Способ модифицирования поверхности полиэтилена

Способ модифицирования поверхности полиэтилена

Реферат

Изобретение относится к технологии модифицирования (обработки) поверхности полимерных материалов, а именно полиэтилена.

Наиболее близким к предлагаемому является способ модифицирования поверхности полимерных материалов путем обработки в низкотемпературной плазме высокочастотного тлеющего разряда при давлениях среды ниже 100 тор [Патент США №3870610, МПК⁷ B29C 59/14, B29C 59/00, H01J 37/32, D06M 10/02, D06M 10/00, C08F 047/22, 1975 - прототип]. Известный способ обеспечивает увеличение гидрофильности полимерных материалов, в том числе полиэтилена, и увеличивает работу адгезии поверхности. Однако с течением времени (при хранении на воздухе) эффект гидрофилизации ослабевает - модифицированные материалы "стареют".

Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение "старения" - сохранение гидрофильности поверхности полиэтилена, модифицированного в низкотемпературной плазме тлеющего разряда, при дальнейшем хранении на воздухе.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе модифицирования поверхности полимерных материалов, в частности полиэтилена, путем обработки в низкотемпературной плазме высокочастотного тлеющего разряда при пониженном давлении среды в разрядной камере процесс осуществляют в две стадии: на первой стадии плазменную обработку ведут в атмосфере насыщенного водяного пара при давлении 1,0-1,5 кПа в течение 15-20 с и удельной мощности разряда 50-200 Вт/м², а на второй стадии устанавливают давление 10-15 кПа путем напуска в камеру технического воздуха и производят плазменную обработку полиэтилена в течение 2-5 с при удельной мощности разряда 2,0-2,5 кВт/м².

Применение заявляемого способа позволяет получить устойчивую гидрофилизацию поверхности при одновременно высокой степени ее очистки, существенно улучшить адгезионные свойства пленок полиэтилена. За счет высокой и устойчивой адгезии обеспечиваются новые физико-химические свойства полиэтилена. Тем самым создаются условия для успешной реализации процессов металлизации, полимеризации, а также технологических процессов получения композиционных материалов с полимерными наполнителями.

Предлагаемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.

Примеры осуществления способа.

Пример 1. Проводилось модифицирование поверхности образцов пленок полиэтилена толщиной 50 мкм в низкотемпературной плазме высокочастотного тлеющего разряда (на стандартной частоте высокочастотного диапазона f=27,12 МГц). Режимные параметры процесса приведены в табл.1 (здесь P - остаточное давление в разрядной камере, τ - время обработки, p - удельная мощность разряда). Изменение свойств поверхности образцов характеризовали значениями краевых углов θ смачивания дистиллированной водой (бидистиллятом), определяемых гониометрическим способом по стандартной методике. Работу адгезии поверхности образцов W рассчитывали по формуле Дюпре-Юнга: W=σ_ж(1+cosθ). Здесь σ_ж - поверхностное натяжение рабочей жидкости. В каждом цикле измерений угла θ на образец наносились три капли, а результаты усреднялись.

Для получения сравнительных данных модифицирование поверхности тех же образцов материала проводили по способу-прототипу. Результаты экспериментов представлены в табл.1.

Аналогично примеру 1 предлагаемый способ осуществляли в примерах 2-9 при измененных (по отношению к данным табл.1) режимных параметрах процесса. Результаты экспериментов сведены в табл.2-9.

Можно видеть, что по сравнению со способом-прототипом предлагаемый способ позволяет существенно ослабить эффект «старения» пленок. Краевой угол смачивания θ с течением времени хранения на воздухе изменяется (возрастает) очень незначительно. Через 1-2 суток после плазменной обработки значения краевого угла смачивания полностью стабилизируются - достигается устойчивая гидрофилизация поверхности. При реализации процесса по способу-прототипу устойчивая гидрофилизация достигается не ранее чем через 10 суток.

Проведенные дополнительно эксперименты показали, что при изменении режимных параметров вне пределов диапазона, указанных в стадиях, результирующие показатели процесса (краевой угол смачивания θ, работа адгезии поверхности W) ухудшаются.

