一种循环水控温大面积水网电极DBD材料表面改性装置

一种循环水控温大面积水网电极dbd材料表面改性装置
技术领域
1.本发明属于材料表面改性领域，涉及一种循环水控温大面积水网电极dbd材料表面改性装置。


背景技术：

2.大气压低温等离子体是一种利用气体放电在敞开大气压条件下产生的非平衡态等离子体，具有较高的化学活性和接近室温的气体温度，已经作为一种新型的分子活化手段，被应用于改性、杀菌、医疗器械等诸多领域中。大气压下空气中电晕、电弧、辉光都能产生等离子体，但电晕放电太弱因而处理效率低；电弧放电太强将损坏试品；辉光放电才是最适合进行物品表面均匀处理的一种放电方式。
3.材料表面改性是大气压低温等离子体科研探索和实践应用的重要方向。研究表明，低温等离子体能够在温和的环境中产生，其中包含大量电子、离子、激发态粒子等高能量高化学活性物质，这些活性粒子直接作用于材料表面，在材料表面纳米至微米尺度内发生物理刻蚀、化学改性、表面交联等复杂的物理化学作用，能够在不影响材料基本结构的情况下改变材料表面的物理形貌和化学成分，改善材料表面疏水性、介电性能及抗腐蚀性等表面特性，从而实现定向所需表面性质以满足实际应用需求。而且，通过控制电极结构、电源类型、气体媒质以及放电的功率和时间等条件，可以实现低温等离子体表面处理效果的灵活控制，适应不同材料表面改性的不同需求，提高材料改性的效果。因此，将大气压低温等离子体应用于材料表面改性是一种可行的技术途径。
4.合理的反应器设计是提升活性粒子产生和运输效率的关键，也是等离子体表面改性的前提。根据放电原理的不同，常见的反应器可分为介质阻挡放电型和射流放电型反应器两类。dbd通过在金属电极间插入阻挡介质的方式来避免电弧放电从而产生大面积的低温等离子体；射流放电则利用气流和电场的共同作用，将放电区域电离产生的活性粒子输送至敞开区域，有效地分离放电区域和待处理区域。为了对大面积材料进行改性，基于dbd易于产生大面积等离子体的优势，优选通过dbd产生功率密度适中的大气压下均匀辉光放电产生的等离子体。但大面积电极不是简单的面积扩大，还存在放电均匀性与材料处理均匀性的变化问题。
5.目前大面积dbd电极可以实现在大气压氛围下进行等离子体处理，有效放电面积可达到60%-70%左右，相比于传统的等离子体dbd改性，具有处理面积大，适用于工业化生产的优点，但相对处理效率不高，有效面积不够大。移动平台型dbd可解决处理有效面积不够大的问题，但存在接线复杂，外供设备多的情况，且大多数大面积电极等离子体处理方法需要的工作气体流速较高，间隙调节范围较小，且由于在长时间运行时会出现装置温度升高，电介质可能存在产生裂痕的情况。


技术实现要素：

6.1.所要解决的技术问题：
目前大面积dbd电极相对处理效率不高，存在接线复杂，外供设备多的情况，需要的工作气体流速较高，间隙调节范围较小，且由于在长时间运行时会出现装置温度升高，电介质可能存在产生裂痕等情况。
7.2.技术方案：为了解决以上问题，本发明提供了一种循环水控温大面积水网电极dbd材料表面改性装置，包括高压电极和地电极，所述高压电极通过高压接线端和激励源连接，地电极通过地电极接线端接地，所述高压电极和地电极固定于真空腔内，所述高压电极为水网电极，所述水网电极下方固定有介质侧，所述介质侧下方为地电极，所述地电极和水网电极中心对齐，等离子放电区域在介质侧和地电极的间隙之间，工作气体和媒质通过气管进入到所述等离子放电区，所述真空腔上设有走水口，所述走水口包括注水口和出水口，所述注水口通过水管用于给水网电极进行注水，所述出水口通过水管排出水网电极内水溶液。
8.所述水网电极四周设有密封圈，每边的密封圈设有均匀分布螺丝对应位置的螺纹孔，其中，水在四个角处必须布置螺丝，在所述密封圈上下两面相同位置开槽，第一硅橡胶密封条和第二硅橡胶密封条分别粘合固定在上下槽内。
9.所述水网电极的每一边都设有一个螺孔垫条，所述螺丝均匀按照中心排布方式在螺孔垫条穿过。
10.注水框整体外框与密封圈内侧正好嵌套，所述注水框包括注水条，所述注水口一侧设置有注水条，所述注水条侧面开有均匀分布的多个喷口，所述喷口对向水网电极，所述出水口设置在注水条后侧，靠近边框位置侧壁，开有穿孔，用来排水。
