本發(fā)明屬于纖維表面改性領(lǐng)域，具體涉及一種芳綸纖維等離子體改性裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺也即對(duì)位芳綸纖維，作為一種具有高彈性模量和高拉伸強(qiáng)度的人造纖維，其比強(qiáng)度、比模量分別是鋼絲的6倍和3倍，具有突出的機(jī)械性能，其被廣泛應(yīng)用于防彈、特種防護(hù)服、輪胎及橡膠工業(yè)制品以及復(fù)合材料等領(lǐng)域。在復(fù)合材料領(lǐng)域中，芳綸纖維可單獨(dú)或與其他纖維混合使用作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體，達(dá)到減重及抗沖擊效果。

2、然而由于芳綸纖維表面缺乏化學(xué)活性基團(tuán)，極性低，加之纖維表面光滑，致使表面能極低。因而，基體對(duì)芳綸表面的浸潤(rùn)性差，二者間的界面結(jié)合強(qiáng)度低，最終影響了基體向承載纖維均勻地分配與傳遞外加載荷，降低了復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能。

3、等離子體改性是一種由中性粒子與高能帶電粒子組成離子體的綜合改性技術(shù)，可在常壓條件下進(jìn)行，具有無(wú)污染、能耗低、環(huán)保等特點(diǎn)。由于等離子體對(duì)材料界面改性處理，發(fā)生在距材料表面100?nm以內(nèi)的厚度范圍，因此不會(huì)影響纖維的本體特征，使高性能纖維在維持自身優(yōu)良性能的基礎(chǔ)上應(yīng)用于高性能復(fù)合材料。

4、等離子體改性纖維界面技術(shù)的實(shí)質(zhì)是活性粒子引發(fā)高聚物表面變化獲得自由基的過(guò)程；而纖維界面自由基隨后可進(jìn)行自由基轉(zhuǎn)移、耦合、裂解和氧化等一系列反應(yīng)，在纖維界面形成具有一定活性的基團(tuán)；同時(shí)，纖維界面還可以經(jīng)等離子處理技術(shù)進(jìn)行刻蝕，使纖維表面的粗糙度增加，改善纖維的表面性能。從而提高纖維增強(qiáng)體與基體的浸潤(rùn)性，從而提高復(fù)合材料界面強(qiáng)度，使得芳綸纖維優(yōu)異的機(jī)械性能得以發(fā)揮，因此纖維的等離子體改性具有良好的應(yīng)用前景。

5、目前常用的等離子體改性技術(shù)主要有低氣壓等離子體放電技術(shù)，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能產(chǎn)生均勻穩(wěn)定的輝光放電，對(duì)紡織材料處理均勻。但是低氣壓等離子體的運(yùn)行需要復(fù)雜的真空系統(tǒng)，設(shè)備投資大，操作復(fù)雜，不利于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。另一種較為常見(jiàn)的技術(shù)是大氣壓介質(zhì)阻擋放電技術(shù)，該技術(shù)將其中一個(gè)或兩個(gè)電極用絕緣介質(zhì)覆蓋，或?qū)⒔橘|(zhì)直接懸掛在放電空間，或采用顆粒狀的介質(zhì)填充其中，當(dāng)在兩個(gè)放電電極之間充滿某種工作氣體，并在兩電極間施加104~106v電壓，采用500w~1kw高頻或脈沖電源激發(fā)工作氣體可產(chǎn)生絲狀放電等離子體；該種方法由于存在空間等離子體分布不均勻性問(wèn)題，尤其是在等離子體發(fā)生器邊緣區(qū)域，導(dǎo)致出現(xiàn)改性加工表面處理不均勻，容易灼燒纖維等缺點(diǎn)。由此，中國(guó)專利cn114960175a公開(kāi)了一種多纖維束高效率等離子體表面改性裝置及方法，其采用了兩電極嵌套的圓筒結(jié)構(gòu)，使等離子體空間分布更加合理，適用于等離子體連續(xù)處理長(zhǎng)纖維絲。但是，上述技術(shù)方案中還存在等離子體運(yùn)動(dòng)方向性問(wèn)題，由于本領(lǐng)域技術(shù)人員尚未認(rèn)識(shí)到單向穩(wěn)定傳輸纖維長(zhǎng)絲，對(duì)單側(cè)表面改性較為充分，對(duì)側(cè)改性不足的問(wèn)題，從而還是產(chǎn)生處理不均勻的問(wèn)題。

6、綜上，還需要對(duì)現(xiàn)有裝置和工藝方法進(jìn)行改進(jìn)，以消除或減少該前述問(wèn)題影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供了一種等離子體連續(xù)處理芳綸纖維長(zhǎng)絲的裝置，通過(guò)高效連續(xù)多參量可調(diào)的等離子體處理方法實(shí)現(xiàn)芳綸纖維絲表面改性。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、一方面，本發(fā)明提供了一種等離子體連續(xù)處理芳綸纖維長(zhǎng)絲的裝置，主要包括等離子體發(fā)生器、走絲機(jī)構(gòu)和儲(chǔ)氣組件；所述等離子體發(fā)生器設(shè)有高壓電極和地電極，其特征在于：所述高壓電極與所述地電極之間設(shè)有封閉的腔體；所述腔體靠電極一側(cè)設(shè)有絕緣層；所述高壓電極與電源連接；所述地電極接地；

