等離子體的產生和應用 等離子體(Plasma)是物質除氣態,固態,液態外,廣泛存在
于宇宙大自然中的一種基本形態.在外加能量作用下,如進行加熱,加外電場,激光照射等時,氣體分子或原子會發生電離,形成帶負電荷的電子和帶正電荷的離子.當電離產生的帶電粒子密度達到一定數值時,電離氣體變成由帶電粒子和中性粒子組成的集合體,改變了原來的狀態,由于此時電離氣體的正負離子總數相等,整體呈電中性,故稱其為物質的第四態———等離子態.
生成等離子體的能量供給途徑主要有電能,熱能,核能,輻射能和機械能五種,實驗室中的電離方法主要有:
(1)放電法 通過從直流到微波所有頻率帶的放電,都可以產生各種不同電離狀態的等離子體.
(2)燃燒法 通過燃燒,使氣體發生熱電離.例如火焰中的高能粒子相互碰撞會發生熱電離;此外,特定的熱化學反應所放出的能量也能引起氣體電離.
(3)沖擊波法 通過急劇壓縮氣體,產生高溫,使氣體發生熱電離而產生等離子體.
(4)光,X射線,β射線照射法 電離所需的能量由光,X射線,β射線提供,放電的起始電荷是電離生成的離子,這種電離方法形成的電荷密度一般較低.
(5)激光照射法 通過激光照射可使物質蒸發而電離,
(6)堿金屬蒸氣與高溫金屬板的接觸 使堿金屬蒸氣與高溫金屬板接觸生成等離子體.當氣體接觸到具有比其電離能大的金屬時,則發生電離.堿金屬蒸氣的電離能小,故容易發生電離.
工業上應用的等離子體主要分為兩種:一種為平衡"高溫"等離子體,即其體系中的電子溫度與中性粒子溫度相等,溫度可高達5×103～2×104K;另一種為非平衡"低溫"等離子體,其反應主要靠電子動能來激發,實際工作中,電子動能大多為1～10eV,體系中電子溫度高達104～105K,而離子溫度不過幾百度甚至接近室溫.高溫等離子體目前已經被廣泛應用在金屬切割,高熔點金屬的熔煉,提純等方面.近年來,低溫等離子體應用于紡織材料的表面處理技術研究則十分活躍.低溫等離子體主要由氣體放電產生,放電方式可分為電暈放電(Coronadischarge),輝光放電(Glowdischarge),介質阻擋放電(Dielectricbarrierdischarge),射頻放電(Radiofrequencydischarge)及微波放電(Microwavedischarge)等幾種.
但是,多數低溫等離子體是在幾百帕的低氣壓下通過氣體放電產生的,應用于工業生產時存在兩個重要缺陷:
一是低效率的分批處理方式.由于時常需要打開真空處理室,取出產品及添加試品,難以生產連續.二是需要復雜的真空系統,投資較高.雖然大氣壓下,空氣中電暈,電弧和介質阻擋放電都能產生等離子體,但電暈放電是絲狀放電,且放電太弱,因而處理不均勻,效率低;電弧放電太強,易損壞試品;介質阻擋放電通常由一些具有較高能量密度的放電細絲組成,難以對材料進行均勻處
紡織品常壓輝光放電等離子體處理技術印 染(2006No.21)理,并也可能損壞試品.所以,最適用于工業生產的是大氣壓下功率密度適中(100mW/cm2)的均勻輝光放電,即APGD(Atmos2phereGlowDischarge)產生的等離子體.
在過去40年中,很多文獻提及了應用等離子體來改變紡織品的表面性能.一些真空等離子體的DGPW也證明了等離子體工業化應用的可行性,但是其存在真空設備無法滿足紡織工業連續生產,以及成本過高和生產速度緩慢等問題,無法使之真正大規模地用于實際生產.只有大氣壓下的等離子體技術才能滿足紡織工業生產的要求.
APGD實驗室小樣試驗已獲成功,但應用到大批量生產中仍面臨很多問題.例如,一些紡織品的三維空間的多孔結構的
特殊性能;織物表面含有的茸毛,塵埃等雜質和大面積的表面加工等,都會影響等離子體處理效果
[1].2 電暈放電
2.1 電暈放電的產生
電暈放電可以在大氣壓或更高的氣壓下工作,但電壓必須足夠高,以增強電暈部位的電場.所以,一般都在高電壓(>15kV)和較高頻率(20～40kHz)條件下放電.電暈是一種自持放電,在電暈放電中,電極的幾何形狀非常重要,故電暈放電大多在曲率半徑很小的電極,如針狀電極或絲狀電極上施加高電壓.電場的不均勻性,使主要的電離過程局限于局部電場很高的電極附近,特別是發生在曲率半徑很小的電極附近或大或小的薄層中,并伴隨明顯的光亮,這個區域稱為電離區域,或稱之為電暈層或起暈層.在電暈層外,電場強度很低,不發生或很
少發生電離.電流的傳導依靠正離子和負離子或電子的遷移運動,通常稱之為遷移區或外圍區.形成電暈放電所需的最低電壓稱為起暈電壓.經驗的計算公式為[2～3]:U0=31md(1+0.308rd)式中:U0———起暈電壓,kV/cm;
M———與電暈線表面狀態有關的系數,光滑表面取1,粗糙表面取0.92,絞合的金屬線取0.82;
d———相對空氣密度(d=0.0294p/T);
r———電暈線曲率半徑;
p,T———當地氣壓和氣溫.
電暈放電的極性取決于具有小曲率半徑的電極極性.如果電極帶正電位,則發生的電暈稱為正電暈;反之稱為負電暈.在正電暈情況下,隨著極間電壓的增加,將出現閃爍脈沖電暈,流光電暈,輝光電
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