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等離子體清洗技術分為低氣壓等離子體清洗技術和大氣壓等離子體清洗技術,其中低氣壓放電等離子體清洗技術可根據放電形式的不同分為射頻放電和輝光放電;用于大氣壓放電等離子體清洗技術的氣體放電形式主要有射流等離子體和介質阻擋放電(DBD)兩類清洗技術。

低氣壓放電等離子體清洗技術

在低氣壓條件下,由于氣體密度低,電子、中性粒子幾乎不發生碰撞而損失能量,增加了粒子的平均自由程,活性粒子與污染物結合的概率增大。其中,射頻放電等離子體技術是利用射頻能量產生高頻的交變電磁場,促使氣體激發電離從而形成等離子體。射頻放電等離子體裝置如圖1所示。由于射頻放電的能量高且范圍較大,目前廣泛應用于污染物的清洗與材料表面改性。

低氣壓等離子體裝置示意圖 

輝光放電是在低氣壓下常見的氣體放電形式。通常在低氣壓環境下,通過施加直流高壓或者交流高壓在兩個電極之間形成輝光放電等離子體。在輝光放電等離子體中,電子能量高且密度大,輝光等離子體中含有多種粒子,它們之間發生著復雜的碰撞和能量交換過程。在電場的作用下,電子和離子可以與材料表面的污染物發生反應,從而實現清洗的目的。

大氣壓放電等離子體清洗技術

如上所述,盡管低氣壓條件下能夠有效清洗材料,但通常需要復雜的真空系統,并且對實驗條件的要求較高,顯著增加了成本。相較于真空下清洗,大氣壓等離子體清洗擺脫了真空系統的限制,且能夠產生更多有利于清洗的活性粒子,更適合低成本、高效的在線清洗工藝。大氣壓下的等離子體清洗技術主要分為兩種:大氣壓等離子體射流清洗技術和大氣壓DBD等離子體清洗技術。

(1) 等離子體射流清洗技術

大氣壓等離子體射流通常是通過噴頭產生的,其中噴頭內部連接著高電壓源(例如脈沖源、微波源或射頻源),內部電極與之連接,而外部電極則接地。工作時,高速的工作氣體從中間通入噴頭,通過高壓電離和激發氣體,產生高能量密度的等離子體。隨后,等離子體隨著氣流被噴射出來,形成噴射狀的等離子體射流。大氣壓等離子體射流清洗可進行定點定位清洗,操作簡便,目前廣泛應用在材料表面改性、金屬表面除油污等。

(2) DBD等離子體清洗技術

DBD是一種將絕緣介質插入兩放電電極之間的一種氣體放電形式,在電極之間插入介質可以很好的避免電極之間的氣體被擊穿形成電弧放電或火花放電,是一種較為穩定的放電形式，因此DBD等離子體被廣泛應用在材料改性、合成臭氧、生物醫學、揮發性有機污染物降解等方面。相比于其他放電等離子體技術,DBD由于具有結構簡單、放電條件溫和,并且其放電面積較大,可以有效提升清洗效率,以及操作安全可靠等一系列優點受到國內外研究學者的廣泛關注。