CN110139457B - 亚真空低温等离子体在线连续材料处理装置 - Google Patents

Abstract

一种亚真空低温等离子体在线连续材料处理装置，包括放卷机构、亚真空低温等离子体材料处理设备和放卷机构，亚真空低温等离子体材料处理设备包括一个以上的主腔体和多级真空缓冲腔体，主腔体位于中间，各级缓冲腔体对称分布于主腔体两侧，沿着材料的走向依次排布，所述主腔体与缓冲腔体之间或相邻缓冲腔体之间通过隔板封闭，隔板中部设有通孔，亚真空低温等离子体材料处理设备的电极组贯穿主腔体和各缓冲腔体，材料从电极组的放电间隙中穿过，所述主腔体的真空范围为99900～10Pa。本发明可实现在亚真空环境下，对一定宽幅范围内的材料的连续处理，且相较于常压低温等离子体处理装置对材料具有更好的处理效果，工作效率高，工作稳定。

Description

亚真空低温等离子体在线连续材料处理装置

技术领域

本发明涉及低温等离子体技术领域，具体为一种亚真空低温等离子体在线连续材料处理装置。

背景技术

等离子体是一种高能量的物质聚集态，其中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子、光子和自由基等活性粒子。利用等离子体对材料进行处理可引起材料表面的物理变化（如刻蚀、解吸、溅射、注入、激发和电离等）和化学变化（如氧化、分解、交联、聚合和接枝等），以达到改变材料表面特性（包括亲水性、疏水性、粘合性、阻燃性、防腐性、防静电性以及生物适应性）的目的。等离子体可以通过辉光放电、电晕放电、介质阻挡放电、射频放电以及微波放电等方式产生。介质阻挡放电是有绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态气体放电。在两个放电电极之间充满某种工作气体, 并将其中一个或两个电极用绝缘介质覆盖, 也可以将介质直接悬挂在放电空间或采用颗粒状的介质填充其中，当两电极间施加足够高的交流电压时，电极间的气体会被击穿而产生放电，即产生了介质阻挡放电。

介质阻挡放电(DBD)是有绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态气体放电又称介质阻挡放电或无声放电。介质阻挡放电能够在低气压至高气压很宽的气压范围产生放电，也可以在很宽的频率范围内工作，通常的工作气压为10⁴～10⁶，电源频率可从50Hz至1MHz。电极结构的设计形式多种多样。在两个放电电极之间充满某种工作气体,并将其中一个或两个电极用绝缘介质覆盖，也可以将介质直接悬挂在放电空间或采用颗粒状的介质填充其中，当两电极间施加足够高的交流电压时，电极间的气体会被击穿而产生放电，即产生了介质阻挡放电。在实际应用中，管线式的电极结构被广泛的应用于各种化学反应器中，而平板式电极结构则被广泛的应用于工业中的高分子和金属薄膜及板材的改性、接枝、表面张力的提高、清洗和亲水改性中。

发明内容

本发明针对常压低温等离子体处理装置的对材料处理效果尚有不足和处理温度高，不能处理纤维丝束被覆盖的纤维问题，而真空环境下又不易实现连续处理，处理能量不能汇聚在材料附近，真空环境要求高的情况，提出了一种亚真空低温等离子体在线连续材料处理装置，可实现在亚真空条件下辉光放电的均匀低温等离子体，且能有效地连续处理所需处理材料。

本发明的技术方案为：

一种亚真空低温等离子体在线连续材料处理装置，包括放卷机构、亚真空低温等离子体材料处理设备和收卷机构，其特征在于：

所述亚真空低温等离子体材料处理设备包括一个以上的主腔体和多级真空缓冲腔体，主腔体位于中间，各级缓冲腔体对称分布于主腔体两侧，沿着所需处理材料的走向依次排布，所述主腔体与缓冲腔体之间或相邻缓冲腔体之间通过隔板封闭，所述隔板中部设有介质阻挡结构电极组和材料通过的通孔，亚真空低温等离子体材料处理设备的电极组贯穿主腔体和各缓冲腔体，材料从电极组的放电间隙中穿过，所述主腔体的真空范围为99900～10Pa。

在上述方案的基础上，进一步改进或优选的方案还包括：

所述电极组紧靠通孔内壁，所述放电间隙控制在1-300mm之间。

所述电极组包括正相位高压电极组和负相位高压电极组，所述正相位高压电极组包括一个以上的正相位高压电极，负相位高压电极组包括一个以上的负相位高压电极，正相位高压电极与等离子体激励电源的正相位高压输出端连接，负相位高压电极与等离子体激励电源的负相位高压输出端连接。

