纺织品和无纺布等离子体表面处理装置

摘要

本发明属于气体放电技术领域，是纺织品和无纺布等离子体表面处理装置。包括高频电源、高压电极、接地电极，高压电极为至少一根管内密封充有金属粉的介质管或金属管外套硅橡胶的金属管，高频电源的高压端通过导线插到介质管内，接地电极为覆盖有介质板的金属电极或金属棒外套硅橡胶管，高频电源的接地端通过导线与金属电极相连。本发明的接地电极也可以是由内管与外管组成的套管，外管为介质管，其曲率半径大于高压电极介质管曲率半径，内管为金属管，外管内壁与内管外壁构成的间隙层内密封充有金属粉，高频电源的接地端通过导线插到间隙层内。本发明可在大气压下的空气中对纺织品、无纺布和纸张等材料进行大面积等离子表面处理，无需真空和密封装置。

说明书

技术领域

本发明属于气体放电技术领域，具体的说是纺织品和无纺布等离子体表面处理装置。

背景技术

气体放电产生的低温等离子体中含有大量的、种类繁多的活性粒子，这些活性粒子与材料接触，能使其表面发生刻蚀、氧化、还原、交联、聚合、接枝等反应，引起材料表面化学成分和物理化学性质的变化，如改变材料表面的亲水性、粘接性、可染性、防缩性、防污性及导电性等。这种表面处理方法具有工艺简单、操作简便、耗能低、对环境无污染等特点。在纺织品行业中，这种方法用于刻蚀活化、接枝改性、聚合或沉积覆膜等，对织物表层进行清洁、活化、粗糙化，或通过在织物表面引进新的化学基团、等离子中的活性粒子与材料表面反应聚合沉积形成薄膜等过程来达到表面改性的目的。

对纺织品和无纺布等材料进行表面处理时，通常利用低气压辉光放电方式来获得大面积材料表面处理所需的低温等离子体。低气压辉光放电均匀性好，功率密度适中，适用于对纺织品、无纺布等材料进行表面处理。但对于大规模的工业生产，这种放电方式存在两个重要缺点：①放电和反应室处于低气压状态，真空系统必不可少，而工业化的真空系统所需的投资和运行费用较高；②工业化处理过程中需要不断的打开反应室取出成品，添加试品，然后重新抽真空，充入工作气体并放电，这种分批处理方式难以实现连续生产，效率不高。因此，等离子体表面处理欲实现大规模的工业生产必须在大气压下进行。

常见的大气压下气体放电形式有：电晕放电、电弧放电、介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge，以下简称DBD)。对于织物类材料的等离子体表面处理，电弧放电和电晕放电都不适用。DBD等离子体已被用于等离子体表面处理，可是在大气压下空气中或其它一般气体中的DBD通常由细丝状的流注放电组成，这种流注放电由于其电流空间分布不均，能量集中于流注放电处，在处理织物或无纺布等材料时会出现两个重要问题：①流注放电处局部温度过高，处理时容易引起材料局部灼伤或穿孔；②由于织物或无纺布为非均质材料，等离子体在这些材料的表面分布不均，在材料的网孔部位或厚度比较薄的部位放电较强，而在需要等离子体处理的部位放电比较弱。这两个问题制约了用DBD处理织物或无纺布等材料时的大批量工业化生产。通常情况下，不降低气压就难以使DBD均匀，达到低气压辉光放电的处理效果。近年来研究发现，在一些特殊气体如氦气、氩气中利用DBD方式也可实现大气压下的辉光放电，但无论是低气压辉光放电还是特殊气体中的大气压辉光放电，都需要真空及密封装置，大批量工业化生产应用的成本都比较高。

目前国内外在改善大气压下的DBD的均匀性、实现辉光放电方面进行了多项理论和实验研究，其目的就是为了寻找一种能在大气压下产生均匀低温等离子体，实现纤维类材料表面处理的高效方法，使大面积大批量的流水化作业成为可能。但通常采用的平行平板电极结构的DBD由于其放电间隙电场分布均匀，击穿场强较高，一旦击穿就形成不均匀的丝状放电，无法用于处理纺织品和无纺布等材料。一些辅助措施如气体流动、降低气体湿度等能部分改善这种放电的均匀性，但还是不能解决细丝放电的不均匀性和对材料的破坏问题；而线面式或线桶式电极结构的DBD更容易形成不均匀的丝状放电，引起纤维类材料的局部灼伤或穿孔。

发明内容

本发明的目的在于提出一种可在大气压下的空气中对纺织品和无纺布等材料进行大面积等离子表面处理、无需真空和密封装置的纺织品和无纺布等离子体表面处理装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

