Вы здесь

Главная / Статьи / Электротермия /

Стабилизация поверхностных свойств полимеров, модифицированных в плазме высокочастотного разряда

15/05/2015 - 23:04
Авторы: 
Ю.П. Юленец, В.В. Стрекалова, А.В. Марков, И.С. Савельева

Воздействие низкотемпературной плазмы позволяет в широких пределах изменять свойства поверхности и тем самым значительно расширяет сферу применения полимеров. Улучшение адгезионных свойств полимеров под воздействием плазмы связано не только с очисткой поверхности от загрязнения, но и с образованием гидрофильных групп различной химической природы, обеспечивающих высокие адгезионные свойства модифицированных материалов.

Среди плазменных методов значительными преимуществами отличается неравновесная плазма высокочастотных (ВЧ) разрядов пониженного давления. Однако, механизм воздействия ВЧ-плазмы на полимеры и соответственно технология ВЧ-плазменных процессов разработаны недостаточно. В настоящей работе сообщается о результатах исследования влияния режимов ВЧ-плазменной обработки на свойства поверхности полимерных материалов.

Объектом исследования служили образцы пленок из полиэтилена высокого давления (ПЭ) и поливинилхлорида (ПВХ). ВЧ-разряд емкостного типа возбуждался в вакуумной камере на частоте f = 27,12 МГц при остаточном давлении среды F = 1000 Па. Исследуемые образцы толщиной 160 мкм (ПЭ) и 250 мкм (ПВХ) размещались между установленными в камере плоскопараллельными электродами. В качестве плазмообразующего газа использовали воздух и водяной пар. Напряжение на электродах Uр контролировали с помощью лампового вольтметра, ток разряда Iр определяли через ВЧ-напряжение на добавочном омическом сопротивлении, мощность разряда Рр находили калориметрическим методом. Изменение свойств поверхности характеризовали значениями краевых углов смачивания θ дистиллированной водой, определяемых в условиях натекания по стандартной методике. Работу адгезии W рассчитывали по формуле Дюпре-Юнга.

Предварительными экспериментами установлено, что ВЧ-плазменная обработка полимеров в атмосфере насыщенного водяного пара обеспечивает больший эффект гидрофилизации поверхности, чем обработка в атмосфере остаточного воздуха. Так, для ПЭ (θисх = 99°) в первом случае (воздух) θ = 54°, а во втором (пары воды) θ = 48°. По всей вероятности, плазменная обработка в атмосфере насыщенного водяного пара позволяет достичь максимальной полярности поверхности пленок. Однако, с течением времени (при хранении на воздухе) эффект гидрофилизации уменьшается – образцы претерпевают «старение».

Механизм «старения» плазмообработанных полимеров обусловлен переориентацией полярных групп с поверхности вглубь образца вследствие термодинамической релаксации. С этой точки зрения эффективным способом ослабления эффекта «старения» может являться тепловая обработка образцов непосредственно в процессе их плазменного модифицирования.

Основным источником нагрева материалов в разрядной камере является теплоперенос из объема плазмообразующего газа. Для изучения влияния температуры на стабильность поверхностных свойств полимеров осуществляли обработку образцов в атмосфере водяного пара в режимах различной интенсивности (при q = var. Здесь q = Рр/S, S – площадь электрода). Температуру образцов измеряли с помощью малоинерционного термистора сразу после выключения разряда. Результаты экспериментов представлены в табл. 1 и 2.

Таблица 1 — Влияние мощности разряда на стабильность свойств поверхности модифицируемого полиэтилена (θисх = 99°): плазмообразующий газ – водяной пар, f = 27,12 МГц, F = 1000 Па, Uр = 160 В, τ = 15 с
q, Вт/м2 Tкон, °С Показатели Время хранения на воздухе, сут
0 1 2 3 5 7 10 30
22 21 θ, град 48 50 54 55 57 59 64 66
W•103, Дж/м2 122 120 116 115 112 110 105 102
400 40 θ, град 49 52 54 56 56 58 61 64
W•103, Дж/м2 119 118 116 114 114 111 108 105
850 60 θ, град 49 50 52 52 52 52 53 53
W•103, Дж/м2 121 120 118 118 118 118 117 117
1000 70 θ, град 48 50 52 52 52 52 52 53
W•103, Дж/м2 122 120 118 118 118 118 118 117
Таблица 2 — Влияние мощности разряда на стабильность свойств поверхности модифицируемого поливинилхлорида (θисх = 88deg;): плазмообразующий газ – водяной пар, f = 27,12 МГц, F = 1000 Па, Uр = 160 В, τ = 25 с
q, Вт/м2 Tкон, °С Показатели Время хранения на воздухе, сут
0 1 2 3 5 7 10 30
16,5 21 θ, град 50 53 55 56 59 65 70 73
W•103, Дж/м2 120 117 115 114 110 104 98 94
330 40 θ, град 49 52 54 54 57 60 64 66
W•103, Дж/м2 121 118 116 116 112 109 105 102
660 60 θ, град 49 50 51 51 53 55 58 58
W•103, Дж/м2 121 120 119 119 117 115 111 111
1000 80 θ, град 49 51 52 53 53 53 54 55
W•103, Дж/м2 121 119 118 117 117 117 116 115

Из приведенных данных следует, что модифицирование в плазме ВЧ-разряда в атмосфере увлаженного воздуха при использовании режимов, обеспечивающих разогрев образцов до температуры порядка 60-80°С, позволяет достичь стабильности поверхностных свойств исследованных полимеров.

При известной (заданной) мощности разряда время достижения требуемой температуры Тmax может быть определено расчетным путем:

1)

Граничные условия к уравнению (1):

2)

Здесь:

T — локальная температура;
x — текущая координата;
aт — коэффициент температуропроводности;
λ — коэффициент теплопроводности полимера;
l — толщина образца;
q — удельный тепловой поток;
τ — время.

Решение уравнения (1) с условиями (2) имеет вид:

3)

Численный расчет времен ВЧ-плазменной обработки по выражению (3) показал удовлетворительное согласие с экспериментом.

Категория: 
Электротермия
  • 1486 просмотров

Добавить комментарий

Похожие материалы