4、所述走絲機(jī)構(gòu)設(shè)有繞絲滾輪組件、送絲組件和收絲組件；所述繞絲滾輪組件位于所述腔體中，且芳綸纖維長(zhǎng)絲在所述繞絲滾輪組件上的輸送路徑位于非平面上；所述繞絲滾輪組件通過(guò)所述腔體上設(shè)置的進(jìn)料口和出料口分別連接所述送絲組件和所述收絲組件；

5、所述腔體通過(guò)氣路連接外設(shè)的儲(chǔ)氣組件，所述儲(chǔ)氣組件內(nèi)儲(chǔ)存有工作氣體。

6、優(yōu)選的，所述腔體呈柱環(huán)結(jié)構(gòu)，且上、下端面均通過(guò)所述絕緣層封閉。

7、優(yōu)選的，所述高壓電極為圓管結(jié)構(gòu)，套裝于所述腔體的外側(cè)；所述地電極為立柱結(jié)構(gòu)，立式設(shè)置于所述高壓電極的軸線處。

8、優(yōu)選的，所述絕緣層材質(zhì)為石英玻璃；所述高壓電極與所述地電極均為金屬銅一體成型。

9、優(yōu)選的，所述電源為脈沖電源，并設(shè)有電壓調(diào)節(jié)裝置；所述脈沖電源的輸出功率的范圍為10w~1000w，脈沖頻率范圍為10khz~100khz，脈沖寬度為1μs~100μs，脈沖幅值為10ma~10a。

10、優(yōu)選的，所述繞絲滾輪組件包括多個(gè)定滑輪組，并沿所述腔體的周向分布；芳綸纖維長(zhǎng)絲沿折線型路徑繞接各定滑輪組。

11、優(yōu)選的，所述送絲組件和所述收絲組件均包括引導(dǎo)機(jī)構(gòu)和收卷機(jī)構(gòu)；所述引導(dǎo)機(jī)構(gòu)設(shè)有多個(gè)走絲輪，并連接有制動(dòng)機(jī)構(gòu)和/或驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；所述收卷機(jī)構(gòu)設(shè)有收卷輥，并連接有制動(dòng)機(jī)構(gòu)和/或驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

12、優(yōu)選的，當(dāng)所述工作氣體密度小于空氣密度，所述腔體的上部設(shè)置進(jìn)氣口，并通過(guò)所述氣路連接所述儲(chǔ)氣組件，且所述出料口和所述進(jìn)料口均位于所述腔體的下部；

13、當(dāng)所述工作氣體密度大于空氣密度，所述腔體的下部設(shè)置進(jìn)氣口，并通過(guò)所述氣路連接所述儲(chǔ)氣組件，且所述出料口和所述進(jìn)料口均位于所述腔體的上部。

14、優(yōu)選的，所述儲(chǔ)氣組件包括氣瓶和氣體流量計(jì)，所述氣瓶設(shè)有壓力減緩器或調(diào)壓閥；所述氣體流量計(jì)串接于所述氣路上。

15、另一方面，本發(fā)明基于上述裝置還提供一種連續(xù)處理芳綸纖維長(zhǎng)絲表面改性的方法，包括如下步驟：

16、首先，將送絲組件的芳綸纖維長(zhǎng)絲通過(guò)進(jìn)料口引入腔體中，并繞接繞絲滾輪組件，之后通過(guò)出料口接入收絲組件；

17、s1、打開(kāi)儲(chǔ)氣組件，調(diào)節(jié)氣體流量范圍為0.1?l/min?~10l/min，并在工作氣體充滿所述腔體后啟動(dòng)電源；

18、s2、調(diào)節(jié)電源工作參數(shù)，使腔體內(nèi)功率譜密度范圍為5?w/cm3-80w/cm3，并保持氣體流量范圍為0.1?l/min?~10l/min；

19、s3、啟動(dòng)所述送絲組件和所述收絲組件，并調(diào)節(jié)纖維長(zhǎng)絲走絲速度范圍為15cm/s~100cm/s，所述腔體內(nèi)走絲時(shí)間范圍為6s~40s。

20、相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：

21、本發(fā)明所述的一種等離子體連續(xù)處理芳綸纖維長(zhǎng)絲的裝置能夠?qū)崿F(xiàn)芳綸纖維長(zhǎng)絲的連續(xù)表面改性處理，結(jié)合非平面繞接輸送，使纖維長(zhǎng)絲在等離子體腔體走絲過(guò)程中發(fā)生軸向扭轉(zhuǎn)情況，從而減少等離子體方向性影響，使改性加工更加均勻，可以提高纖維表面活性和與復(fù)合材料基體的浸潤(rùn)性，提高復(fù)合材料界面強(qiáng)度，使得芳綸纖維優(yōu)異的機(jī)械性能得以發(fā)揮。