所述等离子体激励电源为差分电源，其正相位高压输出端和负相位高压输出端的输出幅度大小相等，相位相反。

两个最外侧缓冲腔体的外侧一端分别设有气氛进口，所述气氛进口与气氛气瓶连接。

所述电极组为内部设有金属空心管，外部覆盖刚玉、石英或陶瓷阻挡介质的电极，所述金属空心管与冷却风机连接。

有益效果：

本发明亚真空低温等离子体在线连续材料处理装置可实现在亚真空环境下对线状材料的连续处理，能够满足材料在处理后提高材料的表面张力和表面能，且相较于常压低温等离子体处理装置对材料具有更好的处理效果，处理温度低，能量能集中于被处理的材料附近，能处理相互叠加在一束的纤维内部的纤维部分，工作效率高，工作稳定，通过缓冲腔体的屏障作用，使主腔体稳定的维持亚真空的动平衡状态，且打破了千帕级别以下才能实现辉光放电的瓶颈。本发明真空环境要求低，容易抽真空，设备成本比较低，节能，处理气氛浓度高，且可以施加各种气体。

附图说明

图1是亚真空低温等离子体在线连续材料处理装置的右视结构示意图。

图2是亚真空低温等离子体在线连续材料处理装置的主视结构示意图。

图3是亚真空低温等离子体在线连续材料处理装置的俯视结构示意图。

图4是亚真空低温等离子体在线连续材料处理装置的左视结构示意图。

图5是亚真空低温等离子体在线连续材料处理装置的立体结构示意图。

图6是亚真空低温等离子体在线连续材料处理装置的立体结构示意图。

图7为亚真空低温等离子体在线连续材料处理装置的内部结构示意图。

具体实施方式

为了进一步阐明本发明的技术方案和工作原理，下面结合附图与具体实施例对本发明做详细的说明。

如图1至图7所示的一种亚真空低温等离子体在线连续材料处理装置，包括放卷机构1、亚真空低温等离子体材料处理设备2、收卷机构4、地脚5、差分馈电介质阻挡放电低温等离子体电源、抽真空设备、气氛控制系统、电气控制系统、冷却系统等组成部件。

所述放卷机构1、收卷机构4分别设置在亚真空低温等离子体材料处理设备2的左右两侧，对应亚真空低温等离子体材料处理设备2进料口和出料口的位置，设有卷盘和调节旋钮，工作时根据线状材料的种类，通过调节旋钮调整卷盘的松紧度，从而保证线状材料在放、收卷的过程中不会被拉断。收卷机构4通过电机的带动旋转，同时排线的导轨左右摆动，当经过处理的线状材料通过导丝轮缠绕到收卷盘上时，排线导轨左右摆动使线状材料被均匀的收卷在收卷盘上。

如图7所示，所述亚真空低温等离子体材料处理设备2包括两个主腔体16和两个二级真空缓冲腔体19，两个主腔体16位于中间，两个二级真空缓冲腔体19对称设置在两个主腔体16的两侧。主腔体16与缓冲腔体19之间通过隔板封闭，所述隔板中部设有容电极组和线状材料通过的通孔，所述电极组横向贯穿两个主腔体16和二级真空缓冲腔体19，线状材料从电极组放电间隙中穿过。

本实施例中，所述亚真空低温等离子体材料处理设备2优选采用差分馈电介质阻挡放电低温等离子体设备对电极工作电压的控制方法（如 CN200720035097.5的专利文件所公开的差分馈电介质阻挡放电低温等离子体装置），即采用差分电源作为等离子体的激励电源。所述亚真空低温等离子体材料处理设备2内设置的介质阻挡结构电极组包括正高压电极组和负高压电极组，所述放电间隙即正高压电极组与负高压电极组的间隙，材料从两电极组中间通过。所述正高压电极组包括一个以上的正高压电极，负高压电极组设有对应数量的负高压电极，正高压电极与差分等离子体激励电源的正高压输出端连接，负高压电极与差分等离子体激励电源的负高压输出端连接，所述正高压输出端与负高压输出端的输出信号幅度大小（基本）相等，相位相反。所述正相位高压电极和/或负相位高压电极采用内部设有金属空心管17，外部覆盖刚玉、石英或陶瓷阻挡介质的电极。

所述气氛控制系统由气氛气瓶11和设置了气氛控制阀门10、流量计的进气管路构成，设有多组气氛气瓶，连入二级真空缓冲腔体后，可进行多气氛的混合进入。所述抽真空设备包括真空泵7与设有真空控制阀门6的排气管路，各主腔体16的出气口通过亚真空抽气法兰20与所述排气管路连接，二级真空缓冲腔体19通过二级缓冲真空抽气法兰14与所述排气管路连接。所述二级缓冲真空抽气法兰14设置在两二级真空缓冲腔体19的外侧一端，且两二级缓冲真空抽气法兰14分别设有一气氛进口8，所述气氛进口8通过所述进气管路与气氛气瓶11连接。

