毕业设计（论文）：基于等离子体的直接脱墨装置设计及应用

哈尔滨商业大学本科毕业设计（论文）基于等离子体的直接脱墨装置设计及应用学 生 姓 名： 崔维俊 指 导 教 师： 刘壮 专 业 班 级： 印刷工程一班 学 号： 201110830401 学 院： 轻工学院 二一五年六月八日Undergraduate Graduation Project (Thesis)Harbin University of CommerceDesign and application of the direct removal of ink device based on plasmaStudent Cui Weijun Supervisor Liu Zhuang Specialty and ClassGraphic Communication and Engineering Class One Student ID 201110830401 School School of Light Industry 2015-06-08毕业设计（论文）任务书姓名：崔维俊学院： 轻工学院班级：一班专业： 印刷工程毕业设计（论文）题目： 基于等离子体的直接脱墨装置设计及应用立题目的和意义：本课题研究的等离子直接脱墨技术，旨在实现新型的废纸再生工艺，实现无污染的纸张再次利用。设计制作等离子体表面处理的实验装置。探究等离子体对于印刷油墨的处理效果，以及对纸张的影响。简化废纸再生工艺，提供一个纸张循环利用的新思路，处理装置小型化，使小批量纸张甚至单张纸重复利用成为可能，弥补传统工艺的局限性。技术要求与工作计划：充分调研，认真研究文献，确定实验原理拟定设计方案。依据设计方案要求选择原材料及装置组成。设计制作常压冷等离子喷枪。连接气路系统，制作箱体，完成完整的实验装置。不断优化实验装置，使之更加安全、可调，更具有可操作性和拓展性。对制作完成的装置性能进行测量，检测装置的实用性。设计实验方案对材料表面进行处理，确定装置的实验效果。时间安排：第一周第四周（3月2日3月29日）根据论文题目调研、查阅资料；第五周第六周（3月30日4月10日）调研查阅资料，完成论文综述、外文翻译、实习报告、实习日记、开题报告、提出实验方案。（第一次会审）第七周第八周（4月11日4月21日）实验器材、材料的准备，实验方案设计。第九周第十周（4月22日5月10日）进行等离子去除油墨反应实验，对气体反应过程研究、收集实验数据；第十一周（5月11日5月17日）实验结果的处理及分析。（第二次会审）第十二周第十三周（5月18日5月31日）完成论文初稿。第十四周（6月1日6月7日）整改论文，并完成答辩幻灯片。第十五周（6月8日6月12日）答辩。（第三次会审）指导教师要求：（签字） 年 月 日教研室主任意见：（签字） 年 月 日院长意见：（签字） 年 月 日毕业设计（论文）审阅评语一、指导教师评语：指导教师签字：年 月 日毕业设计（论文）审阅评语二、评阅人评语：评阅人签字：年 月 日毕业设计（论文）答辩评语三、答辩委员会评语：四、毕业设计（论文）成绩：专业答辩组负责人签字：年 月 日五、答辩委员会主任单位： （签章）答辩委员会主任职称： 答辩委员会主任签字： 年 月 日哈尔滨商业大学本科毕业设计（论文）摘 要课题研究的基于体等离子直接脱墨装置的设计及应用，通过研究常压冷等离子的性质、工作机理以及装置结构，将其应用于印刷品直接脱墨处理，拓展等离子技术的应用范围。选用氩气以及氧气作为工作气体，采用了介质阻隔的放电形式产生低温等离子体。采用聚四氟乙烯、玻璃管、钢针等材料，设计制作了三种喷枪；通过气路连接以及自行制作的实验箱，将喷枪、高频高压电源、高纯氩气、高纯氧气组合形成一个完整的常压冷等离子发生装置。使用该装置进行了一定的测量以及实验，同时进行了一定的优化设计和改装。最终设计制作了初步的等离子发生装置，对印刷品进行了表面处理实验。处理后材料表面有着明显的活化，有一定的物理刻蚀现象；经过处理后的样品亲水性明显提高。被处理表面的油墨有着一定的蒸发现象，油墨有着一定程度的去除；但温度的控制难度较高，易烧灼纸张。