Таблица 1
Предлагаемый способ (θисх=99°)	Способ-прототип (θисх=99°)
Режимные параметры	Пока-затели	Время хранения на воздухе, сут	Режимные параметры	Показатели	Время хранения на воздухе, сут
0	1	2	3	5	7	10	30	0	1	2	3	5	7	10	30
I стадия:	θ, град	51	52	52	53	53	53	53	53	P≤13,3 кПа,τ=15 с,p=2 кВт/м2	θ, град	48	50	54	55	57	59	64	66
P1=1 кПа,
τ1=15 c,
p1=50 Вт/м2
II стадия:	W·103, Дж/м2	119	118	118	117	117	117	117	117	W·103, Дж/м2	122	120	116	115	112	110	105	102
P2=10 кПа,
τ2=2 с,
p2=2 кВт/м2

Таблица 2
Предлагаемый способ (θисх=99°)	Способ-прототип (θисх=99°)
Режимные параметры	Показа-тели	Время хранения на воздухе, сут	Режимные параметры	Показа-тели	Время хранения на воздухе, сут
0	1	2	3	5	7	10	30	0	1	2	3	5	7	10	30
I стадия:	θ, град	49	51	52	52	52	52	52	52	P≤13,3 кПа,τ=15 с,p=2 кВт/м2	θ, град	48	50	54	55	57	59	64	66
P1=1 кПа,
τ1=15 с,
p1=50 Вт/м2
II стадия:	W·103, Дж/м2	121	119	118	118	118	118	118	118	W·103, Дж/м2	122	120	116	115	112	110	105	102
P2=12 кПа,
τ2=4 с,
p2=2,2 кВт/м2

Таблица 3
Предлагаемый способ (θисх=99°)	Способ-прототип (θисх=99°)
Режимные параметры	Показа-тели	Время хранения на воздухе, сут	Режимные параметры	Показа-тели	Время хранения на воздухе, сут
0	1	2	3	5	7	10	30	0	1	2	3	5	7	10	30
I стадия:	θ, град	49	51	52	52	52	52	52	52	P≤13,3 кПа,τ=15 с,p=2 кВт/м2	θ, град	48	50	54	55	57	59	64	66
P1=1 кПа,
τ1=15 с,
p1=50 Вт/м2
II стадия:	W·103, Дж/м2	121	119	118	118	118	118	118	118	W·103, Дж/м2	122	120	116	115	112	110	105	102
P2=15 кПа,
τ2 =5 с,
p2=2,5 кВт/м2

Таблица 4
Предлагаемый способ (θисх=99°)	Способ-прототип (θисх=99°)
Режимные параметры	Показа-тели	Время хранения на воздухе, сут	Режимные параметры	Показа-тели	Время хранения на воздухе, сут
0	1	2	3	5	7	10	30	0	1	2	3	5	7	10	30
I стадия:	θ, град	50	51	52	52	52	52	52	52	P≤13,3 кПа,τ=15 с,p=2 кВт/м2	θ, град	48	50	54	55	57	59	64	66
P1=1,2 кПа,
τ1=17 с,
p1=100 Вт/м2
II стадия:	W·103, Дж/м2	120	119	118	118	118	118	118	118	W·103, Дж/м2	122	120	116	115	112	110	105	102
P2=10 кПа,
τ2=2 с,
p2=2 кВт/м2

Таблица 5
Предлагаемый способ (θисх=99°)	Способ-прототип (θисх=99°)
Режимные параметры	Показа-тели	Время хранения на воздухе, сут	Режимные параметры	Показа-тели	Время хранения на воздухе, сут
0	1	2	3	5	7	10	30	0	1	2	3	5	7	10	30
I стадия:	θ, град	49	50	51	51	51	51	51	51	P≤13,3 кПа,τ=15 с,p=2 кВт/м2	θ, град	48	50	54	55	57	59	64	66
P1=1,2 кПа,
τ1=17 с,
p1=100 Вт/м2
II стадия:	W·103, Дж/м2	121	120	119	119	119	119	119	119	W·103, Дж/м2	122	120	116	115	112	110	105	102
P2=12 кПа,
τ2=4 с,
p2=2,2 кВт/м2

