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1、1,1,Company Logo,Copyright by ARTCOM PT All rights reserved.,介质阻挡放电等离子体材料表面改性,周晴201002508125,2,2,等离子体的分类,1、按等离子焰温度分：（1） 高温等离子体：温度相当于108109 K完全电离的等离子体，如太阳、受控热核聚变等离子体。（2）低温等离子体：热等离子体：稠密高压（1大气压以上），温度103105K，如电弧、高频和燃烧等离子体。冷等离子体： 电子温度高（103104K）、气体温度低,如稀薄低压辉光放电等离子体、电晕放电等离子体、 DBD介质阻挡放电等离子体、索梯放电等离子体等。,3,等离子
2、体的分类,2、按等离子体所处的状态：（1）平衡等离子体：气体压力较高，电子温度与气体温度大致相等的等离子体。如常压下的电弧放电等离子体和高频感应等离子体。（2）非平衡等离子体：低气压下或常压下，电子温度远远大于气体温度的等离子体。如低气压下 DC辉光放电和高频感应辉光放电，大气压下DBD介质阻挡放电等产生的冷等离子体。,3,4,低温等离子体的发生技术,直流辉光放电低频放电等离子体高频放电等离子体非平衡大气压等离子体放电介质阻挡放电,4,5,介质阻挡放电,介质阻挡放电是有绝缘介质插入放电空间的一种气体放电。介质可以覆盖在电极上或悬挂在放电空间。这样当在放电电极上施加足够高的交流电压时，电极间的气
3、体即使在很高的气压下，也会被击穿而形成所谓的介质阻挡放电。这种放电看似均匀稳定，但实际上它有大量细致的快脉冲放电通道,通常放电空间的气体压强为104Pa- 105Pa或更高。,5,6,介质阻挡放电的电极结构,6,7,在大气压下（105Pa），这种气体放电呈现微通道的放电结构，即通过放电间隙的电流由大量快脉冲电流细丝构成。电流细丝在放电空间和时间上都是无规则分布的。这种电流细丝也称为微放电。每个微放电的时间过程都非常短促，寿命不到10ns，而电流密度却很高。在介质表面上微放电扩散成表面放电，这些表面放电呈现明亮的斑点，大的可达几个毫米。,8,8,空气中微放电在介质表面斑点的照片,9,介质阻挡放电
4、的机制,当电极两端加上交流电压时，在半个周期内，可以认为是直流放电。在第一个电子雪崩通过放电间隙的过程中出现了相当数量的空间电荷。他们聚集在雪崩头部。,9,由于电子运动速度快，电子集中在雪崩的球状头部，正离子滞后于电子而在雪崩的后部。这样就产生了一个自感电场叠加在外电场上，同时对电子产生影响。,10,介质阻挡放电的机制,10,这个电场将会向阴极传播。在传播过程中原子和分子得到进一步的电离，并激励起向阴极传播的电子反向波。这样一个导电通道能非常快的通过放电间隙而造成气体的击穿。当气体被击穿，导电通道建立后，空间电荷在放电间隙间输送，并积累在介质上。这时介质表面电荷将建立起电场，直到将原来的外加电
5、场削弱为零，以至于中断了放电电流。,11,介质阻挡放电的特点,11,介质阻挡放电（DBD）能够在大气压下产生大体积、高能量密度的低温等离子体，不需要真空设备就能在室温或接近室温条件下获得化学反应所需的活性粒子，相对于其他材料表面改性方法来说，DBD等离子体材料表面改性具有独特的应用价值。 DBD等离子体材料表面改性时的作用深度范围从材料表面下几纳米至几百纳米，能在不影响基体性能的前提下改善材料表面的物理化学性能。同时，该项技术还具有工艺简单、操作简便、环保节能等优点，十分适合大规模连续化工业应用,12,空气中介质阻挡放电对聚丙烯进行表面改性,12,聚丙烯（PP）具有优良力学性能、电气性能和耐化
6、学腐蚀性能，因而被广泛应用于医学、电工、化工和包装等工业领域。但PP膜的表面能较低，导致其表面的亲水性、粘结性、可印性和可染性等性能较差，这大大限制了其应用范围。,13,实验装置及参数,13,14,实验装置及参数,14,实验在敞开的空气环境下进行的，实验时温度为20度，实验装置如上图所示。电源采用幅值在020kv范围内、频率在1kHz100kHz范围内可调的交流电源。上下电极均为直径50mm的圆形铝电极，厚度为1.75mm、直径为80mm的石英玻璃分别覆盖在电极表面作阻挡介质，气隙可调范围为05mm. 改性时，固定电源外加电压为15kV，频率为10kHz，气隙距离为1mm。,15,改性材料选厚
7、度为0.5mm的商用pp薄膜。处理前先将材料剪成60mm60mm大小，再将其放入丙酮中清洗并浸泡10min，去除其表面污物，取出后先用蒸馏水洗净表面残留丙酮，再用酒精清洗并浸泡10min，最后，用蒸馏水冲洗后放在敞开空气中自然晾干后，放入放电空间进行处理。,16,16,17,测试手段,17,接触角测量在处理后立即进行，每次测量的液滴大小为2uL，为了减小测量误差，每一样品在处理后选取不同的位置各测8次取平均值。 处理前后PP膜表面的化学成分通过XPS分析。 处理前后PP膜的表面形貌通过扫描电镜观察。,18,测试手段,18,19,等离子表面改性存在老化效应，即等离子体处理后的材料在放置时，其表面特性会出现退化。为了考查DBD等离子体处理后薄膜的老化效应，将处理后的PP膜在敞开的空气中放置，并监测其表面水接触角的变化情况，所得到的结果如下图所示：,20,21,表面形貌变化,22,表面化学成分变化,23,结论,经DBD改性处理后，PP薄膜的表面水接触角、表面形貌和表面化学成分均发生变化。DBD处理后，PP膜的表面产生刻蚀，表面粗糙度增加，并在表面引入了亲水性含氧、含氮极性基团，使得PP膜表面水接触角下降，因而表面的亲水性提高，表面性能得到优化。,24,谢谢！,