关键词：常压冷等离子体；直接脱墨；介质阻隔放电；氩氧等离子IIAbstractResearch based on plasma direct design and application of deinking plant, by studying the properties of cold plasma at atmospheric pressure and working mechanism and structure, apply it to the print directly deinking process, expand the scope of application of plasma technology. Selection of argon and oxygen as a working gas, Choose a form of dielectric barrier discharge plasma. Teflon, glass pipe, wire and other materials, designed three gun through pneumatic connections and produce box, spray gun, high frequency and high voltage power supplies, high-purity argon gas, pure oxygen combined to form a complete set of atmospheric pressure cold plasma generator. Use the device for a certain amount of measurements and experiments, along with a certain amount of optimization and conversion. Eventually designed a preliminary plasma devices, surface treatment of the prints were experimental. After treatment, the surface of the material has obvious activation, there is a certain physical etching phenomenon, after treatment of the sample, the water is obviously improved. Inks the evaporation of some of the processed surface, the ink has a certain degree of removal, but difficult to control the temperature, and the paper is easy to burn.Keywords: Atmospheric pressure cold plasma; Direct removal of ink; Dielectric barrier discharge ; Argon oxygen plasma目 录摘 要IAbstractII1 绪 论11.1课题研究背景11.2研究课题的目的意义11.3传统脱墨工艺与等离子直接脱墨工艺对比21.3.1常压冷等离子体技术的现状21.3.2应用常压冷等离子技术直接脱墨的可行性分析31.3.3常压等离子脱墨技术相对于传统脱墨技术的优势42、常压冷等离子体直接脱墨原理分析52.1常压冷等离子体电极结构的选择52.2应用于直接脱墨工艺的工作气体的选择62.3等离子体直接脱墨工艺方案设计73、常压冷等离子体直接脱墨装置设计制作93.1实验装置的结构组成93.2气路系统组成与连接93.3电源以及电路连接103.4喷枪电极结构设计、制作及放电现象103.4.1实心针电极玻璃管喷枪结构设计、制作及放电现象103.4.2滴管空心针电极喷枪结构设计、制作及放电现象123.4.3定制硅管空心针电极喷枪结构设计制作及放电现象133.4.4引流极板的设计制作及放电现象143.5实验箱体结构153.6小型实验台组装154、常压冷等离子体直接脱墨表面处理实验174.1实验装置的参数检测174.2常压冷等离子对于空白承印物表面处理184.3经极板引流后等离子炬对印刷品表面处理205、实验装置及工艺方案的改进意见215.1电极结构优化215.2喷枪零件的可更换设计215.3可调节结构的自由度以及调节精度优化设计21结 论22参考文献23致 谢24附 录2525哈尔滨商业大学本科毕业设计（论文）1 绪 论1.1课题研究背景得益于纸张大规模再生回收利用技术的成熟以及环保可持续工业理念的深入，印刷包装行业中纸制品的应用范围越来越广。