一种高气压稳定等离子体装置的研究和应用

《一种高气压稳定等离子体装置的研究和应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种高气压稳定等离子体装置的研究和应用（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、一种高气压稳定等离子体装置的研究和应用 葛袁静 赵志发 张广秋 陈思光 王东宝 乔治山 北京印刷学院. ( 北京 大兴 1 0 2 6 0 0 ) 摘要 本文介绍了一种新型的高气压稳定等离子体放电状置，称之为感应介质阻挡放电装置. ( I n d u c e d D i e l e c t r i c B a r r i e r D i s c h a r g e简称I D B D ) ，用这种装置可以处理炭黑等微细导 电材料.使炭黑表面含氧基团增加，润湿性能明显变好. 炭黑是一种极性很弱， 表面惰性很强的导电性粉未状材料.特别是炉法炭黑， 由于是在还 原性气氛中生成的， 表面惰性就更为严重.

2、生产油墨时炭黑在连结料中分散性不好， 不易研磨. 研磨时间长.国内有关单位一直在努力寻求解决上述问题的办法 1 ， 但主要是在传统生产工 艺上， 如寻求合适的表面活性剂， 粘结料， 和对炭黑表面用化学氧化方法，臭氧氧化等.但是采 用化学方法具有环境污染， 废液难以处理， 效率低等问题， 效果也不理想. 国际上有人用等离子体技术对炭黑表面进行改性， 发现了 通过等离子体改性， 炭黑表面含 氧基团增加， 润湿性明显变好 2 ， 3 l 但是这些文献介绍的 都是在真空等离子体中处理， 处 理效率很低，一般要处理2 -8 小时，炭黑的I7 , 值才由未处理的7 . 2 降到2 , 9 -3 . 6 .

3、我们用 R F 辉光放电等离子体处理炭黑得到与国外类似的结果.这种处理办法若想推广到工业应用则 比较困难.针对这种情况， 我们开发出了感应介质阻挡放电等离子体处理技术( I n d u c e d D i e l e c t r i c B a r r i e r D i s c h a r g e简称I D B D ) , 可在大气压条件下2作， 处理效率是前者 的数百倍， 因而提供了工业应用的可能性. 在本报告中将仔细报告 ( I D B D ) 实验装置原理及实验结果. 一、介质阻挡放电( D i e l e c t r i c B a r r i e r D i s c h a r g

4、 e简称D B D ) 我们首先研究了在大气压条件下介质阻档放电处理炭黑的可行性.这种放电装置如 图1 .所示.D B D 放电是早已发现， 但最近十年内才 得以重视和发展的放电技术， 并在等离子体化学中 得到广泛研究与应用 【 4 , 5 .它的原理区别于 电晕放电， 它由两个平板电极组成.见图1 .两个 电极中至少有一个是被绝缘介质所包围的， 这种结 构保证放电时不会有极间击穿.由于两极均为平 版， 加上电压后电场分布均匀， 当放电电压达到击 穿电压后， 气体就会被击穿， 形成放电产生等离子 体.这种放电的特点是整体放电由无数个在时间 和空间上都随机分布的微放电组成， 每个微放电 持续时间

5、I O n s 左右， 形成通道直径为数微米， 每个 通道内几乎是园对称的， 所产生的自由电子、 图1 . D B 。 放电示意图 金属电极 2 .绝缘介质 3 .金属电极 等离子体 5 .高频电源 2 5 1 离子等带电粒子均被限制在通道中， 在每个 通道中 形成一个 在时间上稳定的等离 子体源. 由 于每 个通道在时间， 空间上的 随机性 ， 因 此， 从宏观上看， 它是 分布均匀、稳定的. 这种放 电可以工作在大气压条件下， 并可实现大面积 均匀放电.我们选用这种放电装置作了实验. 并用动态接触角测量法 6 测量了炭黑在等 离子体处理前后亲水性的变化.结果如图2 所 示.图2 中给出了没

6、经等离子体处理的， 在R F 辉 光放电处理的， 在D B 。 空气大气压条件下处理的图 2 . 及在氧气大气压条件 下D B D 处理的炭黑 的h 2 - t 图. h 2 越大，炭黑的 亲水性越好.从图中 可见， 在大1 , 气压空气等离子体中处理效果比在R F 辉光放电3 . n 2 c谕 ) 1 0 20 3 0 4 0 5 0 6 0 T (m i 1 1 不同D B D 及辉光等离子体处理条件下 的 h 2 一 t 图 氧等离子体处理2 .空气等离子体处理 R F 辉光等离子体处理礴 .未处理 ( 真空中) 处理效果几乎高一倍， 这可能是由于R F 辉光放电是在真空进行的，由于反应

