常压线状冷等离子体射流产生装置

摘要

本发明提出一种常压线状冷等离子体射流产生装置，包括：介质板；固定在所述介质板的一个表面上的梳状悬空电极；固定在所述介质板的另一个表面上、与所述梳状悬空电极绝缘、且与音频交流功率源的输出端相连的交流电压电极板；中间开有一条狭缝的耐高温和高电压材料板；放置在所述耐高温和高电压材料板下方、接地的导电材料板，所述导电材料板的中间有一条狭缝；放置在所述耐高温和高电压材料板以及导电材料板的狭缝中间的耐高温和高电压薄板；放置在所述导电材料板下方的、遮住所述导电材料板的狭缝的绝缘材料网和导电材料网，所述导电材料网接地。通过本发明实现了常压下产生稳定、横向尺寸和功率可调的、相对均匀的线状冷等离子体射流。

说明书

技术领域

本发明涉及材料表面处理领域，特别涉及一种常压等离子体装置。

背景技术

冷等离子体射流具有产生不依赖被处理物体的性质、表面形貌和尺寸，气体温度稳定在室温左右，对材料表面的损伤小的优点，是等离子体软处理的理想选择，在高分子材料、生物科学和医学领域具有广泛的应用前景。

目前对冷等离子体射流的研究主要集中在尺寸较小的微射流冷等离子体。然而，冷等离子体微射流仅适合于小范围的局部处理，不适合大面积的工作。如果让等离子体射流应用于大面积、连续工作的生产线，就必须将其横向尺寸放大，使之成为线状冷等离子体射流。

常压下大面积气体放电主要有两种激发方式：辉光放电(AtmosphericPressure Glow Discharge，APGD)和介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge，DBD)。APGD容易转化为DBD和弧放电，因此目前还没有APGD大尺度冷等离子体射流。常压下，相对稳定的大面积低温等离子体主要还是由DBD产生，但是DBD的放电强度依赖于介质的介电常数、电源波形和放电电压等众多因素。对于射流性冷等离子体形成而言，高密度的放电有助于产生相对高强度的等离子体射流，而常规的DBD等离子体密度受到介质介电常数的限制。因此，常规的APGD和DBD难以产生线状冷等离子体射流。

现有的线状冷等离子体射流的产生方式主要有以下几种：一种是采用特殊的介质材料，如相对高介电常数的材料和新型的薄膜介质材料等，提高放电强度产生等离子体射流，这种方法对介质材料的要求较高；另一种是采用其他放电方式获得相对高密度的等离子体，如类弧放电，这种方法产生的等离子体射流均匀度欠佳，而且横向尺度进一步放大有困难；还有一种方法是通过冷等离子体微射流放电单元拼接成线状冷等离子体射流，但是冷等离子体微射流的产生装置结构复杂、尺寸偏大，导致拼接效果不理想，相邻的两个放电单元无法有效地重叠。

因此，需要一种常压线状冷等离子体射流产生装置解决上述问题。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是解决无法在常压下使用普通介质材料产生稳定的、横向尺寸和功率可调的、相对均匀的线状冷等离子体射流的问题。

为了达到上述目的，本发明提出一种常压线状冷等离子体射流产生装置，所述装置具有部件对称结构，包括：介质板；固定在所述介质板的一个侧面上的梳状悬空电极；固定在所述介质板的另一个侧面上、与所述梳状悬空电极绝缘、且与音频交流功率源的输出端相连的交流电压电极板；耐高温和高电压材料板，所述耐高温和高电压材料板的中间有一条狭缝；放置在所述耐高温和高电压材料板下方、接地的导电材料板，所述导电材料板的中间有一条狭缝；放置在所述耐高温和高电压材料板以及导电材料板的狭缝中间的耐高温和高电压薄板；放置在所述导电材料板下方的、遮住所述导电材料板的狭缝的绝缘材料网和导电材料网，所述导电材料网接地。

作为本发明的一个实施例，所述介质板的材料为耐高温和高电压材料，包括玻璃和陶瓷中的一种或几种，所述梳状悬空电极由相互平行的、彼此绝缘的金属或其他导电材料材料丝构成，所述交流电压电极板由金属或其他导电材料构成。

作为本发明的一个实施例，所述耐高温和高电压材料板与所述导电材料板的尺寸和形状相同，所述梳状悬空电极和交流高压电极板的材料、长度、宽度、厚度、结构和间距可以根据实际需要调整，所述介质板的形状包括长方形、圆形和其他不规则形状。

作为本发明的一个实施例，所述梳状悬空电极和交流高压电极板与所述介质板之间的关系包括：所述梳状悬空电极和交流高压电极板与所述介质板紧密相连；所述梳状悬空电极和交流高压电极板与所述介质板之间留有空隙；所述梳状悬空电极和交流高压电极板埋在所述介质板的内部。

通过本发明实现了常压下产生稳定、横向尺寸和功率可调的、相对均匀的线状冷等离子体射流。通过采用悬空电极结构，将装置的体积大大缩小的同时，使整个装置的制造简单化。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的常压线状冷等离子体射流产生装置的主视图；

