畢業(yè)論文——基于等離子體的直接脫墨裝置設計及應用

1、<p>　　哈爾濱商業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文）</p><p>　　基于等離子體的直接脫墨裝置設計及應用</p><p>　　學 生 姓 名： </p><p>　　指 導 教 師： </p><p>　　專 業(yè) 班 級： 印刷工程 </

2、p><p>　　學 號： </p><p>　　學 院： 輕工學院 </p><p><b>　　二〇XX年六月八日</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　課題研究的

3、基于體等離子直接脫墨裝置的設計及應用，通過研究常壓冷等離子的性質、工作機理以及裝置結構，將其應用于印刷品直接脫墨處理，拓展等離子技術的應用范圍。</p><p>　　選用氬氣以及氧氣作為工作氣體，采用了介質阻隔的放電形式產生低溫等離子體。采用聚四氟乙烯、玻璃管、鋼針等材料，設計制作了三種噴槍；通過氣路連接以及自行制作的實驗箱，將噴槍、高頻高壓電源、高純氬氣、高純氧氣組合形成一個完整的常壓冷等離子發(fā)生裝置。使用該裝

4、置進行了一定的測量以及實驗，同時進行了一定的優(yōu)化設計和改裝。</p><p>　　最終設計制作了初步的等離子發(fā)生裝置，對印刷品進行了表面處理實驗。處理后材料表面有著明顯的活化，有一定的物理刻蝕現象；經過處理后的樣品親水性明顯提高。被處理表面的油墨有著一定的蒸發(fā)現象，油墨有著一定程度的去除；但溫度的控制難度較高，易燒灼紙張。</p><p>　　關鍵詞：常壓冷等離子體；直接脫墨；介質阻隔放電

5、；氬氧等離子</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Research based on plasma direct design and application of deinking plant, by studying the properties of cold plasma at atmospheric pressure a

6、nd working mechanism and structure, apply it to the print directly deinking process, expand the scope of application of plasma technology. </p><p>　　Selection of argon and oxygen as a working gas, Choose a f

7、orm 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-

8、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 optimizatio

9、n </p><p>　　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 physic

10、al 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 temperat

11、ure, and the paper is easy to burn.</p><p>　　Keywords: Atmospheric pressure cold plasma; Direct removal of ink; Dielectric barrier discharge ; Argon oxygen plasma</p><p><b>　　目 錄</b>

12、;</p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒 論1</b></p><p>　　1.1課題研究背景1</p><p>　　1.2研究課題的目的意義1</p><

13、p>　　1.3傳統(tǒng)脫墨工藝與等離子直接脫墨工藝對比2</p><p>　　1.3.1常壓冷等離子體技術的現狀2</p><p>　　1.3.2應用常壓冷等離子技術直接脫墨的可行性分析3</p><p>　　1.3.3常壓等離子脫墨技術相對于傳統(tǒng)脫墨技術的優(yōu)勢4</p><p>　　2、常壓冷等離子體直接脫墨原理分析5</

14、p><p>　　2.1常壓冷等離子體電極結構的選擇5</p><p>　　2.2應用于直接脫墨工藝的工作氣體的選擇6</p><p>　　2.3等離子體直接脫墨工藝方案設計7</p><p>　　3、常壓冷等離子體直接脫墨裝置設計制作9</p><p>　　3.1實驗裝置的結構組成9</p><

15、;p>　　3.2氣路系統(tǒng)組成與連接9</p><p>　　3.3電源以及電路連接10</p><p>　　3.4噴槍電極結構設計、制作及放電現象10</p><p>　　3.4.1實心針電極玻璃管噴槍結構設計、制作及放電現象10</p><p>　　3.4.2滴管空心針電極噴槍結構設計、制作及放電現象12</p>

16、<p>　　3.4.3定制硅管空心針電極噴槍結構設計制作及放電現象13</p><p>　　3.4.4引流極板的設計制作及放電現象14</p><p>　　3.5實驗箱體結構15</p><p>　　3.6小型實驗臺組裝15</p><p>　　4、常壓冷等離子體直接脫墨表面處理實驗17</p><p

17、>　　4.1實驗裝置的參數檢測17</p><p>　　4.2常壓冷等離子對于空白承印物表面處理18</p><p>　　4.3經極板引流后等離子炬對印刷品表面處理20</p><p>　　5、實驗裝置及工藝方案的改進意見21</p><p>　　5.1電極結構優(yōu)化21</p><p>　　5.2噴槍零

18、件的可更換設計21</p><p>　　5.3可調節(jié)結構的自由度以及調節(jié)精度優(yōu)化設計21</p><p><b>　　結 論22</b></p><p><b>　　參考文獻23</b></p><p><b>　　致 謝24</b></p><

19、;p><b>　　附 錄25</b></p><p><b>　　1 緒 論</b></p><p><b>　　1.1課題研究背景</b></p><p>　　得益于紙張大規(guī)模再生回收利用技術的成熟以及環(huán)保可持續(xù)工業(yè)理念的深入，印刷包裝行業(yè)中紙制品的應用范圍越來越廣。</p>

20、<p>　　現今可循環(huán)利用是節(jié)約資源控制成本的重要途徑，廢紙再生技術已經在印刷造紙行業(yè)廣泛應用。然而傳統(tǒng)的廢紙再生工藝要先將廢紙打成紙漿，然后采用化學溶劑或者酶等去除附著在紙纖維中的油墨，然后重新抄紙利用。這種工藝機組設施龐大，工藝復雜，且在生產過程中會產生大量廢水以及化學污染物。</p><p>　　紙張等承印物一直是印刷包裝行業(yè)的主要耗材，其回收再利用技術一直是人們研究的重點。雖然傳統(tǒng)的回收再利