11.所述走水口是密封圈上侧穿孔，位置与注水框上注水条出水位置相对应。
12.所述水网电极的金属网尺寸略大于地电极，四周边缘包裹绝缘胶带，包裹后大小与地电极相同，且金属网位置在介质侧中心。
13.工作气体装在高压气瓶内，对于气态媒质直接将其和工作气体通过混气腔混合后通入放电区域，对于液态媒质则由工作气体采用鼓泡法通过倒吸瓶和媒质瓶后，再经混气腔混合带入等离子放电区域，都通过流量控制器调节反应媒质和工作气体的配比。
14.还设有进气阀和出气阀，进气阀将所需工作气体和媒质通入等离子放电区，通过出气阀将废气排出，进气阀内接气管转多路气通入进气孔，向等离子放电区通工作气体和媒质。
15.还设有高压探头用于测量放电电压，设有电流线圈用于测量放电电流，设有电容与差分探头测量结果与放电电压、电流结果进行计算得到放电功率，测量出的电压电流波形在示波器中显示，还设有相机通过俯视与侧视角度拍摄放电图像，设有真空压力计用于反应真空腔内部气压。
16.所述注水口和水阀接口的进水阀连接，所述出水口和水阀接口的出水阀连接。
17.3.有益效果：与传统大面积dbd材料改性方法相比，本发明结合水电极与固体电极优点设计了一种新型的水网电极应用于dbd反应器结构，并引入了循环水冷系统，有效解决了大面积改性温度提升所带来的放电不稳定与改性效果差等问题。在一分钟内温升＜1 ℃，在连续运行一小时后装置可实现5 ℃以内的温度变化，在循环水冷系统加持下可实现装置放电24 h不停机运行，具有较高的工业化生产应用前景。
附图说明
18.图1是本发明结构示意图。
19.图2是真空腔结构示意图。
20.图3是气路结构示意图。
21.图4是地电极示意图。
22.图5是水网电极结构示意图。
23.附图标记说明：1. 真空腔；101.出气阀；102.进气阀；103. 地电极接线端；104. 高压接线端；105. 水阀接口；1051.第一进水阀；1052.第一出水阀；1053.第二进水阀；1054.第二出水阀；106.真空压力计；107.支撑底座；1071.第一支撑架；1072.第二支撑架；108.外壳底座；2. 水网电极；201.金属网；202.密封圈；2021第一硅橡胶密封条；2022. 第二硅橡胶密封条；203.螺丝；204.螺孔垫条；205.走水口；2051.第一注水口；2052.第一出水口；2053.第二注水口；2054.第二出水口；206.注水框；207.介质侧；208.盖板；209.高压接线柱；3.地电极；4.气路结构；401.第一进气孔；402.第二进气孔；403.第三进气孔；404.第四进气孔；4051. 第一循环水管通孔；4052.第二循环水管通孔；4053.第三循环水管通孔；4054.第四循环水管通孔；406. 地电极固定撑脚；5.激励源；6.高压探头；7.电流线圈；8.测量电容；9.差分探头；10.示波器；11.相机；12.混气腔；13.流量计；14.单向阀；15.防倒吸瓶；16.媒质瓶；17.高压气瓶。
具体实施方式
24.下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
25.如图1所示，一种循环水控温大面积水网电极dbd材料表面改性装置，包括高压电极和地电极3，所述高压电极通过高压接线端104和激励源5连接，地电极3通过地电极接线端103接地，所述高压电极和地电极3固定于真空腔1内，所述高压电极为水网电极2，所述水网电极2下方固定有介质侧207，所述介质侧207下方为地电极3，所述地电极3和水网电极2中心对齐，等离子放电区域在介质侧207和地电极3的间隙之间，工作气体和媒质通过气管进入到所述等离子放电区，所述真空腔1上设有走水口205，所述走水口205包括注水口和出水口，所述注水口通过水管用于给水网电极2进行注水，所述出水口通过水管排出水网电极2内水溶液。
26.在一个实施例中，如图2所示，本发明所涉及的真空腔1外壳由有机玻璃制成，大小为540
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640
