低溫等離子體射流聚合物表面改性實驗報告

1、低溫等離子體射流聚合物表面改性實驗姓名班級學號：引言：目前，在科學研究和工程技術中，低溫等離子體領域的研究內容包括電弧等離子體、高頻等離子體、微波等離子體、磁流體發(fā)電、等離子體加速、大氣層中的超高速飛行、熱離子能量轉換、電子束和離子術技術、氣體激光技術、等離子體化學等等。而高溫等離子體研究的主要內容是受控熱核聚變。等離子體物理在空間物理學、現(xiàn)代天體物理學、氣體電子學、大規(guī)模集成電路加工制造、材料表面改性等領域有廣泛應用。等離子體涉及許多學科領域一一物理學、流體力學、氣體動力學、熱物理、化學、電磁學、材料科學等等。無論從事上述那一方面等離子體科學與技術的研究和應用，都有必要對等離子體本身有一個基

2、本的了解。本課程主要論述等離子體的基本性質、單粒子軌道理論、粒子碰撞理論、動力學理論、磁流體力學理論、帶電粒子輸運性質、各種放電原理及應用等。簡介：低溫等離子體放電過程中雖然電子溫度很高，但重粒子溫度很低，整個體系呈現(xiàn)低溫狀態(tài)，所以稱為低溫等離子體，也叫非平衡態(tài)等離子體.如果電子的溫度和重粒子溫度差不多，則為高溫等離子體，或平衡態(tài)等離子體。低溫等離子體中能量的傳遞大致為：電子從電場中得到能量，通過碰撞將能量轉化為分子的內能和動能，獲得能量的分子被激發(fā)，與此同時，部分分子被電離，這些活化了的粒子相互碰撞從而引起一系列復雜的物理化學反應。因等離子體內富含的大量活性粒子如離子、電子、激發(fā)態(tài)的原子和分

3、子及自由基等，從而為等離子體技術通過化學反應處理異味物質提供了條件。它是基于放電物理、放電化學、反應工程學的學科之上的交叉學科。近幾十年來，有關等離子體技術的研究非?；钴S，為合成新物質、新材料及環(huán)境污染治理等提供了一種新技術、新方法和新工藝。低溫等離子體降解污染物是利用這些高能電子、自由基等活性粒子和廢氣中的污染物作用，使污染物分子在極短的時間內發(fā)生分解，并發(fā)生后續(xù)的各種反應以達到降解污染物的目的。例如：等離子電視，嬰兒尿布表面防水涂層，增加啤酒瓶阻隔性。更重要的是在電腦芯片中的蝕刻運用，讓網(wǎng)絡時代成為現(xiàn)實。高溫等離子體只有在溫度足夠高時發(fā)生的。太陽和恒星不斷地發(fā)出這種等離子體，組成了宇宙的9

4、9。%低溫等離子體是在常溫下發(fā)生的等離子體（雖然電子的溫度很高）。低溫等離子體體可以被用于氧化、變性等表面處理或者在有機物和無機物上進行沉淀涂層處理。實驗目的：（1）研究大氣壓低溫等離子體射流的產(chǎn)生和其在聚合物表面處理方面的應用。（2）觀察大氣壓氮低溫等離子體射流的基本形態(tài)，掌握其產(chǎn)生和穩(wěn)定的放電方法，了解介質阻擋放電的物理本質。（3）通過該研究，培養(yǎng)學生形成實際動手操作和理論分析相結合的分析問題解決問題的能力。實驗內容：實驗是采用大氣壓下氬氣低溫等離子體射流對聚合物（聚乙烯薄膜）進行表面處理，以改善聚合物的表面能，提高其表面親水能力與表面粘接強度。通過實驗認識大氣壓放電等離子體的發(fā)生與其基本

5、應用，包括低溫等離子體射流的產(chǎn)生了解大氣壓低溫等離子體射流放電的一些基本現(xiàn)象。通過測量處理前后聚合物表面水接觸角的變化，認識與了解大氣壓放電等離子體的發(fā)生與其基本應用，并進一步從等離子體物理與化學角度分析其內在機理。實驗儀器：中頻放電功率源，大氣壓低溫等離子體射流發(fā)生裝置，氣瓶，氣體流量計，水接觸角測試儀。實驗原理：（1）介質阻擋放電大氣壓條件下，氣體擊穿需要很高的電壓，所以空間電場通常很強，再加上大氣壓條件下電子碰撞電離概率比較高，所以氣體放電很容易過渡到弧光放電。為了抑制弧光放電的產(chǎn)生，可以采取介質阻擋放電形式。介質阻擋放電又稱無聲放電，在外電場的作用下，氣體中的電子被加速，當達到某一值年