21、用技術有著規(guī)模優(yōu)勢和成本優(yōu)勢，但是面對著各種不同的產品、以及不同使用環(huán)境下產生的可再生資源，傳統(tǒng)的廢紙再生技術有著明顯的局限性。</p><p>　　2013年劍橋大學工程師采用激光直接清除紙上打印、復印的文字，同時不會對紙張造成任何損害。該技術處理速度極快，直接使墨水蒸發(fā)為氣體，氣體可以被過濾裝置吸收處理，這種技術比傳統(tǒng)化學方法回收利用廢紙更環(huán)保，減少了化學品的使用以及CO2的排放[5]。激光由于聚焦性好，因此

22、各國研究者對其在脫墨領域的應用有一定的研究，但等離子脫墨的研究目前未見報道。</p><p>　　本課題研究的等離子直接脫墨技術，旨在實現新型的廢紙再生工藝，實現無污染的紙張再次利用。通過等離子體過對紙張表面的油墨直接處理，直接脫去紙張油墨，使紙張直接被重新利用。探究等離子體對于印刷油墨的處理效果，以及對紙張的影響。簡化廢紙再生工藝，提供一個紙張循環(huán)利用的新思路，處理裝置小型化，使小批量紙張甚至單張紙重復利用成為

23、可能，彌補傳統(tǒng)工藝的局限性。</p><p>　　1.2研究課題的目的意義</p><p>　　基于冷等離子體對紙張表面處理的直接脫墨技術，旨在實現新型的廢紙再生工藝，實現無污染的紙張再次利用。利用等離子體中活性離子豐富，可應用的工作氣體種類多；設計針對紙張表面油墨的表面處理方案，通過等離子體過對紙張表面油墨直接處理，直接脫去紙張油墨，使紙張直接被重新利用。</p><

24、p>　　基于常壓冷等離子技術，研究適用于紙張的等離子噴槍結構和放電形式。探究氦氧等離子體對于紙張表面油墨的處理效果。通過調節(jié)氣體比例、放電功率、氣體流量、處理速度等變量研究常壓等離子體對于紙張表面油墨的處理效果，以及對紙張的影響。簡化廢紙再生工藝，提供一個紙張循環(huán)利用的新思路，使小批量紙張甚至單張紙重復利用成為可能。</p><p>　　等離子體對紙張表面直接處理，沒有復雜的紙張碎解以及重新抄造，避免了化學

25、試劑的使用，使參數控制、工藝控制更為簡單，便于數字化控制，處理過程易于調節(jié)，無廢氣廢液排放更加環(huán)保。</p><p>　　這種直接脫墨方法如果實驗成功，可使廢紙回收利用裝置小型化，這種方法參數便于數字化控制，打破傳統(tǒng)廢紙回收再利用的局限，有利于節(jié)約紙張保護環(huán)境；可廣泛應用于公司、事業(yè)單位、小型印刷社、印刷廠等地方，提高紙張的再生利用率，同時也拓展了等離子表面處理的應用范圍。其通過電離氣體直接處理材料表面的工作方法

26、可以極大的簡化廢紙再生工藝流程，具有廣泛地應用；同時這種裝置也可以進行其他方面的表面處理實驗研究。</p><p>　　1.3傳統(tǒng)脫墨工藝與等離子直接脫墨工藝對比</p><p>　　1.3.1常壓冷等離子體技術的現狀</p><p>　　等離子體的分類方法有很多，按溫度劃分可分為高溫等離子體和低溫等離子體兩部分。前者一般指完全電離的等離子體，其溫度高達108-10

27、9K；后者是部分電離的，相對高溫等離子體而言溫度較低。低溫等離子體又可以分為熱平衡等離子體和非熱平衡等離子體,其中熱平衡等離子體宏觀溫度較高；而非平衡態(tài)等離子體的宏觀溫度較低，一般約為幾千或幾百K，甚至接近室溫。</p><p>　　1997年11月世界著名的美國Los Alamos國家實驗室成功實現在常壓下采用射頻技術氣體產生溫和的等離子體大面積放電。這一重大突破意味著我們可以避免真空條件所帶來的實驗設備和操作

28、方面的局限，在常溫常壓下生成低溫等離子體。</p><p>　　自2003年以來，國內中科院微電子研究所也開始進行了對于大氣壓低溫等離子體技術的科研工作，經過了二年時間的研究，先后成功研制出多種不同形狀及尺寸噴頭的常壓射頻低溫等離子體噴槍裝置。此后，國內外多家研究小組在此基礎上進一步開展了大氣壓冷等離子體射流裝置設計與優(yōu)化方面的實驗與診斷，并對大氣壓冷等離子體射流的產生和發(fā)展過程進行了更深入的實驗觀測及理論研究。

29、其中，中科院等離子體所、中科院物理所、清華大學、華北電力大學、大連理工大學、中國科技大學、華中科技大學、東華大學、西安交通大學、北京大學等高校及研究單位在射流源的設計與改進、射流等離子體機理研究及性質診斷、大氣壓冷等離子體射流應用等方面取得了重要進展。</p><p>　　在微電子領域，常壓射頻冷等離子體技術所產生的溫和等離子體被應用來清洗硅片上的光刻膠，該技術清洗速度快，并且由于噴口溫度低于2000℃，處理過程