所述冷却系统包括用于电极内部冷却的部分，所述真空泵7用于主腔体16和二级真空缓冲腔体19的抽真空。电极内部的冷却通过涡流风机9实现，所述涡流风机9与电极内部的金属空心管17连接，将气源不断的通入电极内部，致使电极内部的温度在达到一定程度时保持稳定。本实施例中，主腔体16、二级真空缓冲腔体19和电极外部的冷却通过所述真空泵7即可实现，故不再另外增设机构。亚真空低温等离子体材料处理设备2底部设有真空泵抽真空与破真空口。

所述电气控制系统包括设置在亚真空低温等离子体材料处理设备2上方的控制触摸屏3，用作实现人机交互的界面。

本发明装置中，所述主腔体16的真空范围为99900～10Pa，从而打破真空度在千帕级别以下才能实现辉光放电的瓶颈。在上述实施例的基础上，在实施条件允许的情况下，可设置更多级的真空抽取，即缓冲腔体可设为更多级，例如，在两个二级真空缓冲腔体19的外部（即进料和出料的方向），再依次设置三级、四级等缓冲腔体，以确保达到不同真空度需求下的等离子体放电环境。可采用隔板隔离相邻的缓冲腔体，在所述隔板上设置通孔，使电极组贯穿主腔体和所有的缓冲腔体。由于本发明装置用于对线状材料的连续处理，当线状材料进入亚真空低温等离子体材料处理设备2，并从设备2中通过时，外部大气与缓冲腔体、缓冲腔体与主腔体中间不免有气体的流通，而缓冲腔体的设置可作为主腔体的真空度保护屏障，通过真空泵7的持续工作，使其稳定的维持所需的亚真空环境，即缓冲腔体的真空度低于主腔体16，且一般情况下，各缓冲腔体的真空度会向亚真空低温等离子体材料处理设备2的进料口和出料口方向逐级递减。

为降低二级真空缓冲腔体19与外部大气，主腔体16与二级真空缓冲腔体19 之间气体的流通，所述隔板上通孔尽可能的设计小，使电极组紧靠通孔的内壁，一般可将所述放电间隙控制在1-300mm之间。

本实施例装置操作简便，可控性强，亚真空状态下产生的等离子体均匀，且处理效果好。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种亚真空低温等离子体在线连续材料处理装置，包括放卷机构（1）、亚真空低温等离子体材料处理设备（2）和收卷机构（4），其特征在于：

所述亚真空低温等离子体材料处理设备（2）包括一个以上的主腔体（16）和多级真空缓冲腔体（19），主腔体（16）位于中间，各级缓冲腔体（19）对称分布于主腔体（16）两侧，沿着所需处理材料的走向依次排布，所述主腔体（16）与缓冲腔体（19）之间或相邻缓冲腔体（19）之间通过隔板封闭，所述隔板中部设有介质阻挡结构电极组和材料通过的通孔，亚真空低温等离子体材料处理设备（2）的电极组贯穿主腔体（16）和各缓冲腔体（19），材料从电极组的放电间隙中穿过，所述主腔体（16）的真空范围为99900～10Pa。

2.根据权利要求1所述的一种亚真空低温等离子体在线连续材料处理装置，其特征在于，所述电极组的外表面贴靠紧靠通孔内，所述放电间隙控制在1-300mm之间。

3.根据权利要求1所述的一种亚真空低温等离子体在线连续材料处理装置，其特征在于，所述电极组包括正相位高压电极组和负相位高压电极组，所述正相位高压电极组包括一个以上的正相位高压电极，负相位高压电极组包括一个以上的负相位高压电极，正相位高压电极与等离子体激励电源的正相位高压输出端连接，负相位高压电极与等离子体激励电源的负相位高压输出端连接。

4.根据权利要求3所述的一种亚真空低温等离子体在线连续材料处理装置，其特征在于，所述等离子体激励电源为差分电源，其正相位高压输出端与负相位高压输出端的输出幅度大小相等，相位相反。

5.根据权利要求1所述的一种亚真空低温等离子体在线连续材料处理装置，其特征在于，两个最外侧缓冲腔体（19）的外侧一端分别设有气氛进口（８），所述气氛进口（８）与气氛气瓶（11）连接。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种亚真空低温等离子体在线连续材料处理装置，其特征在于，所述电极组采用内部设有金属空心管，外部覆盖刚玉、石英或陶瓷阻挡介质的电极，所述金属空心管与风机连接，进行通风冷却。