Физико-химическая модель взаимодействия ВЧ-плазмы пониженного давления с меховым полуфабрикатом

УПРАВЛЕНИЕ, ИНФОРМАТИКА И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

УДК 67502:533.9

И. Ш. Абдуллин, А. П. Кирпичников, Ф. С. Шарифуллин

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВЧ-ПЛАЗМЫ ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ С МЕХОВЫМ ПОЛУФАБРИКАТОМ

Ключевые слова: ВЧ-плазма, меховой полуфабрикат, плотность ионного тока, энергия ионов.

В статье приведены результаты исследований процессов взаимодействия ВЧ-плазмы пониженного давления с меховыми материалами. Исходя из анализа эффективности элементарных процессов взаимодействия, установлен физический механизм воздействия ВЧ-плазмы пониженного давления и вид частиц, вносящих наиболее существенный вклад в модификацию поверхности меха.

Keywords: RF plasma, a fur semifinished product, density of an ionic current, energy of ions.

In article results of researches of processes of interaction RF plasma of low pressure with fur materials are resulted. Proceeding from the analysis of efficiency of elementary processes of interaction, the physical mechanism of influence RF plasma of low pressure and a kind of the particles bringing the most essential contribution to updating of a surface is established

Характеристиками мехового полуфабриката, определяющими качество выделки, являются его физико-механические свойства, такие как, гидрофиль-ность, степень обводнения кожевой ткани, прочность волоса на разрыв, прочность кожевой ткани на разрыв, температура сваривания, показатель осветления. Из результатов, представленных в работах [1-3], следует, что ВЧ-плазма пониженного давления позволяет проводить комплексную обработку как волосяного покрова, так и кожевой ткани меха на различных стадиях производства меха, что позволяет повысить эффективность производства и получить меховую продукцию с регулируемыми эксплуатационными характеристиками.

Однако, результаты экспериментальных исследований показали также, что плазменная обработка может изменять свойства мехового полуфабриката как в сторону повышения, так и уменьшения показателей. Так, например, применение плазменной обработки перед процессом пикелевания приводит к снижению физико-механических характеристик мехового полуфабриката (прочность волоса на разрыв снижается на 3%, прочность кожевой ткани на разрыв уменьшается на 5%, температура сваривания уменьшается на 2%). Поэтому в процессе обработки партий мехового полуфабриката важно сохранить стабильность параметров плазменного воздействия, что требует автоматизации контроля режима процесса обработки.

При плазменной обработке происходит взаимодействие мехового полуфабриката с активными и неактивными частицами плазмы, имеющими высокую кинетическую и/или потенциальную энергию. Различают физическое и химическое взаимодействия частиц.

При физическом взаимодействии в момент соударении с поверхностью материала частицы передают избыточную кинетическую и потенциальную энергию поверхностным атомам материала. Это приводит к десорбции атомов и молекул с поверхности, распылению и испарению частиц материала, изменению струк-

туры и фазового состояния. В частности, при взаимодействии с плазмой мехового полуфабриката возможны разрыв внутри и межмолекулярных связей, конформационные изменения поверхностных молекул белка, изменение аморфнокристаллической структуры.

При химическом взаимодействии активные частицы обладают, помимо кинетической энергии, высокой потенциальной энергией, определяемой наличием ненасыщенных химических связей. При взаимодействие таких частиц с обрабатываемым материалом формируются химические соединения.

Результат плазменной обработки, как правило, обусловлен одновременным воздействием на материал различных факторов и определяется параметрами создаваемой плазмы. Полностью разделить физическое и химическое взаимодействия, указав какой-либо один процесс, отвечающий за эффект плазменного воздействия, невозможно. Однако, всегда можно выделить преимущественный механизм, определяющий эффективность того или иного вида взаимодействия в реальных процессах плазменной обработки.

Химическое плазменное взаимодействие обычно осуществляется при использовании активных газов, например СН4, С2Р4, СС14, О2, N2 и органических веществ.

Основной механизм взаимодействия и вид частиц, вносящих наиболее существенный вклад в модификацию поверхности, определяется как свойствами низкотемпературной плазмы, так и зарядовым состоянием поверхности обрабатываемого материала.

Меховой полуфабрикат, помещенный в ВЧ-плазму пониженного давления, как и любое другой материал в плазме заряжается отрицательно [4], и у его поверхности создается двойной электрический слой (дебаевский слой) толщиной Х^—Ю-5 м. Причиной образования дебаевского слоя является разность подвижностей электронов и ионов. Образец при

этом приобретает постоянный плавающий потенциал фП относительно плазмы, который составляет от -18 до -24 В.