7、气体 太少， 处理效果差.从图2 中还可看 到用 大气压条件下。 2 等离子体 处理效 果比 用空气 D B D 放 电h 2 值高出一 倍， 这说明， 反应中起主 要作用的是氧 . 但是， 这种放电装置也有缺陷， 主要是由于炭黑颗粒是导电的， 因此， 当空气被击穿时， 炭黑粒子会作为等离子体中的 “ 尘埃”粒子， 在放电中会带电， 并被电场变化所支配， 因此， 在放电雪崩发生时， 会产生( 1 ) 四处飞溅， 会在介质电极表面沉积形成导电层， 最终破坏D B D 放电， ( 2 ) 在电场作用下， 炭黑颖粒会产生堆积， 形成电场空间分布不均匀， 从而产生局部导 电， 在电极间形成短路击穿.由

8、于这两条原因， 使得放电难以控制，对保证正常稳定运行， 难以实现. 二、感应介质阻挡放电装里 ( I n d u c e d D i e l e c t r i c B a r r i e r D i s c h a r g e 简称I D B D ) 为了获得一种既保证能在大气压条件下稳定工作， 又不会产生炭黑溅射和击穿的均匀， 长时间连续工作的放电装置， 我们在D B D 放电装置基础上， 新研制出了感应电介质阻挡放电 等离子体装置， 其结构如图3 .所示: 图3 , I D B D 放电装f示意图 1 .网状电极2 .金属电极 3 .介质绝缘4 .样品托盘 5 .真空室6 ,炭黑 7 .

9、真空计8 .针阀 9 ,储气瓶1 0 .抽气阀门 1 i .机械泵1 2 .高频电源 从图中所见， 该装置与普通。 B D 放电的区别在于: 没被电绝缘介质包围的电极由平板结 构改为网状结构， 这样， 在外加高频电 源作用下 ， 在电 极2 , 3 和网 状电 极1 之间形成传 统的 D B 。 放电.但是， 在网状电 极1 和样品 托盘4 之间， 当 样品 托盘是由 金属制成 时，在网状电 极 和样品托盘之间 就会 产生一 个感 应电 场. 在感应电场作用下 在电 极z .3 和网 状电极1 之间 产生的等离子 体就会穿过网状电 极，到达 样品 托盘.也就 是说在 样品 托盘和网 状电 极之

10、间 将产 生一个时间 和空间都均匀的 等离子体 ， 称 之为 感应等离 子体.感 应等离子体与炭 黑相 互作 用时， 由于感 应电 场的牵制和网 孔的限制 ， 带电 炭黑不易越过筛网 ， 因而不会 粘在绝缘 2 5 2 电极上， 同样也不易形成击穿放电柱， 因而保证了既能正常处理， 又不易击穿的效果， 保证了 放电正常进行.实验结果也证明了这种装置是高效、稳定可靠的， 是可行的. 我们的整个实验研究， 包括后面所讲的定标律研究都是在这个装置上进行的. 1 .进行最佳多孔电极形状， 参数的选择试验. ( 1 ) .网状电极孔目和放电电极间距离d l 参数选择 我们使用了两种不同特点的多孔电极，

11、一种是布满均匀园孔的镍铁片材料.园孔直径 有2 m 。 和1 . 5 m m 两种.用这种材料作多孔电极时， 非孔部分会与电极2 形成非常均匀的微放 电， 但这个微放电是随多孔电极的图形形状均匀分布的.当感应电场被加上时， 高能电子， 离子和各种自由基会通过园孔而打到炭黑表面， 对炭黑进行改性， 但同样由于园孔直径 ( 1 . 5 - 2 m m ) 太大， 因此炭黑也很容易被溅射而飞溅到石英玻璃板上， 因此对长时间连续工作 不利， 要经常清洗石英玻璃， 比较麻烦.我们后来又选用不同目数的不锈钢筛网.随不锈钢 筛网的目数不同， 其形成的方孔的孔径也不同， 编织这个不锈钢筛网的不锈钢丝的粗细也不