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20mm3，结构细节由出气阀101、进气阀102、地电极接线端103、高压接线端104、水阀接口105、真空压力计106、支撑底座107以及外壳底座108组成。
27.该装置通过进气阀102将所需工作气体通入腔室内气路结构4中，阀控可控制进气开关。通过出气阀101将废气排出，可进行废气收集根据产物分析反应过程，阀控可控制出气开关。通过地电极接线端103将装置接地，内部与地电极3底部相连，通过高压接线端104与外部激励源5相连，内部与水网电极2相接输送高压电。
28.在一个实施例中，工作气体装在高压气瓶17内，工作气体拟采用ar惰性气体。对于材料表面改性以憎水改性为例，采用含si媒质，如hmdso和pdms等。对于气态媒质直接将其和工作气体通过混气腔12混合后通入放电区域，对于液态媒质则由工作气体采用鼓泡法通过倒吸瓶15和媒质瓶16后，再经混气腔12混合带入放电区域，通过流量控制器13调节反应
媒质和工作气体的配比，单向阀14用于防止气体倒吸，保证气体单向通入。与传统dbd等离子体材料改性装置相比，本发明可以添加一种或多种媒质实现改性效果可调，且面积更大，实现30
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40 cm的均匀放电进行改性处理。
29.在一个实施例中，水阀接口105由第一进水阀1051与第二进水阀1053，第一出水阀1052与第二1054组成，作用是与水网电极2注水口和出水口相连，外部与循环水系统相接，从而为水网电极提供循环水，阀控可控制水流开关。真空压力计106安装在顶盖上，可以反应真空腔内部气压。
30.在一个实施例中，支撑底座107材质为聚四氟乙烯，由第一支撑架1071与第二支撑架1072组成，其作用是用于支撑气路结构与电极结构，要求大小一致表面平整。外壳底座108由9个大小相同的亚克力圆柱体与底板构成，支撑整体装置。
31.在一个实施例中，如图3所示，气路结构4，主体由有机玻璃制成，整体架在支撑底座107上，由第一进气孔401 、第二进气孔402、第三进气孔403、第三进气孔404、第一循环水管通孔4051、第二循环水管通孔4052、第三循环水管通孔4053、第四循环水管通孔4054和地电极固定撑脚406组成。真空腔进气阀102内接气管转四路气通入第一进气孔401、第二进气孔402、第三进气孔403、第四进气孔404，向放电空间通工作气体。循环水管通过第一循环水管通孔4051和第二循环水管通孔4052为水网电极通入水溶液与引出水溶液，对侧第三循环水管通孔4053与第四循环水管4054作用亦然。地电极固定撑脚406主要作用为将气路结构4固定在支撑底座107上并且将地电极3固定在撑脚内区域以保证与高压电极——水网电极2对齐。气路结构4的主要作用是为放电空间提供均匀进气。
32.此结构可根据工作气体类型判断工作气体与空气重量改变，如工作气体比空气重如ar则选择如图3所示的底部进气顶部出气，如工作气体比空气轻如he则选择顶部进气底部出气。
33.在一个实施例中，如图4所示，地电极3，由铝合金制成，大小为30
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40 cm，厚度为10mm，它的功能是dbd中接地电极，维持等离子体放电。地电极3位置由图3所示固定撑脚406确定，与上部水网电极中心对齐以维持放电均匀性，两电极间隙同放电间隙由有机玻璃制成的长20cm宽2mm的挡条通过控制挡条厚度来调节。
34.在一个实施例中，如图5所示，水网电极2，由金属网201，密封圈202，螺丝203，螺孔垫条204，走水口205、注水框206，介质侧207，盖板208以及高压接线柱209组成。水网电极各部分均可拆卸，由螺丝203将各部分固定为整体。