现今可循环利用是节约资源控制成本的重要途径，废纸再生技术已经在印刷造纸行业广泛应用。然而传统的废纸再生工艺要先将废纸打成纸浆，然后采用化学溶剂或者酶等去除附着在纸纤维中的油墨，然后重新抄纸利用。这种工艺机组设施庞大，工艺复杂，且在生产过程中会产生大量废水以及化学污染物。纸张等承印物一直是印刷包装行业的主要耗材，其回收再利用技术一直是人们研究的重点。虽然传统的回收再利用技术有着规模优势和成本优势，但是面对着各种不同的产品、以及不同使用环境下产生的可再生资源，传统的废纸再生技术有着明显的局限性。2013年剑桥大学工程师采用激光直接清除纸上打印、复印的文字，同时不会对纸张造成任何损害。该技术处理速度极快，直接使墨水蒸发为气体，气体可以被过滤装置吸收处理，这种技术比传统化学方法回收利用废纸更环保，减少了化学品的使用以及CO2的排放5。激光由于聚焦性好，因此各国研究者对其在脱墨领域的应用有一定的研究，但等离子脱墨的研究目前未见报道。本课题研究的等离子直接脱墨技术，旨在实现新型的废纸再生工艺，实现无污染的纸张再次利用。通过等离子体过对纸张表面的油墨直接处理，直接脱去纸张油墨，使纸张直接被重新利用。探究等离子体对于印刷油墨的处理效果，以及对纸张的影响。简化废纸再生工艺，提供一个纸张循环利用的新思路，处理装置小型化，使小批量纸张甚至单张纸重复利用成为可能，弥补传统工艺的局限性。1.2研究课题的目的意义基于冷等离子体对纸张表面处理的直接脱墨技术，旨在实现新型的废纸再生工艺，实现无污染的纸张再次利用。利用等离子体中活性离子丰富，可应用的工作气体种类多；设计针对纸张表面油墨的表面处理方案，通过等离子体过对纸张表面油墨直接处理，直接脱去纸张油墨，使纸张直接被重新利用。基于常压冷等离子技术，研究适用于纸张的等离子喷枪结构和放电形式。探究氦氧等离子体对于纸张表面油墨的处理效果。通过调节气体比例、放电功率、气体流量、处理速度等变量研究常压等离子体对于纸张表面油墨的处理效果，以及对纸张的影响。简化废纸再生工艺，提供一个纸张循环利用的新思路，使小批量纸张甚至单张纸重复利用成为可能。等离子体对纸张表面直接处理，没有复杂的纸张碎解以及重新抄造，避免了化学试剂的使用，使参数控制、工艺控制更为简单，便于数字化控制，处理过程易于调节，无废气废液排放更加环保。这种直接脱墨方法如果实验成功，可使废纸回收利用装置小型化，这种方法参数便于数字化控制，打破传统废纸回收再利用的局限，有利于节约纸张保护环境；可广泛应用于公司、事业单位、小型印刷社、印刷厂等地方，提高纸张的再生利用率，同时也拓展了等离子表面处理的应用范围。其通过电离气体直接处理材料表面的工作方法可以极大的简化废纸再生工艺流程，具有广泛地应用；同时这种装置也可以进行其他方面的表面处理实验研究。1.3传统脱墨工艺与等离子直接脱墨工艺对比1.3.1常压冷等离子体技术的现状等离子体的分类方法有很多，按温度划分可分为高温等离子体和低温等离子体两部分。前者一般指完全电离的等离子体，其温度高达108-109K；后者是部分电离的，相对高温等离子体而言温度较低。低温等离子体又可以分为热平衡等离子体和非热平衡等离子体,其中热平衡等离子体宏观温度较高；而非平衡态等离子体的宏观温度较低，一般约为几千或几百K，甚至接近室温。1997年11月世界著名的美国Los Alamos国家实验室成功实现在常压下采用射频技术气体产生温和的等离子体大面积放电。这一重大突破意味着我们可以避免真空条件所带来的实验设备和操作方面的局限，在常温常压下生成低温等离子体。自2003年以来，国内中科院微电子研究所也开始进行了对于大气压低温等离子体技术的科研工作，经过了二年时间的研究，先后成功研制出多种不同形状及尺寸喷头的常压射频低温等离子体喷枪装置。此后，国内外多家研究小组在此基础上进一步开展了大气压冷等离子体射流装置设计与优化方面的实验与诊断，并对大气压冷等离子体射流的产生和发展过程进行了更深入的实验观测及理论研究。其中，中科院等离子体所、中科院物理所、清华大学、华北电力大学、大连理工大学、中国科技大学、华中科技大学、东华大学、西安交通大学、北京大学等高校及研究单位在射流源的设计与改进、射流等离子体机理研究及性质诊断、大气压冷等离子体射流应用等方面取得了重要进展。在微电子领域，常压射频冷等离子体技术所产生的温和等离子体被应用来清洗硅片上的光刻胶，该技术清洗速度快，并且由于喷口温度低于2000，处理过程中不会对硅底片带来任何损坏，如果采用惰性气体氩气和反应气体氧气作为工作气体，电离生成氩氧等离子体进行清洗，清洗后产生的产物为H2O 和CO2，不会发生处理后的废弃产物导致的环境污染问题。