低温等离子体物理化学基础及其应用_一_

)。
D
可由下式表示 :
D
= (
kT e 1 /2 ) 4 n2 e
生质。作 为 一个 生 物 学 术 语 , 它 是 怎 么 用 到 物 理 上 来的 呢 ? 1879 年 , 英 国物理学家 Crooks 在法拉 第试验 的基 础上发 现 , 真 空放电时 , 放电管里闪光的物质 , 会产生 不断起 伏脉动 的现象 , 好像是有生命 的物质 一样。他 首先 指出 这是 物质 不同 寻常 的 第四形态 [ 1] 。到 20 世纪 初 , 美国的 L angmu ir首先 引入 了等 离 子体 ( plasma ) 这个 名词 , 意思就是生 命的原质 , 由此 , 等离 子体 物理学正式问世。 1. 1 . 1 等离子体的特征 参数 [ 2] 等离子体是由带 负电的 电子和 带正电的 离子组 成的 , 电子 和离子杂乱无章 , 犹如一团电离了的气 体, 因此称之为 电离的气 体。这样 , 等离子体就可以用以下的特征参数来粗略地表征。 ( 1) 电离度 ( 式中 : n i n ) = ni ni + n
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染 ( 2005 N o . 11) 的碰撞而传播开来。
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荷的粒子 , 即负电荷的电子和正电荷的离子。 如果所有组成 物质的 分子 或原 子完 全被 电离 成离 子和 电 子 ( 图 1) , 就改变了原来的形态 , 成为物质的第四种形态 离子体态。 等
等离子体彼此间在距离很远的 情况下 , 仍存 在着长 程库仑 力。因此 , 等离子体在运动过程 中表现出明显的集体行为。 由于等离子体的集体行为 , 因而它可 对外加 的电场 进行屏 蔽。这也就是航天器 在回 落地 球中 , 因 与大 气激 烈摩 擦 , 在外 壳形成火焰等离子体层 , 能使地面的无线 电通讯 与其中 断联系 的缘故。所以这个时段称为 盲段 , 也是 最令人心惊 胆颤的一 段时刻。
式中 : k 为玻耳兹曼常数 , T e、n、e 分别 是电子 的温度、 密度 和电荷。 当两个特定粒子 间的距 离超 过
D
时 , 周围 带电 粒子 的总
体作用会有效地屏蔽这两个粒子 , 使其不产生相互作用。 在一个德拜球中的粒子数 ( N D ), 可由下式计算 : ND = n 4 3 1;
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低温等离子体物理化学基础及其应用 ( 一 )
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染 ( 2005 No. 11)
讲
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低温等离子体物理化学基础及其应用 ( 一 )
裴晋昌
( 上 海市纺织科学研究院 , 上海 200082)
摘
要 : 阐述了等离子体及其基本反应 , 即等离子体的概念 , 包 括等离子 体的特 征参数、 等离 子体种 类和工
收稿日期 : 2005 - 03- 03 作者简介 : 裴晋 昌 ( 1933- ), 男 , 山西太原 市人 , 高级工程 师, 1956 年毕 业于西北纺织工学院 , 原上海市纺织科学研究 院副院长 , 纺织材料 改性 和后加工技术专家 , 我国纺织材料低温等离子体处理技术的奠基人。他 早在 1979 年从事等离子体改性高分 子材料的 研究 , 先后 开发了介 质阻 挡放电方式产生的大气压下等离子体装置 , 试制成功生产规模的低温等 离子体改性兔毛样机和毛条低温等离子体处理设备 ; 并在国内外有关学 术会议和期刊上发表了大量论文。
业用等离子体 ; 放电等离子体的基本过程 , 即辉光放电过程、 介质阻挡 放电 ; 等离子的基 元反应 , 即平 均自由 程及碰撞截面、 能量转移方式、 基 元反应举例和氧等离子的化学反应。在低温等离子体对材料表面的作用方 面 , 对低温等离子体与高分子材料表面的交互作用、 反应性和非 反应性低 温等离子体 的作用、 高分子 材料的 表面改性和涤纶织物表 面改性的测试作了分析和论述。在低温 等离子体 化学聚合和 接枝方面 , 阐述 了低温 等离子体的聚合反应、 接枝反应和对纺织材料的接枝聚 合物反应等 , 重点 介绍低温等 离子体对 羊毛毛 条、 兔 毛纤维以及其它纤维的 改性处理。文章最后还介绍了低温等离子体的诊断法 , 如单探针 诊断法、 双探针诊断 法和 DBD 低温等离子体诊断法。 关键词 : 染整 ; 等离子体 ; 低温 ; 物理化学 ; 应用 中图分类号 : TS190 6 文献标识码 : A 文章编号 : 1000- 4017( 2005) 11- 0039- 04
图 1 由原子电离产生等离子体态过程示意
在等离子体中 , 一个带电粒 子被一些 带相反 电荷的 粒子包 围中和 , 因此 , 它的静电场作用只能 在某个 距离内 , 该距 离即称 为德拜长度 (
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物质在等离子体状态下具 有很高的 能量 , 并且 所有的粒 子 都带电荷。而从宏观 上讲 , 其电荷 为中性 , 即 : n e = n i ( ne为 电 子密度 ; n i 为离子密度 ) , 故得名等离子体。 等离子体由希腊 语 !∀ 而来 , 语音同 plasma , 原意是原