35.在一个实施例中，金属网201，材质为金属，本例使用不锈钢与钨材质试验放电，尺寸略大于地电极，四周边缘包裹绝缘胶带，防止放电边缘极性较大造成击穿，保证包裹后大小与地电极相同，且金属网位置在介质侧207中心，与地电极3同心对齐。
36.在一个实施例中，金属网201材质为金属，本例使用不锈钢与钨材质试验放电，尺寸略大于地电极，四周边缘包裹绝缘胶带，防止放电边缘极性较大造成击穿，保证包裹后大小与地电极相同，且金属网位置在介质侧207中心，与地电极3同心对齐。
37.在一个实施例中，密封圈202上有螺丝203对应位置螺纹孔，四边各5个均匀分布，在上下两面相同位置开槽，槽宽2 mm，位置在螺纹孔与内边中心，将直径4.5 mm，硬度20-25 n/mm2的第一硅橡胶密封条2021与第二硅橡胶密封条2022分别粘合固定在上下槽内，作用是防止水网电极2漏水。
38.在一个实施例中，螺丝203材质为peek绝缘材料，作用为固定水网电极2主体零件，位置在第一硅橡胶密封条2021与第二硅橡胶密封条2022外侧，在水网电极2的四个角处必须布置螺丝，才能防止电极2漏水。
39.在一个实施例中，螺孔垫条204为黑色电木材质，厚度为3 mm，共四条，短边垫条尺寸为20
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440 mm，长边垫条尺寸为20
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450 mm，螺丝203均匀按照中心排布方式在螺孔垫条204穿过。螺孔垫条204作用为平衡螺丝203在介质侧207上的受力，避免因受力不均造成的玻璃碎裂情况。
40.在一个实施例中，走水口205共四个，分为第一注水口2051与第二注水口2053以及第一出水口2052与第二出水口2054，第一注水口2051与第二注水口2053对水网电极2进行注水，第一出水口2052与第二出水口2054用来排出水网电极内水溶液。走水口205为m5螺纹孔，是密封圈202上侧穿孔，位置与注水框206上注水出水位置相对应。
41.有两种水模式，如装置采用循环水模式，则在走水口205接部件与水管相连，水管通过走水口205与真空腔1上的水阀接口105相连，外接循环水系统以实现循环水冷方式，可以使得放电温度下降以及通过调节水溶液中浓度比例以及溶质种类来调控放电。如不采用循环方案则走水口205接塑料螺丝实现密封完成静置水模式。
42.在一个实施例中，注水框206包括注水条，材质为abs光敏树脂，为绝缘材料。框内面积为30
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40 cm，在走水口205一侧设置注水条，为内径6mm管道，侧面开孔均匀分布的多个内径5mm喷口，用以均匀注水，注水条两端位置与密封圈202上第一注水口2051与第一出水口2053同心对齐，出水口设置在注水条后侧，靠近边框位置侧壁，开内径6mm穿孔，用来排水，位置与密封圈202上走水口2052与2054同心对齐。注水框206整体外框与密封圈202内侧正好嵌套，主要作用是对水网电极2均匀注水以及排水，将金属网201压在介质侧207上。
43.在一个实施例中，介质侧207，材质可选用石英，高硼硅等透明绝缘材质，本例中采用相对介电常数3.7的高硼硅玻璃材质。在四侧边缘螺丝203对应位置开孔，大小为442
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542 mm，厚度为3mm。
44.介质侧207为介质阻挡放电dbd中决定放电的重要一环，关键在于材质以及厚度的选择，决定放电击穿电容大小以及耐压。介质侧207的主要作用是提供dbd中阻挡介质以及承受水网电极2整体重量。由于介质侧厚度过厚会造成放电困难，而厚度较薄时，由于水网电极2内侧需注入3l以上水溶液，整体零件较多，需要考虑承重问题，且螺丝203在紧固水网电极2时要严格控制应力，防止因受力不均造成介质侧207碎裂。