30、中不會對硅底片帶來任何損壞，如果采用惰性氣體氬氣和反應氣體氧氣作為工作氣體，電離生成氬氧等離子體進行清洗，清洗后產生的產物為H2O 和CO2，不會發(fā)生處理后的廢棄產物導致的環(huán)境污染問題。</p><p>　　在安全衛(wèi)生防疫等領域，采用氬或氦氧低溫等離子體進行消毒滅菌，其滅菌速度是采用傳統(tǒng)化學試劑進行滅菌速度的20~30倍，不會產生任何二次環(huán)境污染，可以從根源頭上解決廢棄醫(yī)療垃圾污染的問題。</p>

31、<p>　　目前在對放射性材料的處理方面，美國科研工作者采用常壓等離子體噴槍技術，將CF4 作為工作氣體，將其電離產生的活性氟原子噴射到放射性材料表面對其進行清洗，產生了放射性較低的物質UF6 和PuF6，該技術的引用將為徹底消除放射性物質污染奠定了基礎。</p><p>　　此外，等離子體技術還可以用在文物復原、硅片表面以及隱形眼鏡的清洗、印刷包裝材料的表面處理等許多領域。</p>&l

32、t;p>　　總之，用常壓冷等離子體技術在有機和生化污染物處理過程的應用以及研究，是能夠替代目前所采用的濕化學方法的一種真正綠色手段。</p><p>　　1.3.2應用常壓冷等離子技術直接脫墨的可行性分析</p><p>　　等離子體中活性離子豐富，可應用的工作氣體眾多，經過廣大學者的研究，對于常壓等離子的裝置結構、離子作用以及溫度控制有著良好的理論基礎。</p>&l

33、t;p>　　在常壓冷等離子在微電子領域的光刻膠清洗中有著重要的應用，在等離子體清洗光刻膠的反應中，采用氬氣和氧氣作為工作氣體，氬氣與氧氣以一定比例組成的混合氣體，經過電離后產生活性氧等離子體，活性氧等離子體可將有機物分解為二氧化碳。</p><p>　　根據現有的資料，通過常壓冷等離子體對紙張表面進行處理，對材料表面有著明顯的活化作用，并能對有機物進行一定程度的分解，所以首先對于印刷品油墨的組分進行了研究，

34、查詢了多種印刷品的油墨組分，來確定項目方法的適用范圍。</p><p>　　部分印刷品油墨的連結料組分如下：</p><p>　　激光印刷油墨：苯乙烯丙烯酸樹脂、聚酯類樹脂</p><p>　　靜電印刷油墨：苯乙烯和丙烯酸鹽共聚物</p><p>　　紫外光固油墨：丙烯酸型不飽和聚酯</p><p>　　水性苯胺油墨：

35、丙烯酸或丙烯酸鹽共聚物</p><p>　　膠版印刷油墨：松香改性酚醛樹脂、醇酸樹脂、聚氨酯醇酸樹脂</p><p><b>　　新聞紙油墨：礦物油</b></p><p>　　有機物連結料在不同印刷油墨的組成中有著廣泛的應用（例如膠印印刷品，油墨中樹脂油、膠質油以及醇酸樹脂等有機物連結料占油墨總量的70~80%，同時連結料提供顏料、色料與紙張

36、纖維之間的結合力，油墨中酞菁藍、炭黑等顏料占比15%左右）；同時油墨連接料形成的墨膜強度小于紙張表面纖維強度，常壓冷等離子技術可應用在多種印刷品的表面處理中。</p><p>　　1.3.3常壓等離子脫墨技術相對于傳統(tǒng)脫墨技術的優(yōu)勢</p><p>　　本課題研究的等離子直接脫墨技術，通過設計制作特定電極結構的等離子噴槍，采用電離工作氣體作為工作介質，生成等離子炬直接對材料表面進行處理。&

37、lt;/p><p>　　傳統(tǒng)廢紙再生技術的工藝流程是先將廢紙進行碎解處理，然后在初步形成紙漿中加入表面活性劑，表面活性劑對紙張纖維產生浸濕、滲透、分散、乳化等作用，進而將油墨和其它雜質與紙張纖維分離，并使打碎的紙張纖維均勻分散于脫墨液中；對解離分散在脫墨液中的油墨及雜質加入防再沉積劑，使其不再吸附于紙纖維表面，然后通過浮選法或者洗滌法將雜質和油墨粒子除去[1]。</p><p>　　目前研究者

38、采用生物酶替代化學品作為脫墨劑的工藝，減少了廢水的產生，但成本很高,技術不成熟。同時超聲波的作用也可以使油墨粒子脫離紙張纖維。</p><p>　　由上可知，傳統(tǒng)的廢紙再生工藝都需要將廢紙打成紙漿然后經過復雜的工藝進行處理。生產線龐大，由于紙張、油墨、印刷工藝的不同，生產中參數控制復雜；且只適用于大批量的生產，再生過程中還會產生大量的廢水以及化學品污染。</p><p>　　本課題所研究的

39、工藝方法采用電離氣體代替化學脫墨劑，采用直接表面處理的方法，避免了大量水資源的使用以及廢水的產生。避免了二次抄紙，極大的簡化了廢紙再生工藝流程，同時該技術所控制的變量為氣量、電壓、頻率、功率等，便于控制；而傳統(tǒng)廢紙再生脫墨工藝中化學制劑反應復雜、控制難度大，對于小批量以及特殊紙張的處理有著明顯的不足。</p><p>　　2 常壓冷等離子體直接脫墨原理分析</p><p>　　2.1常壓冷