在安全卫生防疫等领域，采用氩或氦氧低温等离子体进行消毒灭菌，其灭菌速度是采用传统化学试剂进行灭菌速度的2030倍，不会产生任何二次环境污染，可以从根源头上解决废弃医疗垃圾污染的问题。目前在对放射性材料的处理方面，美国科研工作者采用常压等离子体喷枪技术，将CF4 作为工作气体，将其电离产生的活性氟原子喷射到放射性材料表面对其进行清洗，产生了放射性较低的物质UF6 和PuF6，该技术的引用将为彻底消除放射性物质污染奠定了基础。此外，等离子体技术还可以用在文物复原、硅片表面以及隐形眼镜的清洗、印刷包装材料的表面处理等许多领域。总之，用常压冷等离子体技术在有机和生化污染物处理过程的应用以及研究，是能够替代目前所采用的湿化学方法的一种真正绿色手段。1.3.2应用常压冷等离子技术直接脱墨的可行性分析等离子体中活性离子丰富，可应用的工作气体众多，经过广大学者的研究，对于常压等离子的装置结构、离子作用以及温度控制有着良好的理论基础。在常压冷等离子在微电子领域的光刻胶清洗中有着重要的应用，在等离子体清洗光刻胶的反应中，采用氩气和氧气作为工作气体，氩气与氧气以一定比例组成的混合气体，经过电离后产生活性氧等离子体，活性氧等离子体可将有机物分解为二氧化碳。根据现有的资料，通过常压冷等离子体对纸张表面进行处理，对材料表面有着明显的活化作用，并能对有机物进行一定程度的分解，所以首先对于印刷品油墨的组分进行了研究，查询了多种印刷品的油墨组分，来确定项目方法的适用范围。部分印刷品油墨的连结料组分如下：激光印刷油墨：苯乙烯丙烯酸树脂、聚酯类树脂静电印刷油墨：苯乙烯和丙烯酸盐共聚物紫外光固油墨：丙烯酸型不饱和聚酯水性苯胺油墨：丙烯酸或丙烯酸盐共聚物胶版印刷油墨：松香改性酚醛树脂、醇酸树脂、聚氨酯醇酸树脂新闻纸油墨：矿物油有机物连结料在不同印刷油墨的组成中有着广泛的应用（例如胶印印刷品，油墨中树脂油、胶质油以及醇酸树脂等有机物连结料占油墨总量的7080%，同时连结料提供颜料、色料与纸张纤维之间的结合力，油墨中酞菁蓝、炭黑等颜料占比15%左右）；同时油墨连接料形成的墨膜强度小于纸张表面纤维强度，常压冷等离子技术可应用在多种印刷品的表面处理中。1.3.3常压等离子脱墨技术相对于传统脱墨技术的优势本课题研究的等离子直接脱墨技术，通过设计制作特定电极结构的等离子喷枪，采用电离工作气体作为工作介质，生成等离子炬直接对材料表面进行处理。传统废纸再生技术的工艺流程是先将废纸进行碎解处理，然后在初步形成纸浆中加入表面活性剂，表面活性剂对纸张纤维产生浸湿、渗透、分散、乳化等作用，进而将油墨和其它杂质与纸张纤维分离，并使打碎的纸张纤维均匀分散于脱墨液中；对解离分散在脱墨液中的油墨及杂质加入防再沉积剂，使其不再吸附于纸纤维表面，然后通过浮选法或者洗涤法将杂质和油墨粒子除去1。目前研究者采用生物酶替代化学品作为脱墨剂的工艺，减少了废水的产生，但成本很高,技术不成熟。同时超声波的作用也可以使油墨粒子脱离纸张纤维。由上可知，传统的废纸再生工艺都需要将废纸打成纸浆然后经过复杂的工艺进行处理。生产线庞大，由于纸张、油墨、印刷工艺的不同，生产中参数控制复杂；且只适用于大批量的生产，再生过程中还会产生大量的废水以及化学品污染。本课题所研究的工艺方法采用电离气体代替化学脱墨剂，采用直接表面处理的方法，避免了大量水资源的使用以及废水的产生。避免了二次抄纸，极大的简化了废纸再生工艺流程，同时该技术所控制的变量为气量、电压、频率、功率等，便于控制；而传统废纸再生脱墨工艺中化学制剂反应复杂、控制难度大，对于小批量以及特殊纸张的处理有着明显的不足。2 常压冷等离子体直接脱墨原理分析2.1常压冷等离子体电极结构的选择 为了实现将工作气体在常温下电离成等离子体，并且温度不至于过高，需要选择确定等离子发生装置的放电形式以及结构。根据气体电离的不同方式、气体环境的压强大小、电源种类以及电极的组成和结构，气体电离产生等离子体主要分为下列几种形式：辉光放电、电晕放电、射频放电、微波放电以及介质阻隔放电。（1）辉光放电和电晕放电：辉光放电是电极的外加电压超过工作气体的着火电压，在限流电阻阻值较大的状态下产生的放电。电晕放电的电极形状曲率半径小，如针形电极或细线形电极，并在电极上通入高电平，由于电极尖端有着很小的曲率半径，电极尖端附近位置的电场强强度特别高，电子由阳极溢出，发生非均匀放电，称为电晕放电。辉光放电比较稳定。