45.在一个实施例中，盖板208材质可选用石英，高硼硅等透明绝缘材质，本例中采用高硼硅玻璃材质。在短边右侧，靠近注水框206内框中心位置开孔以放入高压接线柱209，使其底端贴于金属网上。后采用螺丝垫片以及水密封胶密封防止漏水。盖板208的主要作用是压合水网电极2整体结构，提供高压接线柱209接口。
46.在一个实施例中，高压接线柱209采用金属螺丝材质，本例使用不锈钢304材质，其作用是为水网电极2接入高压，使用平头螺丝，尺寸为m4，平头与内部金属网201相贴，外部通过螺母固定高压线与真空腔1上高压接线端104内部通过高压线相连。
47.在一个实施例中，放电电压通过高压探头6进行测量，放电电流通过电流线圈测量，放电功率通过测量电容8与差分探头9测量结果与放电电压电流结果进行计算得到，示波器10反应测量出的电压电流波形。相机11通过俯视与侧视角度拍摄放电图像，便于装置
放电均匀性分析，便于佐证材料改性均匀性。与传统dbd等离子体改性装置相比，本发明具有实时三维可视化的优势，能够直观的监测不同时间下的放电情况，便于工业现场的参数调控与安全运行本装置的工作流程为：以工作气体为ar，媒质为hmdso，待处理材料为环氧树脂ep举例，目的设置为实现憎水改性。等离子体作用于材料表面的过程包括刻蚀、接枝、沉积作用，其中含硅前驱物的憎水改性主要为沉积作用。采用dbd放电产生大面积等离子体对材料表面进行含硅薄膜沉积。从图中可以看出，当激励源5输出端提供一个幅值6 kv~15 kv、频率0~5 khz的高压脉冲或者高频交流电压时，可以击穿水网电极、介质侧与地电极之间的气体间隙，产生大气压低温等离子体。在产生低温等离子体过程中，在电场驱动下放电区域中的自由电子加速成为激发态电子，引发激发、电离、解离反应，与基态氩原子碰撞，在大面积dbd等离子体中产生大量激发态原子以及离子，对待处理材料表面进行轰击，破坏材料表面化学键。在通入媒质hmdso后，等离子体放电反应主要包含电子碰撞电离、电子离子复合、电荷转移反应、潘宁电离等几个过程，导致不同的反应产物。一方面反应所形成的低极性的含硅基团(ch3)2sio和si(ch3)3等通过聚合形成以聚二甲基硅氧烷pdms为主的高分子链沉积在样品表面，另一方面向被破坏的环氧板表面接枝或交联了一层以si-o-si和si-(ch3)
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官能团为主要成分的薄层。与材料初始基团相比，沉积的官能团本身极性较低，其接枝到样品表面后，能降低样品表面极性，使得样品表面憎水程度提升。hmdso分解形成ch3、(ch3)sio(ch3)2、(ch3)3sio、si(ch3)3等官能团沉积在ep表层，引入了含硅的低极性基团si-o-si和si-(ch3)
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，从而降低了材料的表面能。同时，大面积dbd等离子体改变了样品表面形貌，通过刻蚀与沉积作用使得样品表面粗糙度提升，样品表面憎水含硅基团的引入和粗糙度的提升共同使得环氧板表面极性降低，促进表面水接触角wca增加，从而实现材料表面憎水改性。
48.本发明结合水电极与固体电极优点设计了一种新型的水网电极应用于dbd反应器结构，并引入了循环水冷系统，有效解决了大面积改性温度提升所带来的放电不稳定与改性效果差等问题。在一分钟内温升＜1 ℃，在连续运行一小时后装置可实现5 ℃以内的温度变化，在循环水冷系统加持下可实现装置放电24 h不停机运行，具有较高的工业化生产应用前景。与传统液相改性方法相比，本发明能够实施检测与调控装置温度与溶液浓度，无需繁琐的处理步骤且溶液能循环利用，无废液污染，高效环保。

技术特征：