技術(shù)特征：

1.一種等離子體連續(xù)處理芳綸纖維長(zhǎng)絲的裝置，?包括等離子體發(fā)生器、走絲機(jī)構(gòu)和儲(chǔ)氣組件；所述等離子體發(fā)生器設(shè)有高壓電極和地電極，其特征在于：所述高壓電極與所述地電極之間設(shè)有封閉的腔體；所述腔體靠電極一側(cè)設(shè)有絕緣層；所述高壓電極與電源連接；所述地電極接地；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體連續(xù)處理芳綸纖維長(zhǎng)絲的裝置，其特征在于，所述腔體呈柱環(huán)結(jié)構(gòu)，且上、下端面均通過(guò)所述絕緣層封閉。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的等離子體連續(xù)處理芳綸纖維長(zhǎng)絲的裝置，其特征在于，所述高壓電極為圓管結(jié)構(gòu)，套裝于所述腔體的外側(cè)；所述地電極為立柱結(jié)構(gòu)，立式設(shè)置于所述高壓電極的軸線處。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的等離子體連續(xù)處理芳綸纖維長(zhǎng)絲的裝置，其特征在于，所述絕緣層材質(zhì)為石英玻璃；所述高壓電極與所述地電極均為金屬銅一體成型。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體連續(xù)處理芳綸纖維長(zhǎng)絲的裝置，其特征在于，所述電源為脈沖電源，并設(shè)有電壓調(diào)節(jié)裝置；所述脈沖電源的輸出功率的范圍為10w~1000w，脈沖頻率范圍為10khz~100khz，脈沖寬度為1μs~100μs，脈沖幅值為10ma~10a。

6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的等離子體連續(xù)處理芳綸纖維長(zhǎng)絲的裝置，其特征在于，所述繞絲滾輪組件包括多個(gè)定滑輪組，并沿所述腔體的周向分布；芳綸纖維長(zhǎng)絲沿折線型路徑繞接各定滑輪組。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體連續(xù)處理芳綸纖維長(zhǎng)絲的裝置，其特征在于，所述送絲組件和所述收絲組件均包括引導(dǎo)機(jī)構(gòu)和收卷機(jī)構(gòu)；所述引導(dǎo)機(jī)構(gòu)設(shè)有多個(gè)走絲輪，并連接有制動(dòng)機(jī)構(gòu)和/或驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；所述收卷機(jī)構(gòu)設(shè)有收卷輥，并連接有制動(dòng)機(jī)構(gòu)和/或驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體連續(xù)處理芳綸纖維長(zhǎng)絲的裝置，其特征在于，當(dāng)所述工作氣體密度小于空氣密度，所述腔體的上部設(shè)置進(jìn)氣口，并通過(guò)所述氣路連接所述儲(chǔ)氣組件，且所述出料口和所述進(jìn)料口均位于所述腔體的下部；

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的等離子體連續(xù)處理芳綸纖維長(zhǎng)絲的裝置，其特征在于，所述儲(chǔ)氣組件包括氣瓶和氣體流量計(jì)，所述氣瓶設(shè)有壓力減緩器或調(diào)壓閥；所述氣體流量計(jì)串接于所述氣路上。

10.一種采用權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的裝置連續(xù)處理芳綸纖維長(zhǎng)絲的表面改性方法，包括如下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種等離子體連續(xù)處理芳綸纖維長(zhǎng)絲的裝置及方法，涉及纖維表面改性領(lǐng)域。其主要包括等離子體發(fā)生器、走絲機(jī)構(gòu)和儲(chǔ)氣組件。其中，等離子體發(fā)生器設(shè)有高壓電極和地電極，兩電極之間設(shè)有封閉的絕緣腔體。走絲機(jī)構(gòu)設(shè)有繞絲滾輪組件、送絲組件和收絲組件，且芳綸纖維長(zhǎng)絲在繞絲滾輪組件上的輸送路徑位于非平面上。腔體通過(guò)氣路連接外設(shè)的儲(chǔ)氣組件。本發(fā)明等離子發(fā)生器結(jié)合非平面繞接輸送，使纖維長(zhǎng)絲在等離子體腔體走絲過(guò)程中發(fā)生軸向扭轉(zhuǎn)情況，從而減少等離子體方向性影響，使改性加工更加均勻，可以提高纖維表面活性和與復(fù)合材料基體的浸潤(rùn)性，提高復(fù)合材料界面強(qiáng)度，使得芳綸纖維優(yōu)異的機(jī)械性能得以發(fā)揮。

技術(shù)研發(fā)人員：楊威,顏丙越,張卓,尹立,張翀,姚兆民,王建民,閆麗婷
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京智慧能源研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2