40、等離子體電極結構的選擇 </p><p>　　為了實現將工作氣體在常溫下電離成等離子體，并且溫度不至于過高，需要選擇確定等離子發(fā)生裝置的放電形式以及結構。</p><p>　　根據氣體電離的不同方式、氣體環(huán)境的壓強大小、電源種類以及電極的組成和結構，氣體電離產生等離子體主要分為下列幾種形式：輝光放電、電暈放電、射頻放電、微波放電以及介質阻隔放電。</p><p>　

41、?。?）輝光放電和電暈放電：輝光放電是電極的外加電壓超過工作氣體的著火電壓，在限流電阻阻值較大的狀態(tài)下產生的放電。電暈放電的電極形狀曲率半徑小，如針形電極或細線形電極，并在電極上通入高電平，由于電極尖端有著很小的曲率半徑，電極尖端附近位置的電場強強度特別高，電子由陽極溢出，發(fā)生非均勻放電，稱為電暈放電。輝光放電比較穩(wěn)定。</p><p>　　但是，輝光放電需要低氣壓甚至真空環(huán)境，裝置造價高，并且難以實現樣品的連續(xù)

42、化處理。雖然電暈放電是在常溫常壓下進行的，裝置造價低，但其放電狀態(tài)不均勻控制難度大。</p><p>　?。?）射頻和微波放電： 如果放電電極上施加頻率足夠高的高頻高壓，使電極能夠使周圍的空氣發(fā)生電離，進而產生低溫等離子體的技術成為射頻放電。射頻放電形式具有能量密度大和電離程度高的優(yōu)點，該技術在有毒污染物的清理、裂解以及材料表面處理等方面有重要應用。微波放電結構復雜，采用微波發(fā)生裝置以及磁場激發(fā)等離子體，控制困難

43、設備造價高。</p><p>　?。?）介質阻隔放電：大氣壓介質阻隔放電是一個典型的非平衡態(tài)氣體放電過程，其特點在于；在放電空間內充入特定的工作氣體,并將其中一個或兩個電極用絕緣介質覆蓋，或將介質直接插入放電空間。介質可以覆蓋在電極上或者懸掛在放電空間里，這樣，當在放電電極上施加電壓以及頻率足夠大的交流電時，電極間的氣體及介質即使在常溫常壓下也會被擊穿，而形成所謂的介質阻隔放電。介質的插入可以避免電極之間形成局部

44、火花或弧光放電，當電極上的交流電壓足夠大時，電極間的氣體在標準大氣壓下也會擊穿形成放電。由于其電極再介質的保護下不直接與被電離的工作氣體發(fā)生接觸，從而避免了電極與等離子體發(fā)生反應而被腐蝕的問題。由于介質結構的存在，有效防止了放電電流的無限制增長，從而避免了在電極空間內形成的火花放電，電介質的存在也可以使微放電均勻穩(wěn)定。</p><p>　　圖2.1介質阻擋放電形式示意圖</p><p>　

45、　選擇結構簡單、放電穩(wěn)定且容易實現的介質阻隔放電形式的等離子發(fā)生裝置，在等離子源尺寸較小且電源輸入功率低于50W時，可實現產生較穩(wěn)定的等離子射流，溫度低于100℃。</p><p>　　為了形成穩(wěn)定的等離子炬需要在噴槍噴口出安裝一個開有小孔的極板，極板與環(huán)電極相連，通過極板與針環(huán)電極間產生電場使在介質管中的等離子體以從極板小孔中引流出來形成穩(wěn)定輝光放電的等離子炬用于表面處理。</p><p&g

46、t;　　2.2應用于直接脫墨工藝的工作氣體的選擇</p><p>　　針對油墨中的有機物連結料，參考常壓等離子體處理光刻膠相關的研究，采用惰性氣體氬氣和氧氣作為工作氣體。</p><p>　　氬氣與氧氣通過等離子體噴槍的噴口處后，在電極作用下發(fā)生電離，生成大量的電子、Ar離子、活性氧等，以等離子束流的形式噴出，其電離方程式為:</p><p>　　e+Ar→Ar*+

47、e</p><p>　　Ar*+O2→Ar+O2*</p><p>　　O2*+e→O+O*+e</p><p>　　經過電離后產生的氬氧等離子體與油墨中有機物連結料發(fā)生反應生成二氧化碳和水。</p><p>　　圖2.2活性氧離子分解有機物</p><p>　　等離子噴槍噴口距紙張距離2MM左右，噴槍氬氧等離子發(fā)生干

48、化學反應分解連結料后，顏料與助劑喪失了與紙張纖維的結合力，顏料等粒子在氣體的物理刻蝕下從紙張表面剝離，紙張表面油墨被直接去除。處理后的紙張纖維吸水性增強，表面纖維強度有輕微下降，由于處理過程只影響到表面1~3μm，不會影響紙張整體強度及性質，處理后的紙張能夠實現直接重新利用。</p><p>　　經過以上反應生成的活性氧離子與油墨中的有機物連結料發(fā)生干化學反應，生成二氧化碳和水，繼而通過蒸發(fā)以及氣體的物理刻蝕作用

49、從紙張上剝離油墨。</p><p>　　2.3等離子體直接脫墨工藝方案設計</p><p>　　依據介質阻擋放電的原理，設計制作常壓冷等離子噴槍，噴槍采用環(huán)電極與介質管針電極結構。選取輸入電源，采用高頻高壓交流電源，頻率為30kHz，電壓3kV。</p><p>　　連接氣路系統(tǒng)，將氣源連接氣路管線、可調流量計、控制閥門連接至等離子噴槍，為等離子噴槍提供工作氣體。&