1.一种循环水控温大面积水网电极dbd材料表面改性装置，包括高压电极和地电极（3），所述高压电极通过高压接线端（104）和激励源（5）连接，地电极（3）通过地电极接线端（103）接地，其特征在于：所述高压电极和地电极（3）固定于真空腔（1）内，所述高压电极为水网电极（2），所述水网电极（2）下方固定有介质侧（207），所述介质侧（207）下方为地电极（3），所述地电极（3）和水网电极（2）中心对齐，等离子放电区域在介质侧（207）和地电极（3）的间隙之间，工作气体和媒质通过气管进入到所述等离子放电区，所述真空腔（1）上设有走水口（205），所述走水口（205）包括注水口和出水口，所述注水口通过水管用于给水网电极（2）进行注水，所述出水口通过水管排出水网电极（2）内水溶液。2.如权利要求1所述的循环水控温大面积水网电极dbd材料表面改性装置，其特征在于：所述水网电极（2）四周设有密封圈（202），每边的密封圈（202）设有均匀分布螺丝（203）对应位置的螺纹孔，其中，水在四个角处必须布置螺丝（203），在所述密封圈（202）上下两面相同位置开槽，第一硅橡胶密封条（2021）和第二硅橡胶密封条（2022）分别粘合固定在上下槽内。3.如权利要求2所述的循环水控温大面积水网电极dbd材料表面改性装置，其特征在于：所述水网电极（2）的每一边都设有一个螺孔垫条（204），所述螺丝（203）均匀按照中心排布方式在螺孔垫条（204）穿过。4.如权利要求2所述的循环水控温大面积水网电极dbd材料表面改性装置，其特征在于：注水框（206）整体外框与密封圈（202）内侧正好嵌套，所述注水框（206）包括注水条，所述注水口一侧设置有注水条，所述注水条侧面开有均匀分布的多个喷口，所述喷口对向水网电极（2），所述出水口设置在注水条后侧，靠近边框位置侧壁，开有穿孔，用来排水。5.如权利要求4所述的循环水控温大面积水网电极dbd材料表面改性装置，其特征在于：所述走水口（205）是密封圈（202）上侧穿孔，位置与注水框（206）上注水条出水位置相对应。6.如权利要求1所述的循环水控温大面积水网电极dbd材料表面改性装置，其特征在于：所述水网电极（2）的金属网（201）尺寸略大于地电极，四周边缘包裹绝缘胶带，包裹后大小与地电极相同，且金属网（201）位置在介质侧（207）中心。7.如权利要求1所述的循环水控温大面积水网电极dbd材料表面改性装置，其特征在于：对于气态媒质直接将其和工作气体通过混气腔（12）混合后通入放电区域，对于液态媒质则由工作气体采用鼓泡法通过倒吸瓶（15）和媒质瓶（16）后，再经混气腔（12）混合带入等离子放电区域，都通过流量控制器（13）调节反应媒质和工作气体的配比。8.如权利要求1所述的循环水控温大面积水网电极dbd材料表面改性装置，其特征在于：还设有进气阀（102）和出气阀（101），进气阀（102）将所需工作气体和媒质通入等离子放电区，通过出气阀（101）将废气排出，进气阀（102）内接气管转多路气通入进气孔，向等离子放电区通工作气体和媒质。9.如权利要求1-8任一项所述的循环水控温大面积水网电极dbd材料表面改性装置，其特征在于：还设有高压探头（6）用于测量放电电压，设有电流线圈（7）用于测量放电电流，设有电容（8）与差分探头（9）测量结果与放电电压、电流结果进行计算得到放电功率，测量出的电压电流波形在示波器（10）中显示，还设有相机（11）通过俯视与侧视角度拍摄放电图像，设有真空压力计（106）用于反应真空腔（1）内部气压。
10.如权利要求1-8任一项所述的循环水控温大面积水网电极dbd材料表面改性装置，其特征在于：所述注水口和水阀接口（105）的进水阀连接，所述出水口和水阀接口（105）的出水阀连接。

技术总结
本发明提供了一种循环水控温大面积水网电极DBD材料表面改性装置，高压电极为水网电极，水网电极下方固定有介质侧，介质侧下方为地电极，地电极和水网电极中心对齐，等离子放电区域在介质侧和地电极的间隙之间，工作气体和媒质通过气管进入到等离子放电区，真空腔上设有走水口，注水口通过水管用于给水网电极进行注水，出水口通过水管排出水网电极内水溶液。本发明有效解决了大面积改性温度提升所带来的放电不稳定与改性效果差等问题。在一分钟内温升＜1℃，在连续运行一小时后装置可实现5℃以内的温度变化，在循环水冷系统加持下可实现装置放电24 h不停机运行，具有较高的工业化生产应用前景。生产应用前景。生产应用前景。


技术研发人员：黄家良 朱玉 郭世佳 方志
受保护的技术使用者：南京工业大学
技术研发日：2023.06.26
技术公布日：2023/8/9