Помимо двойного электрического слоя, в высокочастотной плазме пониженного давления, вследствие значительной амплитуды колебаний электронного газа (~10 м) в ВЧ-электрическом поле, у поверхности образца возникает слой положительного заряда (СПЗ) толщиной до 2 мм. СПЗ обладает свойствами диода в отношении плазменного тока. Выпрямление переменного электрического поля в СПЗ приводит к увеличению потенциала образца до 70-100 эВ [4].

Физическое воздействие плазмы осуществляется посредством следующих элементарных процессов [5, 6]:

- бомбардировка материала ионами и нейтральными атомами и молекулами плазмообразующих газов;

- рекомбинация заряженных частиц;

- бомбардировка материала электронами плазмы;

- дезактивация возбужденных атомов инертного газа;

- воздействие теплового потока на материал;

- воздействие различных видов излучения.

Показатели эффективности основных элементарных процессов взаимодействия ВЧ-плазмы пониженного давления с поверхностью материалов приведены в табл. 1 [4].

Таблица 1 - Эффективность процессов взаимодействия ВЧ плазмы пониженного давления с мате-

Из таблицы 1 видно, что наибольший вклад в модификацию мехового полуфабриката при обработке их ВЧ-плазмой пониженного давления могут вносить следующие процессы: передача кинетической энергии,

приобретенной ионами в СПЗ, рекомбинация ионов, тепловой поток. Температура образцов в ВЧ плазме в режимах, в которых происходит обработка меховых материалов, не превышает 50°С [4], поэтому термическим воздействием можно пренебречь.

Исходя из анализа эффективности элементарных процессов взаимодействия, физический механизм воздействия ВЧ-плазмы пониженного давления на меховые материалы заключается в следующем.

Положительные ионы плазмообразующего газа ускоряются в СПЗ (частью которого является дебаевский слоя [4]) и приобретают энергию от 70 до 100 эВ. Попадая на поверхность мехового полуфабриката, ионы плазмообразующего газа передают свою кинетическую энергию поверхностным атомам материала. Кроме того, при столкновении иона с поверхностью возможна его рекомбинация с выделением соответствующей энергии. Совместное воздействие кинетической и потенциальной энергии иона плазмообразующего газа приводят к модификации поверхности: десорбции загрязнений, расплавлению, микронеровностей, распылению и испарению частиц материала, разрыву внутри- и межмо-лекулярных связей, изменению конформации молекул. Это ведет к очистке и активации поверхности, изменению аморфно-кристаллической структуры, результатом чего являются описанные в предыдущих главах изменения технологических и эксплуатационных характеристик мехового полуфабриката.

Плотность ионного тока на поверхность мехового полуфабриката в процессе ВЧ-плазменной обработки составляет 0,3-0,9 А/м2 [4], что соответствует плотности ионного потока 2-6 ион/(нм2-с). Типичные времена релаксации атомных состояний составляют порядка 10-13 с. Это означает, что эффект кумуляции воздействия ионов на поверхность отсутствует.

При бомбардировке поверхности мехового полуфабриката низкоэнергетичными ионам аргона и заряженными частицами, возникшими при диссоциации молекул антистатика, могут возникнуть следующие эффекты:

1) рекомбинация положительных заряженного иона с электроном, находящимся на поверхности мехового полуфабриката; при этом выделяется энергия, затраченная на ионизацию атома в плазме (для аргона 15,76 эВ) и образуется быстрый атом (молекула) соответствующей частицы;

2) рекомбинация положительных заряженного иона с электроном, эмитированным с поверхности мехового полуфабриката под влиянием электрического поля иона; в результате также образуется быстрый атом (молекула) соответствующей частицы, молекула коллагена или кератина ионизируется;

3) передача атомам молекулярной цепи коллагена или кератина на поверхности мехового полуфабриката кинетической энергии иона.