50、lt;/p><p>　　高頻高壓交流電源頻率為30kHz、電壓3kV、輸入功率為30~50W，可依據處理對象的油墨厚度進行適量調整。</p><p>　　工作氣體為氧氣、氬氣，通過可調流量計調節(jié)控制，經由氣路管線通入等離子噴槍。工作氣體比例為：氧氣占總流量的1%，氬氣為99%，流量例如：氬氣5L/min，氧氣20~50ml/min。</p><p>　　待處理膠印印刷品

51、，油墨中樹脂油、膠質油以及醇酸樹脂等有機物連結料占油墨總量的70~80%，酞菁藍、炭黑等顏料占比15%左右。</p><p>　　工作氣體經由噴槍中電極電離后形成等離子體，等離子體噴出后直接作用于紙張表面油墨部分，對紙張進行脫墨處理，單位面積油墨處理時間由油墨墨層厚度、組分以及噴槍等離子射流直徑決定，等離子噴槍噴口距紙張距離2~3mm左右，對于直徑2~4mm的等離子射流直徑單位面積的處理時間在20s左右。適當提高

52、功率、氣量可提高處理速度，但需控制噴口溫度不至于過高，處理時間由印刷品實際墨層厚度確定。</p><p>　　圖2.3裝置設計及工藝方案示意圖</p><p>　　3 常壓冷等離子體直接脫墨裝置設計制作</p><p>　　3.1實驗裝置的結構組成</p><p>　　實驗裝置主要包括控制試驗臺、實驗箱體、氣路系統(tǒng)、等離子噴槍、電源電路系統(tǒng)及

53、其他零配件。</p><p>　　控制實驗臺可調節(jié)待處理材料與噴槍的相對位置，以及對實現噴槍對于材料的循環(huán)處理。試驗箱體提供實驗裝置結構的固定與連接，并提供可靠的絕緣以及氣密環(huán)境。</p><p>　　氣路系統(tǒng)為實驗裝置提供工作氣體并調節(jié)氣體流量。</p><p>　　等離子噴槍為主要工作部件，將工作氣體電離并生成等離子炬對材料表面進行處理。</p>

54、<p>　　電源電路系統(tǒng)提供試驗裝置所需的高頻高壓交流電源，并安裝開關、電源線接口以及輸出接線柱，通過輸出接線柱可連接示波器等測量儀器對裝置的電源參數進行檢測。</p><p>　　圖3.1裝置結構示意圖</p><p>　　3.2氣路系統(tǒng)組成與連接</p><p>　　采用工業(yè)用高純氬氣，純度>99.99%，40L鋼瓶，初始壓強為13±0

55、.5MPa；工業(yè)用高純氧氣，純度>99.99%，8L鋼瓶，初始壓強為9±0.5MPa。</p><p>　　氬氣瓶依次連接氬氣減壓閥、微量流量計、等離子噴槍 ；氧氣瓶依次連接氧氣減壓閥、質量流量計、等離子噴槍。其間采用M10、M8、M6氣管以及相應規(guī)格的氣路轉接頭連接。</p><p>　　微量流量計以及質量流量計安裝在試驗箱體內，管線由固定接口通入箱體。微量流量計控制氬氣

56、流量在200~500ml/min，質量流量計控制氧氣流量在20ml/min以下。</p><p>　　3.3電源以及電路連接</p><p>　　電源依據參考文獻選用高頻高壓交流電源，輸入電壓為200V、頻率為50Hz，輸出電壓為3KV、頻率為30KHz、輸出功率約50W。輸出端一極連接等離子噴槍針電極，另一極連接環(huán)電極以及引流極板，高頻高壓電源絕緣封裝在箱體中，通過外接開關控制，開關以及

57、電源線安裝在試驗箱體上。</p><p>　　高頻高壓電源容易擊穿空氣等介質產生弧光放電并產生大量熱量，并且由于電壓較高，在電極調節(jié)以及實驗處理中應避免觸電以及短路等事故。</p><p>　　3.4噴槍電極結構設計、制作及放電現象</p><p>　　3.4.1實心針電極玻璃管噴槍結構設計、制作及放電現象</p><p>　　設計思路：由于

58、噴槍中裝有高頻高壓的電極結構需要可靠的絕緣，且需要安排可靠的氣路通道，采用絕緣性、耐高溫、便于加工的聚四氟乙烯塑料作為殼體材料，選用銅片制作環(huán)電極，與玻璃管和鋼針組成介質阻擋放電結構。通過膠水以及連接零件將鋼針以及玻璃管安裝好并且確保氣密性。</p><p>　　玻璃管噴槍的設計制作：噴槍殼體采用聚四氟乙烯材料，采用實心醫(yī)用不銹鋼針作為針電極，使用銅片加工制作環(huán)電極，采用7.3MM外徑的玻璃管作為介質管。<

59、/p><p>　?。?）選用30mm直徑的聚四氟乙烯塑料棒，截取10mm長度的聚四氟乙烯打6mm直徑通孔并連接三通氣路接頭作為氣體入口；</p><p>　　（2）截取90mm的聚四氟乙烯打直徑分別為20mm、5mm、7.5mm的階梯孔，深度分別為10mm、5mm、75mm；</p><p>　　（3）制作半徑10mm厚5-7mm的帶有凹槽的扇形針架用于固定醫(yī)用鋼針；&