但是，辉光放电需要低气压甚至真空环境，装置造价高，并且难以实现样品的连续化处理。虽然电晕放电是在常温常压下进行的，装置造价低，但其放电状态不均匀控制难度大。（2）射频和微波放电： 如果放电电极上施加频率足够高的高频高压，使电极能够使周围的空气发生电离，进而产生低温等离子体的技术成为射频放电。射频放电形式具有能量密度大和电离程度高的优点，该技术在有毒污染物的清理、裂解以及材料表面处理等方面有重要应用。微波放电结构复杂，采用微波发生装置以及磁场激发等离子体，控制困难设备造价高。（3）介质阻隔放电：大气压介质阻隔放电是一个典型的非平衡态气体放电过程，其特点在于；在放电空间内充入特定的工作气体,并将其中一个或两个电极用绝缘介质覆盖，或将介质直接插入放电空间。介质可以覆盖在电极上或者悬挂在放电空间里，这样，当在放电电极上施加电压以及频率足够大的交流电时，电极间的气体及介质即使在常温常压下也会被击穿，而形成所谓的介质阻隔放电。介质的插入可以避免电极之间形成局部火花或弧光放电，当电极上的交流电压足够大时，电极间的气体在标准大气压下也会击穿形成放电。由于其电极再介质的保护下不直接与被电离的工作气体发生接触，从而避免了电极与等离子体发生反应而被腐蚀的问题。由于介质结构的存在，有效防止了放电电流的无限制增长，从而避免了在电极空间内形成的火花放电，电介质的存在也可以使微放电均匀稳定。图2.1介质阻挡放电形式示意图选择结构简单、放电稳定且容易实现的介质阻隔放电形式的等离子发生装置，在等离子源尺寸较小且电源输入功率低于50W时，可实现产生较稳定的等离子射流，温度低于100。为了形成稳定的等离子炬需要在喷枪喷口出安装一个开有小孔的极板，极板与环电极相连，通过极板与针环电极间产生电场使在介质管中的等离子体以从极板小孔中引流出来形成稳定辉光放电的等离子炬用于表面处理。2.2应用于直接脱墨工艺的工作气体的选择针对油墨中的有机物连结料，参考常压等离子体处理光刻胶相关的研究，采用惰性气体氩气和氧气作为工作气体。氩气与氧气通过等离子体喷枪的喷口处后，在电极作用下发生电离，生成大量的电子、Ar离子、活性氧等，以等离子束流的形式喷出，其电离方程式为:e+ArAr*+eAr*+O2Ar+O2*O2*+eO+O*+e经过电离后产生的氩氧等离子体与油墨中有机物连结料发生反应生成二氧化碳和水。图2.2活性氧离子分解有机物等离子喷枪喷口距纸张距离2MM左右，喷枪氩氧等离子发生干化学反应分解连结料后，颜料与助剂丧失了与纸张纤维的结合力，颜料等粒子在气体的物理刻蚀下从纸张表面剥离，纸张表面油墨被直接去除。处理后的纸张纤维吸水性增强，表面纤维强度有轻微下降，由于处理过程只影响到表面13m，不会影响纸张整体强度及性质，处理后的纸张能够实现直接重新利用。经过以上反应生成的活性氧离子与油墨中的有机物连结料发生干化学反应，生成二氧化碳和水，继而通过蒸发以及气体的物理刻蚀作用从纸张上剥离油墨。2.3等离子体直接脱墨工艺方案设计依据介质阻挡放电的原理，设计制作常压冷等离子喷枪，喷枪采用环电极与介质管针电极结构。选取输入电源，采用高频高压交流电源，频率为30kHz，电压3kV。连接气路系统，将气源连接气路管线、可调流量计、控制阀门连接至等离子喷枪，为等离子喷枪提供工作气体。高频高压交流电源频率为30kHz、电压3kV、输入功率为3050W，可依据处理对象的油墨厚度进行适量调整。工作气体为氧气、氩气，通过可调流量计调节控制，经由气路管线通入等离子喷枪。工作气体比例为：氧气占总流量的1%，氩气为99%，流量例如：氩气5L/min，氧气2050ml/min。待处理胶印印刷品，油墨中树脂油、胶质油以及醇酸树脂等有机物连结料占油墨总量的7080%，酞菁蓝、炭黑等颜料占比15%左右。工作气体经由喷枪中电极电离后形成等离子体，等离子体喷出后直接作用于纸张表面油墨部分，对纸张进行脱墨处理，单位面积油墨处理时间由油墨墨层厚度、组分以及喷枪等离子射流直径决定，等离子喷枪喷口距纸张距离23mm左右，对于直径24mm的等离子射流直径单位面积的处理时间在20s左右。适当提高功率、气量可提高处理速度，但需控制喷口温度不至于过高，处理时间由印刷品实际墨层厚度确定。图2.3装置设计及工艺方案示意图3 常压冷等离子体直接脱墨装置设计制作3.1实验装置的结构组成实验装置主要包括控制试验台、实验箱体、气路系统、等离子喷枪、电源电路系统及其他零配件。控制实验台可调节待处理材料与喷枪的相对位置，以及对实现喷枪对于材料的循环处理。