[发明专利]一种应用于高分子材料表面改性的辉光等离子体生成装置

说明书

本发明公开了一种应用于高分子材料表面改性的辉光放电等离子体生成装置，包括高压电极、高压侧绝缘介质、接地电极、接地侧绝缘介质和改性材料；所述高压侧绝缘介质的上表面与高压电极紧贴，所述高压侧绝缘介质的下表面上设置有若干平行紧密布置的凹槽；所述接地电极由多个导电丝组成，所述导电丝平行嵌入到接地侧绝缘介质中；所述改性材料置于高压侧绝缘介质和接地侧绝缘介质之间；所述高压侧绝缘介质与所述改性材料之间，所述改性材料和接地侧绝缘介质之间都保持紧密接触。所述装置基于齿形电极结构，在大气压空气条件下生成高活性辉光放电等离子体，无需真空和密封设备，具备很高的等离子活性和弥散的放电形态，拥有十分优异的改性效果。

技术领域

本发明属于气体放电和高分子材料表面改性技术领域，主要涉及一种应用于高分子材料表面改性的辉光等离子体生成装置。

背景技术

芳纶全称为“聚苯二甲酰苯二胺”，作为一种新型高科技人工合成材料，与碳纤维、聚乙烯纤维并称为当今世界三大高性能纤维，是最具发展潜力的复合材料增强材料。其具有机械强度高、韧性好、重量轻、介电常数低、耐高温、耐磨性能好、化学性质稳定等诸多优点。其机械强度是钢丝的5-6倍，模量是钢丝或玻璃纤维的2-3倍，韧性是钢丝的2倍，而重量仅为钢丝的1/5左右，能够在560℃的高温下正常工作。这些优异的本体性能使其不仅在汽车、造船、体育用品、建筑材料等诸多民用领域得到广泛应用，还在航空航天、军事等高端领域拥有巨大的应用潜力。例如，在航空航天领域，芳纶可作为增强材料应用于宇宙飞船等飞行器的驾驶舱、火箭发动机壳体、压力容器、整流罩、机翼前缘、方向舵、舱壁等；在军事领域，芳纶可作为坦克装甲、舰艇防弹装甲、防弹头盔、防弹衣、导弹壳体、航母拦阻索、舰载机用轮胎等高强度和高冲击力应用领域的增强材料。

芳纶纤维分子结构属于苯基刚性分子，其结构如下：

苯环对酞胺官能团上的氢原子有屏蔽作用，很难在界面上形成化学共价键，并且苯环存在位阻效应，很难形成氢键，导致芳纶黏性、润湿性等表面性能极差。这严重限制了其本体性能的发挥，从而对复合材料的整体性能造成重要影响。随着工业和各领域科学技术的不断进步，尤其是尖端应用领域的发展，人们对芳纶基增强复合材料的性能要求不断升高。芳纶表面黏性差的问题日益突出，已成为限制其进一步高性能应用的最大障碍。而解决这一问题的最直接、最经济、最有效的方法是对其表面进行改性。

在现有对芳纶表面改性实例中取得较为理想改性效果的如表1-1所示。可以看出，现有改性方法对芳纶表面黏性的提升率平均在70％左右，最高为94％。这一改性效果可以基本满足常规应用领域对芳纶表面黏性的要求，但在军事、航空等高端领域的应用仍存较大提升缺口。现有表面改性方法难以从根本上解决芳纶表面黏性差的问题。探究适用于大规模工业化生产且具有突出改性效果的表面改性方法新型表面改性方法已变得日趋紧迫。

表1-1芳纶表面改性实例

Table 1-1 Examples of surface modification of aramid fiber

低温等离子体可以在不改变材料主体性能的基础上，赋予其表面新性能，与传统改性方法相比，具有清洁、高效、无污染等显著优点。在所有低温等离子体处理中，大气压空气等离子体改性不需要气体成本和真空设备，最有利于实现大规模工业化应用。

大气压空气低温等离子体按放电形态主要分为电晕放电、丝状放电和辉光放电。目前，应用于芳纶纤维表面处理的大气压空气放电形态主要为丝状放电和电晕放电。丝状放电存在热不稳定效应，并可能灼烧材料表面。电晕放电又存在放电不均匀和改性效率低等问题。而大气压空气辉光放电具有活性粒子丰富、放电均匀、反应结构简单等特点，是用于材料处理的最佳放电形态。但是，欲利用辉光放电等离子体彻底解决芳纶表面黏性差的问题面临两大挑战：