60、lt;/p><p>　?。?）將銅片彎折制成內徑7.5mm的環(huán)電極；</p><p>　　（5）將導線分別與針電極、環(huán)電極焊接，并在殼體上打孔安放導線；</p><p>　　（6）將針電極安裝在針架上，然后將鋼針與玻璃管分別裝入打好階梯通孔的殼體中，同軸心安裝環(huán)電極以及氣體入口零件，用302膠水密封確保氣體只由玻璃管流出。</p><p>　　圖

61、3.2玻璃管噴槍結構圖</p><p>　　在放電過程中，放電集中在環(huán)電極處的玻璃管中，由于針電極與環(huán)電極沒有做到同軸心，放電過程中在針電極與環(huán)電極距離較近處較為明亮，偶爾會產生明顯的電弧，由于玻璃介質管的作用并沒有產生劇烈的弧光放電。宏觀溫度接近室溫；但產生的淡紫色等離子體集中在環(huán)電極位置處，沒有形成明顯的等離子炬噴出。</p><p>　　圖3.3玻璃管噴槍放電</p>

62、<p>　　經實驗維持玻璃管噴槍的穩(wěn)定放電所需氣流量大，且玻璃管出口直徑較大、厚度較大，導致電極間距較遠放電不易保持，等離子體在玻璃管內部電離產生無法噴出，針電極位置安裝難度大無法與介質管以及環(huán)電極同軸心。鑒于以上缺點對于噴槍重新設計制作。</p><p>　　3.4.2滴管空心針電極噴槍結構設計、制作及放電現象</p><p>　　為了使氣流更加集中、電離程度更高、同時更加節(jié)約

63、氣體，采用開口更小的玻璃滴管作為介質管，增大電流密度、節(jié)約氣體流量、提高電離效率。</p><p>　　滴管噴槍的設計制作：噴槍殼體采用聚四氟乙烯材料，采用空心醫(yī)用不銹鋼針作為針電極，使用銅片加工制作環(huán)電極，采用最大外徑7.3mm，逐漸收窄最小外徑3mm的玻璃滴管作為介質管。</p><p>　　（1）選用30mm直徑的聚四氟乙烯塑料棒，截取10mm長度的聚四氟乙烯打6mm直徑通孔并連接三

64、通氣路接頭作為氣體入口零件；</p><p>　　（2）截取70mm的聚四氟乙烯打直徑分別為20mm、7.5mm的階梯孔，深度分別為10mm、60mm；</p><p>　　（3）將銅片彎折制成內徑3mm的環(huán)電極；</p><p>　?。?）將導線分別與針電極、環(huán)電極焊接，并在殼體上打孔安放導線；</p><p>　?。?）將醫(yī)用空心不銹鋼針

65、與玻璃滴管分別裝入打好階梯通孔的殼體中，同軸心安裝環(huán)電極以及氣體入口零件，用302膠水密封并固定鋼針以及滴管確保氣體只由玻璃管流出。</p><p>　　圖3.4滴管噴槍結構圖</p><p>　　滴管噴槍氣體由空心鋼針流出，所需氣量少；在玻璃滴管的較細的前端安裝環(huán)電極，縮短了電極間的距離，但由于玻璃管作為介質管含有一定雜質，經過一定時間放電后質地變脆、易損壞，于是進行改進，改進后將鋼針后

66、端與氣路接口零件密封，可以使玻璃滴管隨時更換，并且針電極至噴口的距離，以及針電極與環(huán)電極的相對位置可調節(jié)。</p><p>　　經實驗，通電時啟輝效果更加明顯，啟輝后放電更加穩(wěn)定，在電極周圍的玻璃管內能夠觀察到明顯的淡紫色等離子體。該結構所需氣體流量小、氣流穩(wěn)定并且等離子體密度高。但等離子體仍然積聚在電極附近沒有形成明顯的等離子炬。</p><p>　　3.4.3定制硅管空心針電極噴槍結構

67、設計制作及放電現象</p><p>　　由于滴管不是純石英管，含有一定雜質，經放電后易出現裂縫變得易碎；且形制不規(guī)范，不便于更換使用，同時可調節(jié)性較差。于是通過定制一定規(guī)格的石英管，設計了可更換并且石英管位置可調節(jié)的結構，更換更標準的電極，對噴槍進行了重新設計制作。</p><p><b>　　基于滴管噴槍制作：</b></p><p>　　（

68、1）將空心鋼針與殼體同軸心安裝并與氣路零件密封；</p><p>　　（2）定制3mm外徑1.5mm內徑的石英管作為介質管，定制5mm外徑3mm內徑的銅管為環(huán)電；</p><p>　?。?）切割長度5mm的銅管，并焊接導線作為環(huán)電極；</p><p>　?。?）采用聚四氟乙烯制作外徑7.4mm，內徑3.1mm，長2mm的零件用于安裝石英管；</p>&

69、lt;p>　?。?）將石英管、環(huán)電極同軸心安裝在殼體上。</p><p>　　圖3.5石英管噴槍結構圖</p><p>　　經實驗，該結構可以任意調節(jié)針電極至噴口的距離，以及針電極與環(huán)電極的相對位置，氣流集中，元件同軸心性較好放電較為穩(wěn)定。</p><p>　　3.4.4引流極板的設計制作及放電現象</p><p>　　由于等離子體的衰

70、減速度快，氣流流至噴口時不易形成等離子炬，為等離子噴口添加電場可引流出等離子體，于是設計制作用于產生電場的引流極板。</p><p>　　引流極板首先選擇光滑平整的銅片使待處理材料置于極板與噴口之間進行處理。這種方法處理紙張時，由于紙張多孔且微觀不平整，容易使銅片裸露與針電極產生電弧，使紙張燒蝕出小孔。</p><p>　　為了進一步產生等離子炬，同時避免電弧對被處理材料表面的影響，通過在

