Плазмохимическая установка для модифицирования поверхности листовых материалов

Плазмохимическая установка для модифицирования поверхности листовых материалов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к аппаратурному сопровождению технологических процессов плазмохимического модифицирования поверхности материалов, в частности к модифицированию листовых материалов (листовых носителей ультрадисперсных веществ, полимерных мембран, нетканых материалов типа фильтров Петрянова, бумаги и т.д.).

Модифицирование придает материалам новый комплекс поверхностных свойств.

В настоящее время известны установки для модифицирования поверхностей различных материалов в низкотемпературной плазме тлеющего разряда, в том числе рулонных ([1] RU 2190484, 2002; [2] RU 2016157, 1994), порошкообразных ([3] US 2004149169, 2004; [4] EP 0254424 1988), единичных изделий разной формы и размеров ([5] RU 2070349 1996, [6] RU 1438069, 1994).

Недостатком известных решений является то, что они не позволяют равномерно модифицировать всю поверхность образцов, находящихся в процессе обработки в статических условиях.

Во всех известных установках имеются приспособления, позволяющие перемещать обрабатываемые объекты в процессе обработки, что является необходимым условием равномерного поверхностного модифицирования. Так, в [1, 2] объект (металлическая или диэлектрическая лента) протягивается через зону разряда с помощью лентопротяжного механизма. Порошкообразные объекты [3, 4] обрабатывают в подвижных реакторах (вращение или вибрация). Для равномерной обработки единичных объектов разной формы (кремниевых подложек [5], резинотехнических изделий [6]) в соответствующих установках имеются возможности для вращения изделий.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является устройство ([8] RU 2167136, 2001), которое можно рассматривать в качестве прототипа. Устройство по прототипу (реактор) создано для модифицирования порошков. Недостатком реактора по прототипу является то, что он не позволяет получать равномерного модифицирования всей поверхности листовых образцов, находящихся в процессе обработки в статических условиях.

Для проведения процессов поверхностного модифицирования листовых материалов предлагается установка, общий вид которой представлен на фотографии (см. фиг.1), в которой реализована конструкция реактора, отличающаяся от вышеуказанного решения тем, что она позволяет равномерно обрабатывать листовые образцы, находящиеся в статическом положении в процессе плазмохимической обработки.

Установка состоит из четырех блоков: блока реактора, откачной системы, системы напуска плазмообразующих сред и источника возбуждения разряда. Откачная система имеет основную и байпасную линии. Основными элементами откачной системы являются форвакуумный и турбомолекулярный насосы, ловушки, охлаждаемые жидким азотом, запорные вентили, вентили тонкой регулировки потока напускаемой среды, фильтр тонкого улавливания отходящих продуктов реакций. В систему напуска входят резервуары для неполимеризующихся газов и органических полимеризующихся сред, запорные и регулировочные вентили. В качестве источника питания используют либо высоковольтный трансформатор промышленной частоты (50 Гц), либо источник питания частотой 1 кГц.

На фиг.2 схематически представлен один из вариантов основного блока установки - реактора. Реактор объемом около 100 л представляет собой металлическую вакуумную камеру (1), выполненную в виде вертикального стакана, в верхней части которого находится крышка (2), снабженная фланцем с вакуумным уплотнением (3). Внутри вакуумной камеры находится реакционная емкость объемом около 70 л, выполненная из диэлектрического материала. Реакционная емкость представляет собой вертикальный стакан (4) со съемной верхней частью (5). В центре нижней части реакционной емкости имеется отверстие, которое служит для вакуумирования реакционной емкости и формирования потока плазмообразующей среды. Ввод плазмообразующих сред из системы напуска в реакционную емкость осуществляется через вертикально расположенную диэлектрическую трубку (6) с отверстиями по ее длине. Продолжением трубки является распределитель потока (7), выполненный в данном варианте в виде крестовины, также снабженный отверстиями. Трубка с крестовиной обеспечивает равномерное распределение плазмообразующей среды и служит для формирования однородного по плотности потока плазмообразующей среды через весь объем реакционной емкости. Электроды (8), представляющие собой перфорированные алюминиевые пластины, крепятся на внутренней цилиндрической поверхности реакционной емкости. Токоподвод к ним обеспечивается с помощью контактов, соединенных через герметичные и электроизолированные от корпуса вакуумной камеры токовводы (9) с источником питания тлеющего разряда. Реакционная емкость снабжена системой крепления (10) листовых образцов (11). В одном опыте можно обрабатывать от пяти до семи листовых образцов размером до 200×300 мм. Через патрубок (12) вакуумная камера соединяется с откачной системой. Вакуумная камера снабжена датчиками измерения давления (13). Для визуального и инструментального наблюдения вакуумная камера имеет окно (14).