Оценим возможности протекания элементарных процессов взаимодействия положительно

риалами

Процессы взаимодейст- вия Плотность потока мощности, Вт/м2 Вывод

Фактически Необходимо для модификации

Кинетический -10'1 0 -С* 1 0 СП Недоста-

удар атомами точно

Гашение энер- 102-103 0 со 1 0 -С* Возмож-

гии возбужден- но

ных частиц

Кинетический 2-102^103 >102 Воздей-

удар ионами ствует

(ионная бом-

бардировка)

Кинетический ~10'1^101 0 -С* 1 0 СП Недоста-

удар электрона точно

Рекомбинация 5-(10-102) >3-5 Воздей-

ионов ствует

Термический 5-(103-105) ~104 Воздей-

поток ствует

Электрическое 5-(10'4-И0'5) ~105 Недоста-

поле точно

Световое излу- 2,5-(10'2-10'3) -10'1 Недоста-

чение точно

заряженного иона аргона с поверхностью мехового полуфабриката.

1) Рекомбинация иона на поверхности образца. Скорость подлета к поверхности иона Аг+, обладающего энергией 70-100 эВ составляет VI = (6- 7) Ч105 м/с, характерное время рекомбинации

ионов составляет ^ = ю-12 - 10-10 с. За время t^ ион

7 5

пролетит расстояние = viti равное 6-10 - 7-10 м,

или 0,6-70 мкм. Для того, чтобы произошел акт рекомбинации ион должен приблизиться к поверхности на расстояние меньше дебаевского радиуса, который в ВЧ плазме пониженного давления составляет —10-5-10-4 м. Таким образом, рекомбинация ионов с электронами на поверхности образца происходит, вероятнее всего, при подлете его к поверхности.

2) Эмиссия электрона в результате воздействия электрического поля, индуцированного подлетающим ионом. Эмиссия электронов в поверхности диэлектрика происходит при напряженности электрического поля (0,2-1,2)-10 В/м. Такую напряженность однократно заряженный ион создает в вакууме на расстоянии 3-7 мм. В плазме электрическое поле иона компенсируется полем СПЗ, толщина которого, в зависимости от режима обработки, составляет 0,5-2 мм.

Учитывая, что время эмиссии составляет порядка 10-8 с, и сделанные выше оценки скорости ионов, находим, что процесс рекомбинации иона Аг+ с электроном, эмитированным с поверхности образца мехового полуфабриката, весьма вероятен. Поэтому, вероятнее всего, ионы Аг рекомбинируют на подлете к поверхности образца, и с поверхностью взаимодействуют «быстрые» атомы Аг, обладающие кинетической энергией 70-100 эВ.

Представленная модель описывает взаимодействие ионного потока, генерируемого ВЧ плазмой пониженного давления, приближенно, на качественном уровне. Для того, чтобы понять как именно взаимодействует поток низкоэнергетичных ионов с поверхностью мехового полуфабриката, необходимо провести более точные количественные оценки с помощью математической модели.

Литература

1. Сагдеев М.Н Изучение воздействия высокочастотной плазмы индукционного разряда пониженного давления и антистатика ЦПХ на трибоэлектрические свойства волосяного покрова меховой овчины / И.Ш. Абдуллин, Ф.С. Шарифуллин, А.П.Кирпичников, М.Н. Сагдеев // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2009. - №5.- С.18-21.

2. Шарифуллин Ф.С. Разработка метода получения мехового полуфабриката, обладающего антистатическими свойствами / Ф.С. Шарифуллин // Кожевенно-обувная промышленность. - 2010. - №3. - С.36-37.

3. Вознесенский Э.Ф. Структурные аспекты модификации

натурального кератинсодержащего материала в плазме ВЧ разряда пониженного давления / Э.Ф. Вознесенский, Ф.С. Шарифуллин [и др.] // Вестник Казан. технол. унта. - 2009, №5. - С.426-429.

4. Абдуллин И.Ш., Желтухин В.С., Кашапов Н.Ф. Высокочастотная плазменно-струйная обработка материалов при пониженных давлениях. Теория и практика применения. - Казань: Изд-во Казанского ун-та. 2000. - 348 с.

5. Войценя В.С., Гужова С.К., Титов В.И. Воздействие низкотемпературной плазмы и электромагнитного излучения на материалы. - М.: Энергоатомиздат, 1984. -224 с.

6. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. Физическое распыление одноэлементных твердых тел. -М.: Мир, 1984. - 336с.

© И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., проректор по научной работе КНИТУ, зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, abdullin_i@kstu.ru; А. П. Кирпичников - д-р физ.-мат. наук, проф., зав. каф. интеллектуальных систем и управления информационными ресурсами КНИТУ, isuir@kstu.ru; Ф. С. Шарифуллин - д-р техн. наук, доц. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, sharifullin80@mail.ru.

i5i