一種大氣壓冷等離子體射流對金屬材料表面改性的方法技術

本發明專利技術提供了一種采用大氣壓冷等離子體射流對金屬材料表面改性的方法，屬于材料表面處理技術領域。該方法通過冷等離子體射流中高能電子、粒子與大氣環境中水分子、氧氣分子發生非彈性碰撞而產生含氧活性粒子；含氧活性粒子與金屬材料表面發生化學反應，將含氧官能團引入金屬材料表面；其中，冷等離子體射流是由放電形式為裸電極電暈放電的冷等離子體射流發生器產生的。該方法無需復雜真空設備，可通過控制射流尺寸或射流的運動軌跡實現指定位置及大尺寸金屬表面的改性，且成本低，操作簡單靈活，對環境無污染，是一種綠色表面改性方法。本發明專利技術也可應用于各種非金屬材料的表面改性。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種大氣壓冷等離子體射流對金屬材料進行表面改性的方法，屬于材料表面處理

技術介紹
潤濕性是材料表面的重要性質之一，已有多種方法被用來改善材料表面潤濕性，如濕化學法、激光處理、紫外處理以及等離子體處理等，其中，等離子體應用于材料的表面改性時無需化學藥品，對環境無污染，且處理效果好，因而對其研究十分活躍。公開號為CN1526753A、CN1900408A、CN202318981U的專利技術專利均提供了采用等離子體對材料進行表面改性的裝置和方法。但這些裝置或方法均需要復雜昂貴的真空設備，且被處理材料的尺寸受真空腔的限制，因而大大降低處理效率，增加處理成本。因而無需真空、操作簡單方便、成本低的大氣壓等離子體材料表面改性得到了廣大科研工作者的重視，如專利CN102259364A、CN202907329U、CN102905455A、CN103194001A等。然而這些研裝置和方法均是針對高分子等非金屬材料的表面改性，而對金屬材料的表面改性涉及較少。公開號為CN101417789A的專利技術專利提供了一種對金屬氧化物納米粉體大氣壓常溫等離子體的改性處理方法，減少了納米顆粒團聚的可能性，但對大面積金屬材料親水性的改性并未涉及。大氣壓冷等離子體射流將等離子的產生區域和工作區域實現空間分離，進一步拓展了大氣壓等離子體在材料處理方面的應用，而在金屬材料的表面改性方面仍鮮有報道。主要原因是大氣壓等離子體放電形式通常采用介質阻擋放電，介質表面積累大量電荷時形成很高的空間電場，金屬材料的引入很容易造成電極和被處理材料之間的電擊穿，從而損傷金屬材料，因此介質阻擋放電等離子體無法進行有效表面改性。中國專利申請，公開號為CN102625557A的專利技術專利提出了一種大氣壓裸電極冷等離子體射流發生裝置，利用針電極和噴嘴電極之間的放電產生等離子體并形成射流，此類電極產生的冷等離子體射流不會與金屬之間發生電弧擊穿放電。智能設備的迅速發展要求在短時間內對超疏水表面和超親水表面之間進行快速轉換，而通過大氣壓冷等離子體射流實現常溫常壓條件下超疏水到超親水的轉化至今未見相關報道。
技術實現思路
本專利技術提供了一種對金屬材料進行表面改性的方法，可在大氣壓下短時間內提高表面能，改善親水性。一種大氣壓冷等離子體射流對金屬材料表面改性的方法，該方法通過冷等離子體射流中高能電子、粒子與環境大氣中的水分子、氧氣分子發生非彈性碰撞而產生含氧活性粒子；含氧活性粒子與金屬材料表面發生化學反應，將含氧官能團引入金屬材料表面；其中，冷等離子體射流是由放電形式為裸電極放電的冷等離子體射流發生器產生，此類電極產生的射流不會與金屬材料之間形成電弧擊穿，適用于金屬類材料的表面改性。產生冷等離子體射流過程中的工作氣體可選擇氮氣、氧氣、空氣等氣體。冷等離子體射流下游端與被處理金屬材料表面接觸，且射流垂直或以一定角度作用于被處理金屬材料表面。當工作氣體通入冷等離子體射流發生器并施加電壓后，針電極尖端出現電暈放電，隨著電壓進一步升高，逐漸形成冷等離子體射流，作用于被處理金屬材料表面。由于產生的活性基團在氣流作用下沿著材料表面擴散，因此實際被處理表面大于射流直徑。本專利技術的有益效果是大氣壓冷等離子體射流宏觀溫度低至室溫，不會對金屬材料表面產生熱損傷；其中富集大量的離子、電子、激發態原子、分子及自由基等活性粒子，化學活性很高，可以在等離子體-金屬接觸界面發生化學反應，解離金屬表面部分低能化學鍵，引入含氧官能團，提高金屬材料表面能，改善親水性，從而實現對金屬材料的表面改性作用；該方法無需復雜真空設備，可通過控制射流尺寸或射流的運動軌跡實現指定位置及大尺寸金屬表面的改性，且成本低，操作簡單靈活，對環境無污染，是一種綠色表面改性方法。