试验箱体提供实验装置结构的固定与连接，并提供可靠的绝缘以及气密环境。气路系统为实验装置提供工作气体并调节气体流量。等离子喷枪为主要工作部件，将工作气体电离并生成等离子炬对材料表面进行处理。电源电路系统提供试验装置所需的高频高压交流电源，并安装开关、电源线接口以及输出接线柱，通过输出接线柱可连接示波器等测量仪器对装置的电源参数进行检测。图3.1装置结构示意图3.2气路系统组成与连接采用工业用高纯氩气，纯度99.99%，40L钢瓶，初始压强为130.5MPa；工业用高纯氧气，纯度99.99%，8L钢瓶，初始压强为90.5MPa。氩气瓶依次连接氩气减压阀、微量流量计、等离子喷枪 ；氧气瓶依次连接氧气减压阀、质量流量计、等离子喷枪。其间采用M10、M8、M6气管以及相应规格的气路转接头连接。微量流量计以及质量流量计安装在试验箱体内，管线由固定接口通入箱体。微量流量计控制氩气流量在200500ml/min，质量流量计控制氧气流量在20ml/min以下。3.3电源以及电路连接电源依据参考文献选用高频高压交流电源，输入电压为200V、频率为50Hz，输出电压为3KV、频率为30KHz、输出功率约50W。输出端一极连接等离子喷枪针电极，另一极连接环电极以及引流极板，高频高压电源绝缘封装在箱体中，通过外接开关控制，开关以及电源线安装在试验箱体上。高频高压电源容易击穿空气等介质产生弧光放电并产生大量热量，并且由于电压较高，在电极调节以及实验处理中应避免触电以及短路等事故。3.4喷枪电极结构设计、制作及放电现象3.4.1实心针电极玻璃管喷枪结构设计、制作及放电现象设计思路：由于喷枪中装有高频高压的电极结构需要可靠的绝缘，且需要安排可靠的气路通道，采用绝缘性、耐高温、便于加工的聚四氟乙烯塑料作为壳体材料，选用铜片制作环电极，与玻璃管和钢针组成介质阻挡放电结构。通过胶水以及连接零件将钢针以及玻璃管安装好并且确保气密性。玻璃管喷枪的设计制作：喷枪壳体采用聚四氟乙烯材料，采用实心医用不锈钢针作为针电极，使用铜片加工制作环电极，采用7.3MM外径的玻璃管作为介质管。（1）选用30mm直径的聚四氟乙烯塑料棒，截取10mm长度的聚四氟乙烯打6mm直径通孔并连接三通气路接头作为气体入口；（2）截取90mm的聚四氟乙烯打直径分别为20mm、5mm、7.5mm的阶梯孔，深度分别为10mm、5mm、75mm；（3）制作半径10mm厚5-7mm的带有凹槽的扇形针架用于固定医用钢针；（4）将铜片弯折制成内径7.5mm的环电极；（5）将导线分别与针电极、环电极焊接，并在壳体上打孔安放导线；（6）将针电极安装在针架上，然后将钢针与玻璃管分别装入打好阶梯通孔的壳体中，同轴心安装环电极以及气体入口零件，用302胶水密封确保气体只由玻璃管流出。图3.2玻璃管喷枪结构图在放电过程中，放电集中在环电极处的玻璃管中，由于针电极与环电极没有做到同轴心，放电过程中在针电极与环电极距离较近处较为明亮，偶尔会产生明显的电弧，由于玻璃介质管的作用并没有产生剧烈的弧光放电。宏观温度接近室温；但产生的淡紫色等离子体集中在环电极位置处，没有形成明显的等离子炬喷出。图3.3玻璃管喷枪放电经实验维持玻璃管喷枪的稳定放电所需气流量大，且玻璃管出口直径较大、厚度较大，导致电极间距较远放电不易保持，等离子体在玻璃管内部电离产生无法喷出，针电极位置安装难度大无法与介质管以及环电极同轴心。鉴于以上缺点对于喷枪重新设计制作。3.4.2滴管空心针电极喷枪结构设计、制作及放电现象为了使气流更加集中、电离程度更高、同时更加节约气体，采用开口更小的玻璃滴管作为介质管，增大电流密度、节约气体流量、提高电离效率。滴管喷枪的设计制作：喷枪壳体采用聚四氟乙烯材料，采用空心医用不锈钢针作为针电极，使用铜片加工制作环电极，采用最大外径7.3mm，逐渐收窄最小外径3mm的玻璃滴管作为介质管。（1）选用30mm直径的聚四氟乙烯塑料棒，截取10mm长度的聚四氟乙烯打6mm直径通孔并连接三通气路接头作为气体入口零件；（2）截取70mm的聚四氟乙烯打直径分别为20mm、7.5mm的阶梯孔，深度分别为10mm、60mm；（3）将铜片弯折制成内径3mm的环电极；（4）将导线分别与针电极、环电极焊接，并在壳体上打孔安放导线；（5）将医用空心不锈钢针与玻璃滴管分别装入打好阶梯通孔的壳体中，同轴心安装环电极以及气体入口零件，用302胶水密封并固定钢针以及滴管确保气体只由玻璃管流出。