6、是就會產(chǎn)生電子雪崩。氣體被擊穿，放電空間產(chǎn)生大量電子和離子。電子在電極表面的絕緣層沉積下來并建立一個內電場，該內電場的方向與外電場的方向相反。若忽略空間電荷場，則放電空間的總電場由（）決定。隨著放電的發(fā)展，電極上積累的電荷足夠多時，總電場地道不能再是電子加速到足夠能量而產(chǎn)生碰撞電離。則放電熄滅。所以阻擋放電是一個不斷產(chǎn)生熄滅的交替過程,產(chǎn)生的等離子體是典型的非平衡態(tài)低溫等離子體。介質阻擋放電（DielectricBarrierDischarge，DBD）是有絕緣介質插入放電空間的一種非平衡態(tài)氣體放電又稱介質阻擋電暈放電或無聲放電。介質阻擋放電能夠在高氣壓和很寬的頻率范圍內工作，通常的工作氣壓為

7、1010000。電源頻率可從50Hz至1MHz。電極結構的設計形式多種多樣。在兩個放電電極之間充滿某種工作氣體,并將其中一個或兩個電極用絕緣介質覆蓋,也可以將介質直接懸掛在放電空間或采用顆粒狀的介質填充其中，當兩電極間施加足夠高的交流電壓時，電極間的氣體會被擊穿而產(chǎn)生放電，即產(chǎn)生了介質阻擋放電。在實際應用中，管線式的電極結構被廣泛的應用于各種化學反應器中，而平板式電極結構則被廣泛的應用于工業(yè)中的高分子和金屬薄膜及板材的改性、接枝、表面張力的提高、清洗和親水改性中。介質阻擋放電的結構示意圖2）大氣壓低溫等離子體射流大氣壓低溫等離子體射流發(fā)生裝置見下圖，其基本放電形式是介質阻擋放電，同時又有快速氣

8、流吹動，氣流的存在刻意進一步抑制放電過程中可能產(chǎn)生的放電通道過于集中的問題，有利于產(chǎn)生一種穩(wěn)定而均勻的放電形態(tài)；此外，氣流的吹動可以吧放電空間產(chǎn)生的一些活性成分激發(fā)態(tài)粒子甚至荷電粒子導出放電空間區(qū)域，這樣就可以視線放點區(qū)域與工作區(qū)域的分離，使這種放電等離子體發(fā)生器有更大的實用性。目前這種放電等離子體發(fā)生器被用于表面清洗，表面處理，消毒滅菌，薄膜制備，廢氣廢水處理等方面。大氣壓低溫等離子體射流發(fā)生裝置示意圖3）大氣壓低溫等離子體射流聚合物表面處理由于介質阻擋放電產(chǎn)生的等離子體中電子能量在0這樣能量的電子可以打斷大多數(shù)聚合物的化學鍵（1,所以經(jīng)過射流處理的聚合物表面會長生大量的不飽和鍵，這些不飽和

9、鍵在空氣中被氧化形成大量的極性基團，如等，這些極性基團的存在提高了聚合物的表面能量。使得極性水分子聚合物表面的結合力增強。從而導致水接觸角的降低。而等離子體改性只涉及聚合物表面量級的范圍，不會對聚合物的整體結構造成損害。此外低溫等離子體射流表面處理還具有速度快作用時間短的特點，因此具有極高的處理效率。不會污染環(huán)境，是一種非、常有前途的表面處理技術。實驗結果處理與分析：水接觸角左右-平均、/差處理后處理前分析處理后，水接觸角明顯減小，原因是低溫等離子體射流，使聚乙烯薄膜表面產(chǎn)生了一些親水基團，提高了表面能，提高了其表面親水能力，從而導致水接觸角變小。結語：自20世紀20年代特別是50年代以來，等

10、離子體物理學已發(fā)展成為物理學的一個十分活躍的分支。在實驗上，已經(jīng)建成了包括一批聚變實驗裝置在內的很多裝置，發(fā)射了不少科學衛(wèi)星和空間實驗室，從而取得大量的實驗數(shù)據(jù)和觀測資料。在理論上，利用粒子軌道理論、磁流體力學和動力論已經(jīng)闡明等離子體的很多性質和運動規(guī)律，還發(fā)展了數(shù)值實驗方法。最近半個多世紀來的巨大成就，使人們對等離子體的認識大大深化；但是一些已提出多年的問題，特別是一些非線性問題如反常輸運等尚未得到完善解決，而對天體和空間的觀測的進一步開展，以及受控熱核聚變和低溫等離子體應用研究的發(fā)展，又必定會帶來更多新的問題。今后一個相當長的時期內，等離子體物理學將繼續(xù)取得多方面的進展。參考文獻1.徐學基，諸定昌。氣體放電。上海，復旦大學出版社，19962李篤信，賈德民。聚合物的表面接枝改性技術進展。中國塑料，19983.馬力群。難粘高分子材料的表面處理技術?；瘜W與粘合，1999.4周.其鳳，胡漢杰。高分子化學。北京：化學工業(yè)出版社，2001.5.肖為雄。合成纖維改性原理與方法。成都：成都科技大學出版社，1992.6陳.銀，王紅衛(wèi)。等離子體在醫(yī)用材料表面改性中的應用，非織造布，20067.張燕，顧彪，王文春，王德珍，常壓輝光放電等離子體對化纖及其他聚合物的表面處理研究進展，合成纖維，2