纺织品和无纺布等离子体表面处理装置，包括高频电源、高压电极、接地电极，高频电源的高压端通过导线与高压电极相连，高频电源的接地端通过导线与接地电极相连并接地，高压电极可以是至少一根管内密封充有金属粉的介质管，也可以是至少一根金属管，还可以是至少一根外表面覆盖硅橡胶的金属管或棒，高频电源的高压端通过导线插到介质管内，或直接与金属管或金属棒连接，接地电极为覆盖有介质板的金属电极或覆盖有硅橡胶的金属电极，高频电源的接地端通过导线与金属电极相连。

本发明的接地电极也可以是由内管与外管组成的套管，套管至少设有一根，套管至少设有一根，外管为介质管，其曲率半径大于高压电极介质管、金属管或金属棒的曲率半径，内管为金属管，外管内壁与内管外壁构成的间隙层内密封充有金属粉，高频电源的接地端通过导线和内管相连接。

本发明的目的还可以通过以下技术措施进一步实现：

前述的纺织品和无纺布等离子体表面处理装置，其中所述金属电极为金属板、金属网、金属棒或金属管，介质板与金属电极紧密接触。

前述的纺织品和无纺布等离子体表面处理装置，其中所述金属电极下方设有冷却装置。

前述的纺织品和无纺布等离子体表面处理装置，其中所述接地电极介质管的曲率半径至少为高压电极介质管、金属管或金属棒曲率半径的一倍。

前述的纺织品和无纺布等离子体表面处理装置，其中所述套管内设有冷却装置。

前述的纺织品和无纺布等离子体表面处理装置，其中所述套管并排设有两根，其中一根套管上方设有多根管内密封充有金属粉的介质管，另一根套管下方设有多根管内密封充有金属粉的介质管，高频电源的高压端通过导线分别插到各介质管内，套管的金属管通过导线分别与高频电源的低压端相连接。

前述的纺织品和无纺布等离子体表面处理装置，其中所述高压电极和接地电极设置在气氛腔内，气氛腔上设有进料口、出料口、进气口。

前述的纺织品和无纺布等离子体表面处理装置，其中所述介质管为石英玻璃、陶瓷、耐热玻璃或硅橡胶介质管，介质板为石英玻璃、陶瓷、耐热玻璃或硅橡胶。

本发明的优点为：本发明将高压电极设置为管内密封充有金属粉的介质管或金属管或外表面覆盖有硅橡胶的金属管或棒；将接地电极设置为其上覆盖有介质板的金属板或金属网，或外管为介质管、内管为金属管、间隙层内密封充有金属粉的套管，或外套硅橡胶的金属管或棒。待处理试品从接地电极的介质层表面通过。本发明可改变气隙电场在一个方向上的均匀分布状况，采用本发明的装置后，放电细丝的分布变得均匀，每根细丝的电流密度和能量密度都大大减弱。从放电外形上观察，原来分布稀疏的细丝放电变得密集，每根细丝放电的直径变小、亮度减弱、温度降低，放电的均匀性大大提高，部分形态与辉光放电相似。采用这种形式的DBD对纺织品和无纺布等材料进行处理，在有效改善这些材料的可湿性、吸水性、可印性、可染性、粘着性和导电性等特性的同时，不会使材料产生烧灼、穿孔等破坏现象，完全可以达到辉光放电处理的效果，且可以根据需要随意调节处理功率大小。由于该方法可在大气压下的空气中实现，无需真空和密封装置。若实际处理需要加入一些其它气体，也可简单将放电区域隔离出来，充入气体并维持一定的浓度即可。这种形式的DBD结构简单、操作方便，可广泛用于对纺织品和无纺布等材料进行大面积等离子表面处理并可实现流水化作业。本发明可用于对织物等纤维类材料进行表面处理，改善这些材料的可湿性、吸水性、可印性、可染性、粘着性和导电性等。如用于对羊毛织物进行防缩处理(氧气为反应气体)，使其洗涤后的毡缩率大大降低；对棉织物进行处理(氧气为反应气体)，提高染料的上染百分率和织物的断裂强力；对上浆织物进行常压等离子体处理退浆(氧气/空气/氦气或空气/氦气为反应气体)，达到节水节能、减少污染的效果；处理聚酯纤维等材料，提高其粘接强度等等。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图。

图2为图1的侧面结构示意图。

图3为本发明实施例二的结构示意图。

图4为本发明实施例三的结构示意图。

图5为本发明实施例四的结构示意图。

图6为本发明实施例五的结构示意图。

图7为本发明实施例六的结构示意图。

图中：1高频电源、2金属板、3介质板、4试品、5、空气间隙、6金属粉、7高压电极介质管、8冷却装置、9接地电极介质管、10金属管、11进料口、12出料口、13进气口、14气氛腔。

