大气压DBD等离子体炬的放电机制及其对PET织物的聚合改性研究

摘要

大气压低温等离子体技术无需外加高温，能在较低的温度下引发化学反应，在高分子材料表面改性及生物材料制备等领域显示出巨大的应用前景。在本论文中，我们研究了自建的液体电极大气压介质阻挡放电(DBD)等离子体炬装置的放电机制，并且对Ar和He两种不同气氛的等离子体炬的聚合特性进行了对比研究，最后我们创新性地利用基于该等离子体炬技术的两步法来对PET织物进行表面功能化改性。
　　当输入功率低于50W时，Ar和He等离子体炬的温度均低于310K，与室温接近，因此该等离子体炬非常适合用来对有机材料进行表面改性或引发高分子聚合反应。等离子体炬的放电电流随着输入功率的升高而增大，在相同的输入功率条件下，Ar等离子体炬的放电电流要高于He等离子体炬。当在等离子体炬中加入O2或者丙烯酸单体时，放电电流强度出现了明显的减弱趋势。此外通过发射光谱(OES)分析，在Ar和He等离子体炬中均检测到了O2+、OH、O等活性粒子，它们在等离子体聚合过程中起了十分重要的作用。
　　Ar和He等离子体炬沉积的丙烯酸聚合物薄膜表面分布着大量基底半径约为300nm的纳米锥，其中He等离子体炬沉积的薄膜表面纳米锥的密度和规整度要高于Ar等离子体炬。当惰性气体流量为0.4m3·h-1、O2气体流量为0.1m3·h-1时，Ar等离子体炬的聚合速率约为50nm·min-1，而He等离子体炬的聚合速率约为15nm·min-1，同时，He等离子体炬沉积的丙烯酸聚合物薄膜的耐水性要优于Ar等离子体炬。由X射线光电子能谱(XPS)分析发现，相同输入功率条件下，He等离子体炬在蚕丝蛋白膜表面引入的COOH/R基团的含量比Ar等离子体炬高出80.93％。
　　经过两步法改性后的PET织物表面引入了许多含氮的极性基团，当输入功率为50W时，PET织物表面的O=C-NH基团含量是输入功率为30W条件下的4倍。改性后的PET织物接触角从原始的90°左右降到0°，且该接触角不会随着存放时间的推移而变化，克服了通常等离子体处理技术存在的处理效果老化问题。最后经活性染料在常压条件下染色发现，等离子体聚合改性后的PET织物的染色深度（K/S值）达到了2.01。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 等离子体概述

1．1．1 等离子体的概念及分类

1．1．2 等离子体的主要发生方法

1．2 大气压DBD等离子体

1．2．1 DBD等离子体放电反应器

1．2．2 DBD等离子体放电原理及特性

1．2．3 DBD等离子体对织物材料表面改性

1．3 PET织物的表面改性

1．3．1 PET织物的分子结构与性能

1．3．2 PET织物表面改性的研究现状

1．4 本论文的研究意义及主要内容

1．4．1 研究意义

1．4．2 研究内容

第二章 大气压DBD等离子体炬的放电机制

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验装置及方法

2．2．2 分析方法

2．3 实验结果及讨论

2．3．1 等离子体炬气体的温度

2．3．2 等离子体炬的长度

2．3．3 等离子体炬放电的电压电流特性

2．3．4 等离子体炬的发射光谱

2．4 本章小结

第三章 氩气和氦气等离子体炬的不同聚合特性对比

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验装置及方法

3．2．2 分析方法

3．3 实验结果及讨论

3．3．1 聚合物薄膜的表面形貌

3．3．2 聚合物薄膜表面形貌形成机理

3．3．3 聚合速率及聚合物薄膜的耐水性能

3．3．4 聚合物薄膜的元素及组成

3．4 本章小结

第四章 等离子体炬对PET织物的聚合改性

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验装置及方法

4．2．2 分析方法

4．3 实验结果及讨论

4．3．1 PET织物的表面形貌

4．3．2 PET织物的表面化学结构

4．3．3 PET织物的表面元素及组成

4．3．4 PET织物的亲水性及处理效果的时效性

4．3．5 PET织物的染色性能

4．4 本章小结

第五章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果

致谢