Таблица 6
Предлагаемый способ (θисх=99°)	Способ-прототип (θисх=99°)
Режимные параметры	Показа-тели	Время хранения на воздухе, сут	Режимные параметры	Показа-тели	Время хранения на воздухе, сут
0	1	2	3	5	7	10	30	0	1	2	3	5	7	10	30
I стадия:	θ, град	49	50	52	52	52	52	52	52	P≤13,3 кПа,τ=15 с,p=2 кВт/м2	θ, град	48	50	54	55	57	59	64	66
P1=1,2 кПа,
τ1=17 с,
p1=100 Вт/м2
II стадия:	W·103, Дж/м2	121	120	118	118	118	118	118	118	W·103, Дж/м2	122	120	116	115	112	110	105	102
P2=15 кПа,
τ2=5 с,
p2=2,5 кВт/м2

Таблица 7
Предлагаемый способ (θисх=99°)	Способ-прототип (θисх=99°)
Режимные параметры	Показа-тели	Время хранения на воздухе, сут	Режимные параметры	Показа-тели	Время хранения на воздухе, сут
0	1	2	3	5	7	10	30	0	1	2	3	5	7	10	30
I стадия:	θ, град	49	50	52	52	52	52	52	52	P≤13,3 кПа,τ=15 с,p=2 кВт/м2	θ, град	48	50	54	55	57	59	64	66
P1=1,5 кПа,
τ1=20 с,
p1=200 Вт/м2
II стадия:	W·103, Дж/м2	121	120	118	118	118	118	118	118	W·103, Дж/м2	122	120	116	115	112	110	105	102
P2=10 кПа,
τ2=2 с,
p2=2 кВт/м2

Таблица 8
Предлагаемый способ (θисх=99°)	Способ-прототип (θисх=99°)
Режимные параметры	Показа-тели	Время хранения на воздухе, сут	Режимные параметры	Показа-тели	Время хранения на воздухе, сут
0	1	2	3	5	7	10	30	0	1	2	3	5	7	10	30
I стадия:	θ, град	48	49	51	51	51	51	51	51	P≤13,3 кПа,τ=15 с,p=2 кВт/м2	θ, град	48	50	54	55	57	59	64	66
P1=1,5 кПа,
τ1=20 с,
p1=200 Вт/м2
II стадия:	W·103, Дж/м2	122	121	119	119	119	119	119	119	W·103, Дж/м2	122	120	116	115	112	110	105	102
P2=12 кПа,
τ2=4 с,
p2=2,2 кВт/м2

Таблица 9
Предлагаемый способ (θисх=99°)	Способ-прототип (θисх=99°)
Режимные параметры	Показа-тели	Время хранения на воздухе, сут	Режимные параметры	Показа-тели	Время хранения на воздухе, сут
0	1	2	3	5	7	10	30	0	1	2	3	5	7	10	30
I стадия:	θ, град	48	50	51	51	51	51	51	51	P≤13,3 кПа,τ=15 с,p=2 кВт/м2	θ, град	48	50	54	55	57	59	64	66
P1=1,5 кПа,
τ1=20 с,
p1=200 Вт/м2
II стадия:	W·103, Дж/м2	122	120	119	119	119	119	119	119	W·103, Дж/м2	122	120	116	115	112	110	105	102
P2= 15 кПа,
τ2=5 с,
p2=2,5 кВт/м2

Способ модифицирования поверхности полиэтилена путем обработки в низкотемпературной плазме высокочастотного тлеющего разряда при пониженном давлении среды в разрядной камере, отличающийся тем, что процесс осуществляют в две стадии: на первой стадии плазменную обработку ведут в атмосфере насыщенного водяного пара при давлении 1,0-1,5 кПа в течение 15-20 с и удельной мощности разряда 50-200 Вт/м², а на второй стадии устанавливают давление 10-15 кПа путем напуска в камеру технического воздуха и производят плазменную обработку в течение 2-5 с при удельной мощности разряда 2,0-2,5 кВт/м².