图2为本发明实施例的常压线状冷等离子体射流产生装置在典型放电条件下产生的线状等离子体射流气体温度的横向分布图；

图3为本发明实施例的常压线状冷等离子体射流产生装置产生的等离子体射流处理双向拉伸聚丙烯BOPP薄膜的效果示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，为本发明实施例的常压线状冷等离子体射流产生装置的结构图。该装置具有部件对称结构，包括介质板3、固定在介质板3的一个表面上的梳状悬空电极1、固定在介质板3的另一表面上与梳状悬空电极绝缘、且与音频交流功率源相连的交流电压电极板2、放置在介质板3的下方的耐高温和高电压材料板4、放置在耐高温和高电压材料板4下方的、接地的导电材料板5、放置在耐高温和高电压材料板4以及导电材料板5的狭缝中间的耐高温和高电压薄板6、放置在导电材料板5的下方、遮住导电材料板5的狭缝的绝缘材料网和导电材料网7。

梳状悬空电极1由相互平行的、彼此绝缘的金属或其他导电材料丝构成。梳状悬空电极1的材料、长度、宽度、厚度和间距等可以根据实际需要调整，甚至可以采用其他结构，如不规则条状、圆弧状等。

交流电压电极板2由金属或其他导电材料制作而成。交流电压电极板2的材料、长度、宽度、厚度和间距等也可以根据实际需要调整。

介质板3的材料可以为高温和高电压材料，也可以用多层不同的介质材料复合，主要起到介质作用、不被击穿。介质板3的形状可以为长方形、圆形或其它不规则的结构，只要使得梳状悬空电极1不与电源的两极连接即可。

梳状悬空电极1和交流电压电极板2与介质板3之间可以紧密相连，也可以根据需要在梳状悬空电极1与介质板3之间、交流电压电极板2与介质板3之间留有空隙，放电时空隙之间也会产生等离子体。而且，梳状悬空电极1和交流电压电极板2可以在介质板3的表面，也可以埋在介质板3的内部，只要彼此绝缘即可。

耐高温和高电压材料板4和导电材料板5的尺寸和形状相同，中间都开有一条缝。在本发明实施例中，耐高温和高电压材料包括玻璃、陶瓷等。部件7的导电材料网接地以保护被处理物不被电击。

梳状悬空电极1、交流电压电极板2和介质板3构成如图1右图所示的复合部件。该复合部件的结构不仅仅局限于图1所示的平板结构，可以根据需要演化成其他形式。整个复合部件的横向尺寸可以任意放大，只要耐高温和高电压材料板4和导电材料板5的狭缝相应放大，电源选择合适，就可以产生需要长度的冷等离子体射流。

当给交流电压电极板2加上交流正弦或脉冲电压时，小体积、高密度的等离子体就会在梳状悬空电极1的梳状电极末端产生，由部件4和5的狭缝处喷出，形成线状冷等离子体射流。

如图2所示，为典型放电条件下，距离喷口绝缘网大约5mm处，氮射流等离子体的横向气体温度分布测量结果。由图中可见，本发明实施例的装置产生的冷等离子体射流横向温度分布均匀，不会产生局部的高温而破坏被处理物。

为了进一步了解本发明实施例的常压线状冷等离子体射流产生装置的优点，使用本发明实施例的装置产生的线状冷等离子体射流处理BOPP薄膜。通过处理结果，本发明实施例的优点将变得更加明显和容易理解。

在本发明实施例中，处理时间为3秒，功率源的功率为10KHz，放电电压为9KV，使用达因值为39的达因测试液。如图3所示为处理前后的BOPP薄膜表面能的变化示意图。图3(a)为未经处理的BOPP表面，达因测试液迅速收缩成水珠状，而在图3(b)中，在本处理后的区域，达因测试液能够均匀的分布在表面，这说明射流等离子体已经均匀地作用到薄膜表面，因为没有作用到的地方表面达因值偏低，测试液所形成的液体薄膜很可能在相应的地方破裂。类似的测试结果同样能够在聚乙烯PE和聚丙烯OPP等其他聚合物薄膜上得到。

由上述描述可知，采用梳状悬空电极1的一个优势在于利用梳状电极和功率电极板之间形成的电容作为放电单元的限流元件和介质阻挡放电所需的电容，这样不但使得整个装置结构紧凑，而且在不使用相对大体积限流元件的条件下，有效地防止放电单元打弧，只需一个电源激发放电；另一个优势在于放电不受介质介电常数的限制，利用低介电常数的介质就可以产生相对高密度的等离子体、还有一个优势是放电均匀性的改善，可调节梳状电极和功率电极板之间的重叠面积，这样可保证放电均匀性的同时，有效地调节等离子体的积分功率，使得等离子体射流强度发生改变。除此之外，采用梳状悬空电极结构使得等离子体射流装置可方便地进行放大，形成大尺度的横向尺度；等离子体射流气体温度横向分布均匀，可以直接接触人体皮肤。这种均匀稳定的优势使其适合热敏感性材料和生物材料的软处理，不会造成局部的破坏。

通过本发明实现了常压下产生稳定、横向尺寸和功率可调的、相对均匀的线状冷等离子体射流。通过采用悬空电极结构，将装置的体积大大缩小的同时，使整个装置的制造简单化。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。