Процесс проводят в проточном режиме, то есть при постоянном потоке плазмообразующей среды через объем реактора. После загрузки образцов в реакционную емкость (то есть после закрепления их в держателе в стационарном состоянии) систему откачивают до давления около 10^-4 Торр и затем через систему напуска вводят в реакционную емкость плазмообразующую среду. В течение 3-5 мин реакционную емкость "промывают" рабочей газовой средой при давлении 0.5-1 Торр, после чего переключают вакуумирование на байпасную линию и с помощью двух вентилей тонкой регулировки устанавливают требуемые значения давления и скорости потока плазмообразующей среды. После установления заданного давления и скорости потока плазмообразующего газа на электроды подают напряжение и возбуждают тлеющий разряд. В процессе эксперимента параметры разряда (рабочее давление газовой среды и величину разрядного тока) поддерживают постоянными.

В качестве плазмообразующих сред использовали воздух (неполимеризующаяся газовая среда) и тетрафторэтилен (полимеризующаяся среда).

Эффективность (равномерность) обработки листовых образцов в предлагаемом реакторе оценивали двумя методами. Методом ИК-спектроскопии в варианте МНПВО (спектрофотометр Перкин-Эльмер, модель 580) осуществляли качественную оценку эффективности обработки. Для этого анализировали область валентных колебаний карбонильных групп в области 1700 см^-1 в случае обработки воздушной плазмой и область деформационных колебаний C-F связей (700-800 см^-1). Количественную оценку эффективности обработки проводили путем измерения равновесных краевых углов смачивания гониометрическим методом в установке, снабженной горизонтальным микроскопом МГ-1. Точность измерения составляет ±1 град.

Сущность изобретения может быть проиллюстрирована конкретными примерами выполнения, реализованными в вышеописанном устройстве.

В качестве объектов обработки служили образцы полиэтиленовой и полиэтилентерефталатной (лавсановой) пленки размером 200×300 мм, толщиной 150-250 мкм. Одновременно обрабатывали пять листов. Оценивали равномерность обработки двух крайних, наиболее близко расположенных к элекродам, листов и листа, расположенного в центре. Измерения проводили в девяти точках (местах) на каждом листе.

В табл.1 приведены результаты определения равновесных краевых углов смачивания полиэтиленовой пленки этиленгликолем после обработки в сравнительно «мягких» условиях.

Таблица 1
Результаты определения равновесных краевых углов смачивания полиэтиленовой пленки этиленгликолем. Условия обработки в реакторе с двумя электродами: воздушная плазма, давление 7×10-2 Торр, скорость потока 8 см3 (НУ)/мин, ток разряда 30 мА, время обработки 3 мин
	Θо, град.
Крайний левый лист	Центральный лист	Крайний правый лист
Л	Ц	П	Л	Ц	П	Л	Ц	П
Верх	51	53	51	54	54.5	54	50	50	51
Центр	51	51	52	54	54.5	54	50	52	51
Низ	50	53	52	53.5	54	54	51	51	51
Примечания:
1. Равновесный краевой угол смачивания необработанной полиэтиленовой пленки этиленгликолем составляет 76 град.
2. Л - левый край листа, Ц - центр листа, П - правый край листа.

В табл.2 приведены результаты определения равновесных краевых углов смачивания полиэтиленовой пленки этиленгликолем после обработки в сравнительно «жестких» условиях.

Таблица 2
Результаты определения равновесных краевых углов смачивания полиэтиленовой пленки этиленгликолем. Условия обработки в реакторе с двумя электродами: воздушная плазма, давление 8×10-2 Торр, скорость потока 5 см3 (НУ)/мин, ток разряда 50 мА, время обработки 15 мин
	Θo, град.
Крайний левый лист	Центральный лист	Крайний правый лист
Л	Ц	П	Л	Ц	П	Л	Ц	П
Верх	20	20	20	20	20.5	19.5	20	19.5	19.5
Центр	19.5	21.5	21.5	21	21.5	21	20	20	20
Низ	20	19.5	20.5	20	21	20	19.5	19.5	19.5
Примечания:1. Равновесный краевой угол смачивания необработанной полиэтиленовой пленки этиленгликолем составляет 76 град.
2. Л - левый край листа, Ц - центр листа, П - правый край листа.

В табл.3 приведены результаты определения равновесных краевых углов смачивания полиэтиленовой пленки этиленгликолем после обработки при сравнительно «жестких» условиях в реакторе с четырьмя парами электродов, то есть восемью секциями.