具体实施方式

本发明采用双介质阻挡放电的方式。高压电极为至少一根管内密封充有金属粉的介质管，或至少一根金属管，或至少一根外表面覆盖硅橡胶的金属管或棒。高压电极介质管内填充金属粉作为高压电极，高压电极介质管可以是石英管、陶瓷管、耐热玻璃管等。与高压电极介质管平行的金属板(也可以是金属网或金属镀膜)，上覆盖与其紧密接触的介质板作为接地电极，介质板可以是石英板、陶瓷板、耐热玻璃板或硅橡胶板等；或采用与高压电极介质管平行的同样充以金属粉的大曲率半径接地电极介质管作为接地电极，接地电极介质管可以是石英管、陶瓷管、耐热玻璃或硅橡胶管等，其曲率半径远大于高压电极介质管的曲率半径(通常大于10倍，至少为1倍)。本发明的放电电源为高频电源，其输出波形可以为高频(1~100kHz)正弦波、方波、脉冲波等。用导线将高压电极的金属部分与高频电源的高压端连接，接地电极的金属部分与高频电源1的接地端连接。待处理的试品平铺在接地侧的介质板上表面并与其紧密接触。高频电源开启后，电源的输出电压施加在高压电极和接地电极上，适当调整输出功率，使介质阻挡层之间的间隙放电，对试品进行表面处理。当电极金属部分为填充且封闭在介质管中的金属粉时，外加电压达到一定值后，由于金属粉颗粒间的放电迅速消耗了介质管内的氧气，阻止了金属粉的进一步氧化。另外，金属粉的颗粒之间产生局部放电，放电产生的热量使金属粉部分气化，在介质管内壁形成一层均匀致密的镀层。由于镀层与介质管内壁紧密接触，可消除金属和介质阻挡层之间微小气隙形成的放电。这一方法可保证电极金属部分与介质管内壁接触紧密，避免产生电晕放电而影响DBD的均匀性，同时可延长介质管的使用寿命。也可采用金属管外套硅橡胶管的电极形式，由于硅橡胶具有弹性，只要选择适当的尺寸就可保证金属管与硅橡胶管之间接触紧密。

为获得更加均匀的DBD，可沿与放电垂直的方向向放电空间吹气，使间隙空气流动，则放电更加均匀。

根据处理材料的不同可采用不同尺寸的电极和不同功率的电源，也可采用并列设置多根高压电极来获得大面积比较均匀的等离子体，采用简单的机械装置实现流水化作业。

由于材料与接地介质阻挡层接触，为避免放电时介质阻挡层温度过高对材料造成破坏，必要时可在接地电极采用冷却装置，油冷、水冷或风冷均可。对下电极采用大曲率半径介质管的系统来说，接地电极的接法为在介质管中插入金属管，在金属管与介质管之间注满金属粉并与接地线连接，冷却装置的冷却介质通入金属管中对电极进行冷却。

本发明用于对织物等纤维类材料进行表面处理，改善纸张、薄膜、纺织品以及纤维的表面性质，以改善这些材料的可湿性、吸水性、可印性、可染性、粘着性和导电性等。如用于对羊毛织物进行防缩处理(氧气为反应气体)，使其洗涤后的毡缩率大大降低；对棉织物进行处理(氧气为反应气体)，提高染料的上染百分率和织物的断裂强力；对上浆织物进行常压等离子体处理退浆(氧气/空气/氦气或空气/氦气为反应气体)，达到节水节能、减少污染的效果；处理聚酯纤维等材料，提高其粘接强度等等。

实施例一

本发明实施例一的结构如图1所示，图2为其侧面结构示意图，图1中箭头方向为试品4传输方向。本实施例的高压电极为一根管内密封充有金属粉6的高压电极介质管7，高频电源1的高压端通过导线插到高压电极介质管7内。接地电极为金属板2，金属板2上覆盖有介质板3，介质板3与金属板2紧密接触，高频电源1的接地端通过导线与金属板2相连。具体安装时，将金属粉6灌入一端密封的高压电极介质管7内，把高频电源1高压端导线插入金属粉6内直到导线的一端接近高压电极介质管7的密封处，将高压电极介质管7的另一端密封好。将高压电极、接地电极和高频电源1相接。试品4置于接地电极的介质板3上表面并保持与其紧密接触，高压电极与接地电极之间为空气间隙5。必要时在金属板2下方设置好冷却装置8。保持冷却装置8正常工作，开启电源，调节输出电压至空气间隙放电，即可对试品4进行处理。