71、極板上打孔來使之形成不帶有電弧的等離子炬，從而應用于材料表面處理。</p><p>　　采用約1cm2的薄銅片，打一個直徑約1.0-1.3mm左右的小孔作為引流極板，引流極板由導線與，將小孔與針電極同軸心，并且極板距離針電極2.5mm；此時等離子體會從小孔中噴出形成穩(wěn)定的淡藍色的等離子炬，等離子炬呈微弱的淡紫色其中沒有不穩(wěn)定的電弧，溫度較低。</p><p>　　圖3.6極板引流下的等離子

72、炬</p><p>　　銅片需表面光滑無雜物，平整規(guī)則，否則放電不穩(wěn)定易產生高溫弧光放電不易控制。如圖在極板引流作用下形成了微弱的不帶有電弧的淡紫色等離子炬，等離子炬長度約為5mm，其宏觀溫度較低，可用于印刷品的表面處理；當極板位置偏移、極板不夠光滑平整、氣流過大或過小時，極易產生明亮的電弧，同時伴有高溫極易燒蝕紙張。</p><p><b>　　3.5實驗箱體結構</b&

73、gt;</p><p>　　為保證實驗裝置的安全性以及可操作性，選用便于加工的亞克力有機玻璃板制作了實驗箱。</p><p>　　箱體采用亞克力有機玻璃板用302膠水粘合而成，強度高、絕緣性好、有一定韌性。箱體中設計有半封閉的高頻高壓電源箱、定位氣路管線、等離子噴槍升降臺以及固定氣體流量計基座。</p><p>　　箱體高30cm、長40cm、寬35cm，內部電源箱

74、尺寸高15cm、長25cm、寬15cm，等離子噴槍升降臺高30cm。</p><p>　　箱體提供電源線接口、連接接線柱、以及氣路接口，并確保電路系統(tǒng)的絕緣以及便捷的連接與控制，確保了氣路的穩(wěn)定，升降臺可調節(jié)等離子噴槍的高度以達到在實驗中更好的處理效果。</p><p>　　圖3.7實驗箱體設計圖</p><p>　　3.6小型實驗臺組裝</p>&l

75、t;p>　　為了實現材料的持續(xù)處理，設計制作了帶有傳送帶的小型實驗臺。</p><p>　　采用碳纖維紙、皮帶輪組帶等材料搭建了傳送帶；采用小型545電機作為動力源，由于電機轉速過快，采用一組三個模數為0.5齒輪組、一個小帶輪組制作了減速器，是傳送帶能夠平穩(wěn)緩慢轉動；以塑料支架、不銹鋼軸為框架組裝搭建了小型實驗臺。</p><p>　　實驗臺采用12v直流電源驅動，傳送帶傳遞較為平穩(wěn)

76、可實現材料的固定以及待處理印品的循環(huán)處理。</p><p>　　圖3.8傳送帶式小型實驗臺</p><p>　　圖3.9實驗裝置整體圖</p><p>　　4 常壓冷等離子體直接脫墨表面處理實驗</p><p>　　4.1實驗裝置的參數檢測</p><p>　　圖4.1示波器檢測結果</p><p&

77、gt;　　由于電源為高頻高壓電源無法直接使用萬用表進行測量，于是通過焊接15個100K歐電阻進行分壓測量，當連接示波器時顯示電源頻率在30KHz左右。通過萬用表分別測量各個電阻的阻值進行相加，測得電壓約為1.5~3kv。</p><p>　　圖4.2光纖光譜儀檢測結果</p><p>　　如圖為8通道光纖光譜儀測量等離子炬在波長300nm到1200nm范圍內的光譜，由圖中可以看出光譜集中在

78、420~510nm以及700~970nm范圍內；420nm~510nm為空氣電離的光譜曲線，700~970nm為氬離子體光譜曲線；在圖中可以明顯看出，通過本裝置可以有效生成大量氬等離子體，但仍有少量空氣電離。</p><p>　　圖中在700~970nm的范圍內有多個波峰，顯示出電壓、頻率不穩(wěn)定導致放電不穩(wěn)定，同時電極結構的精度低產生電弧也會影響光譜結果。同時420~510nm的光譜顯示出了裝置氣密性不好電離過程

79、中混有少量空氣。</p><p>　　4.2常壓冷等離子對于空白承印物表面處理</p><p>　　在未采用極板引流的情況下，對材料表面進行處理時材料并未出現肉眼可見的變化，噴槍噴口溫度較低，沒有明顯的等離子炬。在這種溫和的等離子體的處理下測量了幾種材料的性能以及結構變化。</p><p>　　圖4.3紙張表面處理測量結果</p><p>　

80、　在未安裝引流極板的情況下，單純使用等離子氣流對紙張表面進行處理。處理前紙張與水接觸角經測量為67.61°；處理后由于紙張親水性過強液滴被直接吸入紙張，無法進行接觸角測量。在CCD電子顯微鏡下可以看到紙張表面填料被破壞，纖維結構更加明顯，紙張表面更加疏松。</p><p>　　圖4.4 PET薄膜表面處理結果</p><p>　　在對PET薄膜處理中，其與水的接觸角也發(fā)生了明顯變