图3.4滴管喷枪结构图滴管喷枪气体由空心钢针流出，所需气量少；在玻璃滴管的较细的前端安装环电极，缩短了电极间的距离，但由于玻璃管作为介质管含有一定杂质，经过一定时间放电后质地变脆、易损坏，于是进行改进，改进后将钢针后端与气路接口零件密封，可以使玻璃滴管随时更换，并且针电极至喷口的距离，以及针电极与环电极的相对位置可调节。经实验，通电时启辉效果更加明显，启辉后放电更加稳定，在电极周围的玻璃管内能够观察到明显的淡紫色等离子体。该结构所需气体流量小、气流稳定并且等离子体密度高。但等离子体仍然积聚在电极附近没有形成明显的等离子炬。3.4.3定制硅管空心针电极喷枪结构设计制作及放电现象由于滴管不是纯石英管，含有一定杂质，经放电后易出现裂缝变得易碎；且形制不规范，不便于更换使用，同时可调节性较差。于是通过定制一定规格的石英管，设计了可更换并且石英管位置可调节的结构，更换更标准的电极，对喷枪进行了重新设计制作。基于滴管喷枪制作：（1）将空心钢针与壳体同轴心安装并与气路零件密封；（2）定制3mm外径1.5mm内径的石英管作为介质管，定制5mm外径3mm内径的铜管为环电；（3）切割长度5mm的铜管，并焊接导线作为环电极；（4）采用聚四氟乙烯制作外径7.4mm，内径3.1mm，长2mm的零件用于安装石英管；（5）将石英管、环电极同轴心安装在壳体上。图3.5石英管喷枪结构图经实验，该结构可以任意调节针电极至喷口的距离，以及针电极与环电极的相对位置，气流集中，元件同轴心性较好放电较为稳定。3.4.4引流极板的设计制作及放电现象由于等离子体的衰减速度快，气流流至喷口时不易形成等离子炬，为等离子喷口添加电场可引流出等离子体，于是设计制作用于产生电场的引流极板。引流极板首先选择光滑平整的铜片使待处理材料置于极板与喷口之间进行处理。这种方法处理纸张时，由于纸张多孔且微观不平整，容易使铜片裸露与针电极产生电弧，使纸张烧蚀出小孔。为了进一步产生等离子炬，同时避免电弧对被处理材料表面的影响，通过在极板上打孔来使之形成不带有电弧的等离子炬，从而应用于材料表面处理。采用约1cm2的薄铜片，打一个直径约1.0-1.3mm左右的小孔作为引流极板，引流极板由导线与，将小孔与针电极同轴心，并且极板距离针电极2.5mm；此时等离子体会从小孔中喷出形成稳定的淡蓝色的等离子炬，等离子炬呈微弱的淡紫色其中没有不稳定的电弧，温度较低。图3.6极板引流下的等离子炬铜片需表面光滑无杂物，平整规则，否则放电不稳定易产生高温弧光放电不易控制。如图在极板引流作用下形成了微弱的不带有电弧的淡紫色等离子炬，等离子炬长度约为5mm，其宏观温度较低，可用于印刷品的表面处理；当极板位置偏移、极板不够光滑平整、气流过大或过小时，极易产生明亮的电弧，同时伴有高温极易烧蚀纸张。3.5实验箱体结构为保证实验装置的安全性以及可操作性，选用便于加工的亚克力有机玻璃板制作了实验箱。箱体采用亚克力有机玻璃板用302胶水粘合而成，强度高、绝缘性好、有一定韧性。箱体中设计有半封闭的高频高压电源箱、定位气路管线、等离子喷枪升降台以及固定气体流量计基座。箱体高30cm、长40cm、宽35cm，内部电源箱尺寸高15cm、长25cm、宽15cm，等离子喷枪升降台高30cm。箱体提供电源线接口、连接接线柱、以及气路接口，并确保电路系统的绝缘以及便捷的连接与控制，确保了气路的稳定，升降台可调节等离子喷枪的高度以达到在实验中更好的处理效果。图3.7实验箱体设计图3.6小型实验台组装为了实现材料的持续处理，设计制作了带有传送带的小型实验台。采用碳纤维纸、皮带轮组带等材料搭建了传送带；采用小型545电机作为动力源，由于电机转速过快，采用一组三个模数为0.5齿轮组、一个小带轮组制作了减速器，是传送带能够平稳缓慢转动；以塑料支架、不锈钢轴为框架组装搭建了小型实验台。实验台采用12v直流电源驱动，传送带传递较为平稳可实现材料的固定以及待处理印品的循环处理。图3.8传送带式小型实验台图3.9实验装置整体图4 常压冷等离子体直接脱墨表面处理实验4.1实验装置的参数检测图4.1示波器检测结果由于电源为高频高压电源无法直接使用万用表进行测量，于是通过焊接15个100K欧电阻进行分压测量，当连接示波器时显示电源频率在30KHz左右。通过万用表分别测量各个电阻的阻值进行相加，测得电压约为1.53kv。图4.2光纤光谱仪检测结果如图为8通道光纤光谱仪测量等离子炬在波长300nm到1200nm范围内的光谱，由图中可以看出光谱集中在420510nm以及700970nm范围内；420nm510nm为空气电离的光谱曲线，700970nm为氩离子体光谱曲线；在图中可以明显看出，通过本装置可以有效生成大量氩等离子体，但仍有少量空气电离。