Таблица 3
Результаты определения равновесных краевых углов смачивания полиэтиленовой пленки этиленгликолем. Условия обработки в реакционной емкости (реакторе) с четырьмя парами электродов: воздушная плазма, давление 8×10-2 Торр, скорость потока 5 см3 (НУ)/мин, ток разряда 50 мА, время обработки 15 мин
	Θо, град.
Крайний левый лист	Центральный лист	Крайний правый лист
Л	Ц	П	Л	Ц	П	Л	Ц	П
Верх	20	20	20	20	20	19.5	20	20	19.5
Центр	20	20	20	20	20.5	20	20	20	20
Низ	20	20.5	20	20	20	20	19.5	20	20
Примечания:
1. Равновесный краевой угол смачивания необработанной полиэтиленовой пленки этиленгликолем составляет 76 град.
2. Л - левый край листа, Ц - центр листа, П - правый край листа.

Обработка полиэтиленовой пленки в реакционной емкости (реакторе) с тремя парами электродов (т.е. шестью секциями) приводит к результатам, близким к показанным в табл.3.

В табл.4 приведены результаты определения равновесных краевых углов смачивания полиэтилентерефталатной пленки водой после обработки в реакционной емкости с двумя электродами (двумя секциями).

Таблица 4
Результаты определения равновесных краевых углов смачивания полиэтилентерефталатной пленки водой. Условия обработки в реакторе с двумя электродами: воздушная плазма, давление 1×10-1 Торр, скорость потока 4 см3 НУ)/мин, ток разряда 30 мА, время обработки 2 мин
	Θо, град.
Крайний левый лист	Центральный лист	Крайний правый лист
Л	Ц	П	Л	Ц	П	Л	Ц	П
Верх	33	33	33	33.5	33.5	33.5	33	34	33
Центр	33.5	34	33	34	35.5	34	33	34	33.5
Низ	33	33	33	33.5	33.5	34	33	34	33
Примечания:
1. Равновесный краевой угол смачивания необработанной полиэтилентерефталатной пленки водой составляет 67 град.
2. Л - левый край листа, Ц - центр листа, П - правый край листа.

В табл.5 приведены результаты определения равновесных краевых углов смачивания полиэтиленовой пленки этиленгликолем. Пленка обработана в реакторе с двумя парами электродов, в качестве плазмообразующей среды использован тетрафторэтилен.

Таблица 5
Результаты определения равновесных краевых углов смачивания полиэтиленовой пленки водой. Условия обработки в реакторе с двумя парами электродов: плазма в тетрафторэтилене, давление 2×10-1 Торр, скорость потока 3 см3 НУ)/мин, ток разряда 30 мА, время обработки 20 мин
	Θо, град.
Крайний левый лист	Центральный лист	Крайний правый лист
Л	Ц	П	Л	Ц	П	Л	Ц	П
Верх	88	89	88	90	90	90	88	90	89
Центр	90	91	90	90.5	91.5	91	90	91	90
Низ	88	89	90	90	90	90	89	89	89
Примечания:
1. Равновесный краевой угол смачивания необработанной полиэтиленовой пленки водой составляет 79 град.
2. Л - левый край листа, Ц - центр листа, П - правый край листа.

Приведенные примеры показывают, что равномерность обработки не менее пяти листовых образцов при загрузке их в реакционную камеру с двумя электродами и описанной схемой организации потока плазмообразующей среды через реакционную зону составляет 90-92% (соответственно, отклонение от равномерности - 8-10%). Этот показатель является вполне удовлетворительным для решения многих задач модифицирования поверхности листовых материалов. При увеличении числа пар электродов до 3-4 равномерность обработки повышается до 95-96%.

Таким образом, предлагаемая плазмохимическая установка позволяет эффективно обрабатывать поверхность листовых образцов с большой площадью поверхности, находящихся в статических условиях, при относительно большой степени заполнения объема реакционной емкости.

1. Плазмохимическая установка для модифицирования поверхности листовых материалов, содержащая металлическую вакуумную камеру с реакционной емкостью из диэлектрического материала, соединенную с откачной системой, с внутренними электродами и токоподводами к ним, систему подачи плазмообразующей среды через соответствующие отверстия, источник возбуждения тлеющего разряда, отличающаяся тем, что реакционная емкость выполнена в виде вертикального цилиндрического стакана с диэлектрической крышкой, в нижней части которого имеется отверстие для ввода плазмообразующей среды и вакуумирования емкости, ввод плазмообразующей среды производится через вертикально расположенную диэлектрическую трубку с отверстиями по ее длине, оканчивающуюся распределителем потока, также имеющим отверстия, электроды представляют собой перфорированные алюминиевые пластины, расположенные по образующей цилиндрического стакана.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что электроды выполнены в виде одной, двух, трех или четырех пар.