81、化，處理10S后親水性明顯提高，接觸角由56.23°降至36.87°，處理20S以及60S的效果區(qū)別不大均為49°左右，但是親水性有一定程度的降低。同時，在CCD下處理后的PET薄膜與處理前的表面形貌沒有發(fā)生改變，證明等離子體對被處理材質有著明顯的活化作用。</p><p>　　圖4.5 硅油涂層薄膜處理結果</p><p>　　對覆蓋有硅油涂層的塑料薄膜進行

82、處理，其接觸角由97.03°降為67.77°，并且處理時間加長后處理效果不變。</p><p>　　以上實驗證明氬等離子體對于材料有著明顯的表面活化作用，經過短時間的處理后就產生了明顯的活化效果。</p><p>　　圖4.6 對普通色塊處理結果</p><p>　　當對于普通打印色塊進行處理時，由于未經極板引流生成等離子炬，等離子體在噴口含量較

83、低，經長時間處理效果仍不明顯。</p><p>　　4.3經極板引流后等離子炬對印刷品表面處理</p><p>　　安裝極板后由于加工精度原因，對于引流出的等離子炬的的放電狀態(tài)以及溫度控制較困難，所以選用墨層較厚的絲網印刷品進行處理。</p><p>　　圖4.7絲網色塊處理</p><p>　　如圖的處理結果，經處理后的絲網印刷墨層有一定程

84、度的去除，處理效果較為明顯。</p><p>　　由于電極加工精度不高，處理過程中大量發(fā)生不穩(wěn)定的弧光放電，且等離子體溫度過高，圖中處理后的氣泡顯示油墨有融化、沸騰、蒸發(fā)的痕跡，墨層厚度有明顯減少，部分油墨被蒸發(fā)去除；但同時紙張纖維有明顯的燒灼痕跡。</p><p>　　5 實驗裝置及工藝方案的改進意見</p><p><b>　　5.1電極結構優(yōu)化<

85、;/b></p><p>　　由于電極結構采用醫(yī)用不銹鋼針，其表面鍍有涂層，以及導電性導致放電效果不佳，可選用定制銅管作為針電極，同時切割銅管作為環(huán)電極。銅管作為針電極時可打磨成平頭，同時與介質管緊密貼合，這樣可以保證電極的同心度，確保氣流穩(wěn)定，同時也便于引流極板安裝。</p><p>　　5.2噴槍零件的可更換設計</p><p>　　由于經過放電后，針電極

86、容易受熱變形，而介質管也容易變脆破裂從而影響實驗效果，在保證同軸心、氣密性以及導電性的前提下可設計可更換介質管、針電極以及環(huán)電極的零件結構；甚至可以更換零件規(guī)格大小以實現更好的放電效果。</p><p>　　5.3可調節(jié)結構的自由度以及調節(jié)精度優(yōu)化設計</p><p>　　增加可調結構的自由度，可安裝套筒等部件確保玻璃管以及環(huán)電極位置調節(jié)的穩(wěn)定性，在升降臺添加齒輪齒條機構以及標尺，可以增加

87、其可操作性。加裝XYZ位移臺調節(jié)引流極板位置可進一步避免弧光放電以及不均勻放電，更好的控制溫度避免灼傷待處理表面。</p><p><b>　　結 論</b></p><p>　　常壓冷等離子技術在許多方面應用十分廣泛，其在印刷領域的應用具有良好的前景。根據常壓冷等離子的放電形式、工作氣體等特征，根據印刷品表面處理的溫度處理精度的要求設計工藝方案、確定裝置結構；并制

88、作出實驗裝置，在實驗中優(yōu)化裝置結構以及參數，實現了常壓冷等離子體的生成，并通過實驗探究了常壓冷等離子體對于承印物表面的影響、以及通過該技術實現直接脫墨的可能性。</p><p>　?。?）通過設計制作了三種不同結構的介質阻擋放電形式的等離子噴槍，實現了穩(wěn)定的介質阻擋放電。</p><p>　?。?）通過引流極板等輔助裝置實現了等離子炬的生成。</p><p>　　（

89、3）制作箱體并連接氣路管線，搭建了完整的具有一定可調節(jié)性的可進行表面處理實驗的冷等離子體發(fā)生裝置。</p><p>　?。?）通過示波器、萬用表以及光纖光譜儀檢測了高頻高壓電源以及等離子炬的參數及光譜，結果顯示裝置能夠持續(xù)產生密集的有一定純度等離子氣體，參數較為穩(wěn)定。</p><p>　?。?）進行了一系列的表面處理實驗以及被測樣品性能的測試，探究了等離子體對于承印物以及承印物表面油墨的影

90、響。常壓冷等離子體對與承印物表面有著明顯的活化作用，有一定的物理刻蝕現象；經過處理后的樣品親水性明顯提高。被處理的油墨有著一定的蒸發(fā)現象，油墨有著一定程度的去除；但溫度的控制難度較高，易燒灼紙張。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 孟慧慧. 辦公廢紙和廢雜志紙的脫墨研究[D].北京：北京工商大學，2010，5</p>

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100、<p>　　大學四年光陰轉瞬即逝，在這最后幾個月的時間里，通過劉壯老師的細心指導，以及我們同組的同學王文治、袁燕、陳翠英、齊勃文、馮秀萍、白曉紅、張嘉玲、趙云瑩、劉曉雯以及其他同學的幫助下，完成了這次畢業(yè)設計。</p><p>　　在整個畢業(yè)設計的實驗工作過程中，劉壯老師對我們不斷的提出了更高的的要求，當我在實驗過程中遇到困難時，又和我們共同探討，共同進行實驗，給予我們建議，讓我們在整個畢業(yè)設計過程中收