图中在700970nm的范围内有多个波峰，显示出电压、频率不稳定导致放电不稳定，同时电极结构的精度低产生电弧也会影响光谱结果。同时420510nm的光谱显示出了装置气密性不好电离过程中混有少量空气。4.2常压冷等离子对于空白承印物表面处理在未采用极板引流的情况下，对材料表面进行处理时材料并未出现肉眼可见的变化，喷枪喷口温度较低，没有明显的等离子炬。在这种温和的等离子体的处理下测量了几种材料的性能以及结构变化。图4.3纸张表面处理测量结果在未安装引流极板的情况下，单纯使用等离子气流对纸张表面进行处理。处理前纸张与水接触角经测量为67.61；处理后由于纸张亲水性过强液滴被直接吸入纸张，无法进行接触角测量。在CCD电子显微镜下可以看到纸张表面填料被破坏，纤维结构更加明显，纸张表面更加疏松。图4.4 PET薄膜表面处理结果在对PET薄膜处理中，其与水的接触角也发生了明显变化，处理10S后亲水性明显提高，接触角由56.23降至36.87，处理20S以及60S的效果区别不大均为49左右，但是亲水性有一定程度的降低。同时，在CCD下处理后的PET薄膜与处理前的表面形貌没有发生改变，证明等离子体对被处理材质有着明显的活化作用。图4.5 硅油涂层薄膜处理结果对覆盖有硅油涂层的塑料薄膜进行处理，其接触角由97.03降为67.77，并且处理时间加长后处理效果不变。以上实验证明氩等离子体对于材料有着明显的表面活化作用，经过短时间的处理后就产生了明显的活化效果。图4.6 对普通色块处理结果当对于普通打印色块进行处理时，由于未经极板引流生成等离子炬，等离子体在喷口含量较低，经长时间处理效果仍不明显。4.3经极板引流后等离子炬对印刷品表面处理安装极板后由于加工精度原因，对于引流出的等离子炬的的放电状态以及温度控制较困难，所以选用墨层较厚的丝网印刷品进行处理。图4.7丝网色块处理如图的处理结果，经处理后的丝网印刷墨层有一定程度的去除，处理效果较为明显。由于电极加工精度不高，处理过程中大量发生不稳定的弧光放电，且等离子体温度过高，图中处理后的气泡显示油墨有融化、沸腾、蒸发的痕迹，墨层厚度有明显减少，部分油墨被蒸发去除；但同时纸张纤维有明显的烧灼痕迹。5 实验装置及工艺方案的改进意见5.1电极结构优化由于电极结构采用医用不锈钢针，其表面镀有涂层，以及导电性导致放电效果不佳，可选用定制铜管作为针电极，同时切割铜管作为环电极。铜管作为针电极时可打磨成平头，同时与介质管紧密贴合，这样可以保证电极的同心度，确保气流稳定，同时也便于引流极板安装。5.2喷枪零件的可更换设计由于经过放电后，针电极容易受热变形，而介质管也容易变脆破裂从而影响实验效果，在保证同轴心、气密性以及导电性的前提下可设计可更换介质管、针电极以及环电极的零件结构；甚至可以更换零件规格大小以实现更好的放电效果。5.3可调节结构的自由度以及调节精度优化设计增加可调结构的自由度，可安装套筒等部件确保玻璃管以及环电极位置调节的稳定性，在升降台添加齿轮齿条机构以及标尺，可以增加其可操作性。加装XYZ位移台调节引流极板位置可进一步避免弧光放电以及不均匀放电，更好的控制温度避免灼伤待处理表面。结 论常压冷等离子技术在许多方面应用十分广泛，其在印刷领域的应用具有良好的前景。根据常压冷等离子的放电形式、工作气体等特征，根据印刷品表面处理的温度处理精度的要求设计工艺方案、确定装置结构；并制作出实验装置，在实验中优化装置结构以及参数，实现了常压冷等离子体的生成，并通过实验探究了常压冷等离子体对于承印物表面的影响、以及通过该技术实现直接脱墨的可能性。（1）通过设计制作了三种不同结构的介质阻挡放电形式的等离子喷枪，实现了稳定的介质阻挡放电。（2）通过引流极板等辅助装置实现了等离子炬的生成。（3）制作箱体并连接气路管线，搭建了完整的具有一定可调节性的可进行表面处理实验的冷等离子体发生装置。（4）通过示波器、万用表以及光纤光谱仪检测了高频高压电源以及等离子炬的参数及光谱，结果显示装置能够持续产生密集的有一定纯度等离子气体，参数较为稳定。（5）进行了一系列的表面处理实验以及被测样品性能的测试，探究了等离子体对于承印物以及承印物表面油墨的影响。常压冷等离子体对与承印物表面有着明显的活化作用，有一定的物理刻蚀现象；经过处理后的样品亲水性明显提高。被处理的油墨有着一定的蒸发现象，油墨有着一定程度的去除；但温度的控制难度较高，易烧灼纸张。参考文献1 孟慧慧. 办公废纸和废杂志纸的脱墨研究D.北京：北京工商大学，2010，5