1、 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 ： 指 导 教 师 ： 专 业 班 级 ： 印刷工程 学 号： 学 院 ： 轻工学院 二 XX年 六 月 八 日 哈尔滨商业大 学本科毕业 设计（论文） I 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
2、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 哈尔滨商业大 学本科毕业 设计（论文） II Abstract Research based on plasma direct desi
3、gn 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
4、 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 p
5、ressure 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 mat
6、erial 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 eas
7、y to burn. Keywords: Atmospheric pressure cold plasma; Direct removal of ink; Dielectric barrier discharge ; Argon oxygen plasma哈尔滨商业大 学本科毕业 设计（论文） I 目 录 摘 要 . I Abstract .II 1 绪 论 . 1 1.1课题研究背景 . 1 1.2研究课题的目的意义 . 1 1.3传统脱墨工艺与等离子直接脱墨工艺对比 . 2 1.3.1常压冷等离子体技术的现状 . 2 1.3.2应用常压冷等离子技术直接脱墨的可行性分析 . 3 1.3.3常
8、压等离子脱墨技术相对于传统脱墨技术的优势 . 4 2、常压冷等离子体直接脱墨原理分析 . 5 2.1常压冷等离子体电极结构的选择 . 5 2.2应用于直接脱墨工艺的工作气体的选择 . 6 2.3等离子体直接脱墨工艺方案设计 . 7 3、常压冷等离子体直接脱墨装置设计制作 . 9 3.1实验装置的结构组成 . 9 3.2气路系统组成与连接 . 9 3.3电源以及电路连接 . 10 3.4喷枪电极结构设计、制作及放电现象 . 10 3.4.1实心针电极玻璃管喷枪结构设计、制作及放电现象 . 10 3.4.2滴管空心针电极喷枪结构设计、制作及放电现象 . 12 3.4.3定制硅管空心针电极喷枪结构设
9、计制作及放电现象 . 13 3.4.4引流极板的设计制作及放电现象 . 14 3.5实验箱体结构 . 15 3.6小型实验台组装 . 15 4、常压冷等离子体直接脱墨表面处理实验 . 17 4.1实验装置的参数检测 . 17 4.2常压冷等离子对于空白承印物表面处理 . 18 4.3经极板引流后等离子炬对印刷品表面处理 . 20 5、实验装置及工艺方案的改进意见 . 21 5.1电极结构优化 . 21 5.2喷枪零件的可更换设计 . 21 5.3可调节结构的自由度以及调节精度优化设计 . 21 结 论 . 22 哈尔滨商业大 学本科毕业 设计（论文） II 参考文献 . 23 致 谢 . 24
10、 附 录 . 25 哈尔滨商业大 学本科毕业 设计（论文） 1 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
11、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
12、，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
13、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，以及对纸张的影哈尔滨商业大 学本科毕业 设计（论文） 2 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
14、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
15、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
16、，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 来清洗硅哈尔滨商业大 学本科毕业 设计（论文） 3 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
17、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
18、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
19、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
20、胶印印刷品，油墨哈尔滨商业大 学本科毕业 设计（论文） 4 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
21、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
22、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。 哈尔滨商业大 学本科毕业 设计（论文） 5 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
23、 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
24、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
25、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。