本專利技術也可應用于各種非金屬材料的表面改性。附圖說明圖1是大氣壓冷等離子體射流對金屬材料表面改性的裝置示意圖。圖2是大氣壓氮氣冷等離子體射流改性超疏水鋁表面處理時間與水接觸角之間的關系。圖3是大氣壓氮氣冷等離子體射流改性普通鋁表面處理時間與水接觸角之間的關系。圖中：1冷等離子體射流發生器；2冷等離子體射流；3金屬材料；4冷等離子體射流在金屬表面的處理范圍；5高壓電源；6工作氣體源；7氣源處理裝置；8氣體質量流量控制器。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本專利技術做進一步的詳細說明。本專利技術涉及一種大氣壓下金屬材料的表面改性方法，使用此方法的設備為冷等離子體射流發生裝置。冷等離子體射流發生裝置包括冷等離子體射流發生器1，高壓電源5，工作氣體源6，氣源處理裝置7，氣體質量流量控制器8。進行金屬材料表面改性前，按照附圖將這些設備分別連接：冷等離子體射流發生器1的電極分別與高壓電源5的高、低壓輸出端相連；工作氣體由工作氣體源6經過氣源處理裝置7和氣體質量流量控制器8通入冷等離子體射流發生器1；將冷等離子體射流發生器1固定在支架上，將待處理金屬材料3放置在射流出口正下方。打開氣源處理裝置7，調整氣體質量流量控制器8，使工作氣體以合適的流量進入冷等離子體射流發生器1中；開啟高壓電源5，逐漸提高輸出電壓，直到冷等離子體射流發生器1的出口產生穩定的冷等離子體射流2；調整冷等離子體射流發生裝置1和金屬材料3之間的距離，使冷等離子體射流2和金屬材料3充分接觸，形成表面改性處理范圍4。實施例1采用大氣壓冷等離子體射流對超疏水鋁進行表面改性，可以顯著改善其表面能及潤濕性，實現超疏水到超親水的轉化。大氣壓冷等離子體射流發生器1使用裸電極放電形式，此類電極產生的冷等離子射流不會與金屬之間發生火花擊穿放電。兩電極分別為黃銅材質的噴嘴電極以及鎢材質的針電極，兩極之間的垂直距離為2.0mm。高壓電源5采用中頻正弦波交流電源，輸出頻率50～120kHz，輸出電壓0～10kV，最大功率150W；高壓電源5的高、低壓輸出端分別接大氣壓冷等離子體射流發生裝置1的中心針電極和噴嘴電極，并且低壓端接地。工作氣體源6中氣體為高純氮氣。連接設備后，將大氣壓冷等離子體射流發生器1和被處理金屬材料3（接觸角為160°的鋁基超疏水表面）之間的距離為10mm，且冷等離子體射流2垂直作用于金屬材料3。打開氣源處理裝置7，調整氣體質量流量控制器8，使氮氣流量達到10.0SLM；打開高壓電源5，調整輸出頻率為60.0kHz，逐漸增大輸出電壓至2.4kV，此時冷等離子體射流2作用于超疏水鋁3表面，形成表面改本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種大氣壓冷等離子體射流對金屬材料表面改性的方法，其特征在于，所述的冷等離子體射流由裸電極放電的冷等離子體射流發生器產生；冷等離子體射流中高能電子、粒子與環境大氣中的水分子、氧氣分子發生非彈性碰撞而產生含氧活性粒子；含氧活性粒子與金屬材料表面發生化學反應，將含氧官能團引入金屬材料表面，形成表面改性處理；處理過程中，保證被處理的金屬材料和冷等離子體射流下游端接觸。

【技術特征摘要】
1.一種大氣壓冷等離子體射流對金屬材料表面改性的方法，其特征在于，
所述的冷等離子體射流由裸電極放電的冷等離子體射流發生器產生；冷等離
子體射流中高能電子、粒子與環境大氣中的水分子、氧氣分子發生非彈性碰撞
而產生含氧活性粒子；含氧活性粒子與金屬材料表面發生化學反應，將含氧官
能團引入金屬材料表面，形成表面改性處理；處理過程中，保證被處理的金屬
材料和冷等離子體射流下游端接觸。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，冷等離子體射流發生器1的電極
分別與高壓電源5的高、低壓輸出端相連；工作氣體由工作氣體源6經過氣源
處理裝置7和氣體質量流量控制器8通入冷等離子體射流發生器1；冷等離子體
射流發生器1固定在支架上，將金屬材料3放置在射流出口正下方。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉新，徐文驥，陳發澤，黃帥，楊曉龍，宋金龍，
申請(專利權)人：大連理工大學，
類型：發明
國別省市：遼寧;21