1 等离子体及其基本反应
等离子体是一个 非常 广泛 的概 念 , 包含 的内 容也 很繁 杂。 为了使一般科技工作者对其有个初 步认识 , 本章 主要就 等离子 体的概念 , 及其物理化 学基本过程作简要地介绍。 1. 1 等离子体概念 等离子体是物质的第 四态 , 即 电离 了的 气体 , 它呈 现出 高度激发的不稳定态 , 其中 包括离 子 ( 具有 不同 符号和 电荷 ) 、 电子、 原子和分 子。其 实 , 人们 对等 离子 体现 象并 不生 疏。在 自然界里 , 炽热烁烁的 火焰、 光辉夺 目的闪 电、 以 及绚烂 壮丽的 极光等都是 等离 子 体作 用 的结 果。对 于 整 个宇 宙 来讲 , 几乎 99. 9% 以上的物质都是 以等离子体态存在的 , 如恒星 和行星际 空间等都是由等离 子体 组成 的。用 人工 方法 , 如 核聚 变、 核裂 变、 辉光放电及各种放 电都可产生等离子体。 分子或原子的内 部结 构主 要由 电子 和原 子核 组成。 在通 常情况下 , 即上述 物质 前三种 形态 , 电 子与 核之 间的 关系 比较 固定 , 即电子以不 同的 能级存 在于 核场 的周 围 , 其势 能或 动能 不大。 但是当物质受到外加能量 ( 磁 、 电、 热 ) 作用后 , 原子中 外层电子的势 能 急速 下降 , 最后 脱离 核 场的 束 缚而 逃 逸 到远 处 , 这就是通常 我们所 说的 电离。 此时 , 原 子变 成为 两个 带电
Physicochem ical properties of plas m a and its app lication( I)
PEI Jin - chang ( Shangha iT ex tile R esearch Institute, Shanghai 200082, China ) Abstrac t : Th is paper cove rs the p lasma and the basic react i ons, includ ing the p lasma concep t , such as characte ristic pa ram e te rs , va riet i e s and i ndustrial p l a sm a; the basic process o f d ischarge p l a sm a includ ing e lectric g low d ischa rge and d ie lectric ba rri e r d ischarge ; basic reactions such as ave rage free d istance and co llision section , ene rgy tr ansfe rring way , exam p l es o f e l em en tary reaction . Reactions of low tempe ratu re p l a sm a w ith ma trix su rface include i n te r -react i on o f p lasma w ith su rf ace o f po lym e r m ate ria,l reactive and non-reactive low tem perature p lasma, su rf ace m od ification o f po lym er and po l y este r f ab ric . Po lym e rization and g r a fting o f p l a sm a and the ir app li ca tions to text il es are illustrated a lso , especia ll y the m od ifi ca tion o f woo l top, rabb it ha ir fibe r and o the r fi be rs. F ina ll y, d iagnostic m ethods o f p l a sm a i nc lud ing sing l e and doub l e inspection p robe and DBD low tem perature p lasma are i n troduced . K ey word s : dye ing and fin ish ing; p l a sm a; low tem pera ture ; phys i ca l chem istry; app ly 【 编者按 】等离子体技术自上世 纪 60 年 代引入 到纺织 领域 , 以 其对纺织品 表 面改 性的 物 理过 程 , 以 及干 态 的加 工 方式 等 特 点 , 挑战传统的以水为介质的化学 湿加工 方式 。 在 当今倡导 清 洁生产 、 节约资源的形势下 , 无 需化学品 、 无 需耗用 大量水和 能 源、 无需进行高成本废水处理和对环 境友好 的等离 子体处理 技 术更具吸引力 , 国内外都在加强等离 子体技 术在纺 织领域的 应 用研究 。 为此 , 本刊特 邀原 上海 市纺 织科 学研 究院 副院 长 、 高 级工程师裴晋昌先生 撰写 低温等离 子体物理化 学基础及 其应 用 讲座 , 就低温等离子体的物理 化学过程 、 低温等 离子体对 材 料表面作用机理 、 低温等离子体化学 聚合和 接枝以 及低温等 离 子体的工业应用等作 了较为系统的介绍 , 以 飱读者 。