关12包括手动开关和自动开关，手动开关用于等离子体放电前将等离子体处理室内的空气排掉；自动开关用于等离子体处理过程中二氧化碳的自动充入。
31.具体的，所述发生室21的左下角和后置反应室22的右上角均安装鼓风机25。鼓风
机25保证电离后的二氧化碳气体充满整个等离子体处理室。
32.具体的，正电极23与负电极24之间的距离为10mm-500mm。
33.具体的，正电极23为棒状或管状电极，由高导电性金属制成。
34.具体的，高导电性金属为铁、铜、银中的一种。
35.具体的，负电极24由不锈钢制成，负电极24表面附有绝缘涂层。
36.具体的，绝缘涂层的材质为al2o3或ca
0.8
sr
0.2
tio3。
37.具体的，发生室21的左上角设有入口26，后置反应室22右上角设有出口27，传送带3从入口26进入发生室21，从出口27离开后置反应室22，入口26和出口27均设有密封结构，密封结构为2个同向设置的弹性硅胶片。弹性硅胶片单向设置，起到密封装置的同时，保证传送带3单向运行。
38.该装置既可以用于二氧化碳再利用，又可以用于聚丙烯类、聚酯类等涂层、薄膜、非织造布和织物等的表面亲水改性。
39.采用本发明装置处理完的聚丙烯无纺布薄膜表面对水的接触角可以由95o降低到60o，成功实现聚丙烯无纺布薄膜的亲水改性。改性后的聚丙烯无纺布表面出现了亲水基团-oh和c-o的吸收峰。
40.实施例2本发明提供了一种基于二氧化碳气氛的低温常压等离子体表面亲水改性方法，采用上述装置，该方法包括如下步骤：s1：将待处理薄膜附着于传送带3上；s2：开启控制开关，二氧化碳供气单元1内的二氧化碳进入发生室21，直至压力传感器13检测发生室内21气压等于一个大气压；s3：打开控制电源开关，等离子发生电极开始放电，转动传送辊，传送辊带动传送带3运动，附着于传送带3表面的待处理薄膜依次穿过发生室21和后置反应室22。
41.具体的，控制电源的运行功率为50w-50kw；正电极23放电频率为10khz-100mhz。
42.待处理薄膜在发生室21内的运行时间3-5min，在后置反应室22的运行时间1-3min。
43.具体的，手动打开二氧化碳供气单元1的开关，将二氧化碳气体充入等离子体处理室底部，利用二氧化碳比空气重的原理，将空气从顶部出口位置排出。充气15min后，将二氧化碳储气罐开关拨至自动状态；处理室两侧的鼓风机打开，气体在处理室内发生环形流动。
44.与现有技术相比，本发明的有益效果是：（1）本发明的基于二氧化碳气氛的低温常压等离子体表面亲水改性装置，实现了二氧化碳的二次利用，将正电极，负电极和传送带置于反应室的底部，传送带进出口均位于处理室顶部，二氧化碳比重大，可以将空气从顶部排出室内，进而实现反应室内充满二氧化碳气体，保证等离子体的发生气氛为二氧化碳；（2）本发明的基于二氧化碳气氛的低温常压等离子体表面亲水改性装置，与真空等离子体处理装置相比，本发明的装置不需要真空处理，常压下即可进行，入口和出口位置单向布置的弹性硅胶片既可以保证处理室的气密性，又可以保证传送带输入输出的连续性，可以实现连续的薄膜亲水处理；（3）本发明的基于二氧化碳气氛的低温常压等离子体表面亲水改性装置，等离子
激发二氧化碳电离的气体离子轰击待处理薄膜表面，使得薄膜表面活化。通过控制传送带速度，使待处理薄膜在反应室内进行等离子处理3-5min后，再在后置反应室内运行1min，保证薄膜表面的活化基团与电离后的气体离子发生充分的键合反应。基于实验证明，等离子体活化后的表面在空气中1-2min后即失活。
45.（4）本发明的基于二氧化碳气氛的低温常压等离子体表面亲水改性装置，以pp纺粘无纺布为例，薄膜表面对水的接触角可以由95o降低到32o，成功实现薄膜的亲水改性。以红外光谱仪对薄膜表面官能团进行分析发现，改性后的pp纺粘无纺布表面出现了亲水基团-oh和c-o的吸收峰。
46.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
47.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。