[发明专利]用于聚合物材料表面改性的等离子体处理装置和方法

说明书

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：

1）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离子体等。

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。