本实施例的接地电极也可以为金属管或外表面包覆有硅橡胶的金属管或棒，高频电源1的高压端通过导线与金属管或棒相连。

实施例二

本发明实施例二的结构如图3所示，本实施例的高压电极为一根管内密封充有金属粉6的高压电极介质管7，高频电源1的高压端通过导线插到高压电极介质管7内。接地电极是一根由内管与外管组成的套管，外管为接地电极介质管9，其曲率半径大于高压电极介质管7曲率半径，接地电极介质管9的曲率半径至少为高压电极介质管7曲率半径的1倍。内管为金属管10，外管内壁与内管外壁构成的间隙层内密封充有金属粉6。高频电源1的接地端通过导线和内管连接。将高压电极、接地电极和高频电源1相接。试品4置于接地电极的接地电极介质管9外表面并保持与其紧密接触。金属管10中设有冷却装置8，或将冷却介质通入金属管10中，保持冷却装置8正常工作。开启高频电源1，调节输出电压至空气间隙放电，即可对试品4进行处理。本实施例中的接地电极也可以为外表面包覆有硅橡胶介质的金属管。

本实施例的接地电极也可以为金属管或外表面包覆有硅橡胶的金属管或棒，高频电源1的高压端通过导线与金属管或棒相连。

实施例三

本发明实施例三结构如图4所示，本实施例采用多根管内密封充有金属粉6的高压电极介质管7，高压电极介质管7设有四根，并列放置作为高压电极。高频电源1的高压端通过导线插到高压电极介质管7内。接地电极为一根金属板2，金属板2上覆盖有介质板3，介质板3与金属板2紧密接触，高频电源1的接地端通过导线与金属板2相连。具体安装时，将金属粉6灌入一端密封的高压电极介质管7内，把高频电源1高压端导线插入金属粉6内直到导线的一端接近高压电极介质管7的密封处，将高压电极介质管7的另一端密封好。将高压电极、接地电极和高频电源1相接。试品4置于接地电极的介质板3上表面并保持与其紧密接触，高压电极与接地电极之间为空气间隙5。在金属片2下方设置好冷却装置8。保持冷却装置8正常工作，开启电源，调节输出电压至空气间隙放电，即可对试品4进行处理。

本实施例的接地电极也可以为多根金属管或外表面包覆有硅橡胶的金属管或棒，高频电源1的高压端通过导线与金属管或棒相连。

实施例四

本发明实施例四结构如图5所示，本实施例采用多根管内密封充有金属粉6的高压电极介质管7，高压电极介质管7设有5根，并列放置作为高压电极。接地电极是一根由内管与外管组成的套管，外管为接地电极介质管9，其曲率半径大于高压电极介质管7曲率半径，接地电极介质管9的曲率半径至少为高压电极介质管7曲率半径的一倍，内管为金属管10，外管内壁与内管外壁构成的间隙层内密封充有金属粉6。高频电源1的接地端通过导线和内管的金属相连接。将高压电极、接地电极和高频电源1相接。试品4置于接地电极的接地电极介质管9外表面并保持与其紧密接触。金属管10中设有冷却装置8，或将冷却介质通入金属管10中，保持冷却装置8正常工作。开启高频电源1，调节输出电压至空气间隙放电，即可对试品4进行处理。

本实施例的接地电极也可以为多根金属管或外表面包覆有硅橡胶的金属管或棒，高频电源1的高压端通过导线与金属管或棒相连。

实施例五

本发明实施例五结构如图6所示，本实施例将高压电极和低压电极分为两组，高压电极为管内密封充有金属粉6的高压电极介质管7，接地电极是一根由内管与外管组成的套管，外管为接地电极介质管9，其曲率半径大于高压电极介质管7曲率半径，接地电极介质管9的曲率半径至少为高压电极介质管7曲率半径的一倍。内管为金属管10，外管内壁与内管外壁构成的间隙层内密封充有金属粉6。套管并排设有两根，其中一根套管上方设有多根管内密封充有金属粉6的高压电极介质管7，另一根套管下方也设有多根管内密封充有金属粉6的高压电极介质管7，高频电源1的高压端通过导线分别插到各介质管内，套管的内管通过导线分别与高频电源1的低压端相连接。试品4置于两个接地电极介质管9外表面并保持与其紧密接触。金属管10中设有冷却装置8，或将冷却介质通入金属管10中，保持冷却装置8正常工作。开启高频电源1，调节输出电压至空气间隙放电，即可对试品4进行双面处理。

本实施例的接地电极也可以为多根金属管或外表面包覆有硅橡胶的金属管或棒，高频电源1的高压端通过导线与金属管或棒相连。

实施例六

本发明实施例六的结构如图7所示，本实施例在实施例一～五的基础上，将高压电极和接地电极设置在气氛腔14内，气氛腔14上设有进料口11、出料口12、进气口13。采用气氛腔14将该处理系统除电源外的部分与外界隔离开。从气氛腔14的进气口13不断注入处理所需气体并保持气氛腔14内的气体压强稍大于大气压，气氛腔14的出气口(出料口12)设计使得气体在保持一定的纯度的同时也避免了气氛腔14内气体压强过大。保持冷却装置正常工作后开启电源，调节输出电压至空气间隙放电，即可对试品4进行处理。

本发明还可以有其它实施方式，凡采用同等替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。