等离子体的产生和应用

等离子体（Plasma）是物质除气态，固态，液态外，广泛存在于宇宙大自然中的一种基本形态。在外加能量作用下，如进行加热，加外电场，激光照射等时，气体分子或原子会发生电离，形成带负电荷的电子和带正电荷的离子。当电离产生的带电粒子密度达到一定数值时，电离气体变成由带电粒子和中性粒子组成的集合体，改变了原来的状态，由于此时电离气体的正负离子总数相等，整体呈电中性，故称其为物质的第四态———等离子态。

生成等离子体的能量供给途径主要有电能，热能，核能，辐射能和机械能五种，实验室中的电离方法主要有：

（1）放电法通过从直流到微波所有频率带的放电，都可以产生各种不同电离状态的等离子体。

（2）燃烧法通过燃烧，使气体发生热电离。例如火焰中的高能粒子相互碰撞会发生热电离；此外，特定的热化学反应所放出的能量也能引起气体电离。

（3）冲击波法通过急剧压缩气体，产生高温，使气体发生热电离而产生等离子体。

（4）光，X射线，β射线照射法电离所需的能量由光，X射线，β射线提供，放电的起始电荷是电离生成的离子，这种电离方法形成的电荷密度一般较低。

（5）激光照射法通过激光照射可使物质蒸发而电离，

（6）碱金属蒸气与高温金属板的接触使碱金属蒸气与高温金属板接触生成等离子体。当气体接触到具有比其电离能大的金属时，则发生电离。碱金属蒸气的电离能小，故容易发生电离。

工业上应用的等离子体主要分为两种：一种为平衡"高温"等离子体，即其体系中的电子温度与中性粒子温度相等，温度可高达5×103～2×104K;另一种为非平衡"低温"等离子体，其反应主要靠电子动能来激发，实际工作中，电子动能大多为1～10eV,体系中电子温度高达104～105K,而离子温度不过几百度甚至接近室温。高温等离子体目前已经被广泛应用在金属切割，高熔点金属的熔炼，提纯等方面。近年来，低温等离子体应用于纺织材料的表面处理技术研究则十分活跃。低温等离子体主要由气体放电产生，放电方式可分为电晕放电（Coronadischarge），辉光放电（Glowdischarge），介质阻挡放电（Dielectricbarrierdischarge），射频放电（Radiofrequencydischarge）及微波放电（Microwavedischarge）等几种。

但是，多数低温等离子体是在几百帕的低气压下通过气体放电产生的，应用于工业生产时存在两个重要缺陷：

一是低效率的分批处理方式。由于时常需要打开真空处理室，取出产品及添加试品，难以生产连续。二是需要复杂的真空系统，投资较高。虽然大气压下，空气中电晕，电弧和介质阻挡放电都能产生等离子体，但电晕放电是丝状放电，且放电太弱，因而处理不均匀，效率低；电弧放电太强，易损坏试品；介质阻挡放电通常由一些具有较高能量密度的放电细丝组成，难以对材料进行均匀处

纺织品常压辉光放电等离子体处理技术印染（2006No.21）理，并也可能损坏试品。所以，最适用于工业生产的是大气压下功率密度适中（100mW/cm2）的均匀辉光放电，即APGD（Atmos2phereGlowDischarge）产生的等离子体。

在过去40年中，很多文献提及了应用等离子体来改变纺织品的表面性能。一些真空等离子体的DGPW也证明了等离子体工业化应用的可行性，但是其存在真空设备无法满足纺织工业连续生产，以及成本过高和生产速度缓慢等问题，无法使之真正大规模地用于实际生产。只有大气压下的等离子体技术才能满足纺织工业生产的要求。

APGD实验室小样试验已获成功，但应用到大批量生产中仍面临很多问题。例如，一些纺织品的三维空间的多孔结构的

特殊性能；织物表面含有的茸毛，尘埃等杂质和大面积的表面加工等，都会影响等离子体处理效果

[1].2电晕放电

2.1电晕放电的产生

电晕放电可以在大气压或更高的气压下工作，但电压必须足够高，以增强电晕部位的电场。所以，一般都在高电压（>15kV）和较高频率（20～40kHz）条件下放电。电晕是一种自持放电，在电晕放电中，电极的几何形状非常重要，故电晕放电大多在曲率半径很小的电极，如针状电极或丝状电极上施加高电压。电场的不均匀性，使主要的电离过程局限于局部电场很高的电极附近，特别是发生在曲率半径很小的电极附近或大或小的薄层中，并伴随明显的光亮，这个区域称为电离区域，或称之为电晕层或起晕层。在电晕层外，电场强度很低，不发生或很

少发生电离。电流的传导依靠正离子和负离子或电子的迁移运动，通常称之为迁移区或外围区。形成电晕放电所需的最低电压称为起晕电压。经验的计算公式为[2～3]:U0=31md（1+0.308rd）式中：U0———起晕电压，kV/cm;

M———与电晕线表面状态有关的系数，光滑表面取1,粗糙表面取0.92,绞合的金属线取0.82;

d———相对空气密度（d=0.0294p/T）；

r———电晕线曲率半径；

p,T———当地气压和气温。

电晕放电的极性取决于具有小曲率半径的电极极性。如果电极带正电位，则发生的电晕称为正电晕；反之称为负电晕。在正电晕情况下，随着极间电压的增加，将出现闪烁脉冲电晕，流光电晕，辉光电。