12、 同.从微观局部看去，放电实质上是在数根细丝与平板之间产生.见图4 .不锈钢筛网电 极放电示意图.1 图4 .不锈钢筛网电极放电示惫图 1 .金属电极 2 .绝缘介质 3 .网电极4 .等离子体 5 .高频电源 .样品托盘 e 士竺亡 二巴二 二二兰- -a 当不锈钢筛网被绷得很紧， 且网很平时， 从总的效果看， 放电就类似多孔的平板电极的放 电.当 选用目 数高的 筛网， 且d l 较小， 则放电 细密均匀， 成晕 状， 较为柔和. 选用目 数低的筛 网， 且d l 较大， 则放电成细丝状， 轰击厉害.由于炭黑是导电的细粉末， 因此如果筛网孔径大， . s t a n d a r d n u

13、 m b e r i s 40叭肛 护侣山己公口U一 n几U 门进 .1.1。 则炭黑在感应电场的作用下将会从托盘上被溅射出来， 严重影响处理效果.如筛网孔径太小， 则也影响带电 粒子和活性基团穿越筛网孔径， 到达炭黑表面， 最终 也影响 处理效果.我 们研究了放电间 隙d l 和不锈 钢 筛网孔径的关系.结果见图5 . 实脸是在空气中， 大气 压条件下进行的， 以所测定的改性后炭黑表面的酸性 基团量的相对增量大小为判断标准.从图5 .中可看 出， 随 d l 放电间 隙的增大， 放电效果 变坏， 总的 来看d l 宜小不宜大， 筛网适当的密， 即目数适当的高， 以炭黑 不溅出能保持正常放电为

14、准. ( 2 ) . 不同感应间隙d 2 的选择 图5 .在空气中不同目数筛网条件下 d l 和炭黑表面 酸性基团相 对增盆 之间的关系 在最佳不锈钢 筛网目 数和最佳放电间隙 d l 条件下， 改 变感应间 隙d 2 的 大小， 在空 气 大 气压下) 中放电， 以改性后炭黑表面酸性基团童的相对增量的大小为判断依据， 研究感应区 距离 d 2 大 小对处理效果的 影响结果见图6 . 从图6 . 可看出 ， 随 感应间 隙d 2 的 增大， 处理效果 变差 ， 但是当d 2 变小时， 又很容易将炭黑粉末 戮射到石英玻璃 上， 需要 经常清洗， 不适宜连续 长期 工作， 因此必 须综合 考虑d

15、2 的 数值， 在不影响 放电的条件 下， 以勺较小为最佳. ( 3 ) .最佳处理样品重量值的选择试验 在确定的放电间隙d l 和确定的感应间隙d 2 的条 件下， 不同数量的样品与处理效果关系如何? 我们也进 2 5 3 行 了试验， 开aM I足你天杀， 结呆 见图7 .从 图中可 以看出， 处理样品量少， 处理效果就越好， 实际上这说明 处理改性是在炭黑的表面进行， 而在一定的尺寸范围内， 表面积是一定的， 因此为保证炭黑处理效果， 等离子体 处理装置应是放电 面积大， 而炭黑堆积 厚度不要太 大， ( 4 ) .处理时间及处理效果的定标关系 对相同重f的样品 数f， 在一定的 放电间

16、隙 d 1 , 一 定的 感应间隙 d 2 ， 一定的电 极网目 数， 一定的放电 功率下， 用不同的处理时间， 对炭黑进行改性， 其结果 见 图 8 . 从 图 中 可 看 出 随 放 电 时 间 的 增 大 ， 炭 黑 表 面 Ch 含 酸 性 基 团 盆 的 相 对 增 蛋 也 不 断 增 大 ， 在 达 到 某 一M 6 . r e l a ti v e i n c r e m e n t 处理时间后， 酸性基团的相对增量趋于饱和， 也就是再 加大处理时间也没什么作用了， 实际上这说明随处理 时间的加大， 炭黑表面这一层已全部被改性， 再加大 放电时间也没有用了， 从我们两年来大量的试验经验看来， 等离子体 处理的功率密度不宜过大， 尤其是在空气( 大气压) 等 离子体处理条件下， 否则炭黑会产生严重的灰化现象. 当灰化现象严重时， 肉眼也能观察到炭黑表面一层会 呈现出银灰色焦炭的颜色.因此要求改性效果好， 实 际上需要的是小功率的放电、细密均匀， 呈晕状的等 离子体处理， 这样处理效果才会比较好. 不同感 应间隙d 2 与炭