《Applied Surface Science》：Internal surface decontamination of metal pipes using in situ flexible atmospheric pressure plasma cleaning
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柔性大气压等离子体喷射器用于金属管道内壁硅油污染清洁，通过实验与模拟优化电压、气体流量等参数，水接触角从亲水（20°、17°）显著降低至亲油（100°、95°），证实其高效环保特性，为复杂管道清洁提供新方法
陶旺 | 王鑫 | 张鹏 | 慕杰凯 | 李萌 | 史丽萍 | 雷思贤
安徽工业大学机械工程学院，马鞍山 243032，中国
摘要
金属管道内表面的污染会显著影响流体输送系统的运行效率和安全性。本研究探讨了使用柔性直角大气压等离子体喷射技术对铝（Al）和铜（Cu）管道内表面进行原位去污的应用。污染通过二甲基硅油进行模拟，清洁效果通过水接触角（WCA）测量、金相显微镜观察、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）进行分析。数值模拟和实验结果表明，包括激励电压、气体流量、处理时间、喷嘴距离和扫描速度在内的参数对清洁性能有显著影响。在最佳清洁条件下，受污染金属管道内表面的水接触角降低，表明从疏水性（WCA约100°和约95°）转变为亲水性（WCA约20°和约17°）。静态和动态处理方式均能有效去除硅油残留物并降低表面硅含量。清洁机制涉及物理效应和化学反应的结合。本研究验证了柔性大气压等离子体喷射技术用于金属管道内表面清洁的可行性，为传统清洁方法提供了一种绿色、高效且适应性强的替代方案，同时扩展了等离子体技术在管道内表面清洁中的应用范围。
引言
随着现代工业和医疗技术的快速发展，作为流体输送、生物医学干预和石化生产关键基础设施的管道系统，由于其内表面特性，对系统的可靠性、安全性和使用寿命产生了重要影响[1]、[2]、[3]。在长期运行过程中，管道内表面会面临污染问题，例如工业排气管中的碳沉积物、污水管道中的生物膜以及食品加工管道中的油脂残留[4]、[5]。这些污染物的积累不仅会降低输送效率，还可能成为微生物的滋生地，因此需要清洁管道内表面。目前，管道清洁主要依赖于化学清洗、激光清洗或机械清洗等方法[6]、[7]、[8]、[9]。然而，化学清洗可能会引入二次污染，而激光清洗和机械清洗难以应用于狭窄和弯曲的管道。因此，探索一种高效、环保且适用于复杂管道结构的清洁技术已成为生物医学应用和管道维护领域的研究热点。
近年来，等离子体技术在材料表面处理、污染物降解和生物杀菌等领域展现出广泛的应用前景，这得益于其低温、高反应性、环保、成本效益高和操作简便等优点[10]、[11]、[12]。等离子体由电子、离子、激发态粒子以及气体电离产生的活性自由基组成，通过粒子轰击和化学反应能够有效去除表面污染物[13]。然而，现有的等离子体技术大多依赖于刚性电极或固定放电装置，难以适应狭窄、弯曲或不规则形状的管道内表面[14]。因此，用柔性材料替代电极和发生器本体以获得大气压柔性等离子体喷射源引起了越来越多的关注[15]、[16]、[17]。这些柔性等离子体源具有可调的喷射形态和高度适应性的结构，能够到达并处理管道内表面而不损坏基材，提供了一种简单有效的管道内处理方法[18]、[19]。在我们之前的工作中，开发了一种柔性大气压冷微等离子体喷射源，并用于修改聚合物管道的内壁，实现了沿管道轴向和周向的均匀亲水化[20]。与传统管道内壁清洁方法相比，等离子体清洗具有非接触操作、无化学废物残留、能耗低以及温和环保等优点[21]、[22]。这使得等离子体技术成为管道内表面清洁领域的一个非常有前景的解决方案。然而，目前关于利用大气压等离子体处理管道内表面的研究主要集中在亲水化改性和薄膜沉积方面，而关于这些内表面清洁和去污的文献相对较少。
本研究将利用我们之前开发的柔性等离子体喷射源[23]，探讨利用大气压等离子体清洁金属管道内表面油污的方法。通过电场模拟和实验研究了不同参数下等离子体的特性及其在清洁金属管道内壁油污方面的有效性。使用二甲基硅油模拟了铝（Al）和铜（Cu）等常用金属管道内表面的自然污染。通过微观形态分析和水接触角测量来表征等离子体处理效果。扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）用于分析等离子体处理前后金属管道内表面的微观结构和化学成分。研究表明，柔性等离子体喷射在去除管道内表面污染方面是有效的，验证了使用大气压等离子体进行管道内清洁的实用性。
实验部分
样品制备
使用铜（Cu）和铝（Al）管道作为待处理的管道，二甲基硅油作为污染物来模拟油污。使用柔性大气压等离子体对长度为30毫米、直径为13毫米的Cu和Al管道进行内表面清洁实验。通过滴注方式将二甲基硅油施加到两种类型管道的内表面上以模拟油污。
仿真分析
如图3(a)所示，等离子体发生器的电场幅度在空间中呈现出明显的发散分布模式。这种电场分布有利于等离子体喷射的形成和扩展，因为电场强度的向外扩散可以有效加速气体电离过程，从而促进等离子体的生成[24]。从图3(b)可以看出，轴向电场幅度发生了变化
结论
本研究证明了使用柔性大气压等离子体喷射清洁金属管道内受污染表面的可行性和有效性。通过电场模拟和实验分析，确定了最佳处理参数：喷嘴距离为6毫米，Al管道的激励电压为12.6千伏，Cu管道的激励电压为11.7千伏，氩气流量为360标准立方厘米每分钟，处理时间分别为18分钟和20分钟。
作者贡献声明
陶旺：撰写——审稿与编辑、资源收集、概念构思。王鑫：撰写——初稿撰写、方法论设计、数据整理。张鹏：撰写——审稿与编辑、可视化处理、软件应用、形式分析。慕杰凯：验证、方法论设计、形式分析。李萌：撰写——审稿与编辑、可视化处理、形式分析。史丽萍：可视化处理、数据收集、概念构思。雷思贤：撰写——审稿与编辑、项目监督、项目管理，
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
作者感谢编辑和审稿人的宝贵意见。本工作得到了国家自然科学基金（51905002）、安徽省优秀青年教师培养项目（YQYB2024015）、安徽省自然科学基金（2008085QE230）、智能装备制造在特殊服务环境下的中国国际合作基地开放项目（ISTC2022KF06）以及学院的支持。
