Полировка микродисперсных световозвращающих стеклянных элементов аморфного строения в условиях высокочастотной индукционной плазмы пониженного давления

УДК 666.1:533.9

А. И. Нагмутдинова, И. С. Мифтахов, Э. Ф. Вознесенский, А. В. Николаев

ПОЛИРОВКА МИКРОДИСПЕРСНЫХ СВЕТОВОЗВРАЩАЮЩИХ СТЕКЛЯННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ АМОРФНОГО СТРОЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ИНДУКЦИОННОЙ ПЛАЗМЫ

ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ

Ключевые слова: полировка, ВЧ-разряд, световозвращающие шарики, аморфная структура, шероховатость, атомно-

силовая микроскопия, растровая электронная микроскопия.

В статье представлен обзор плазменных методов модификации современных материалов и изделий, получаемых из аморфного стекла, показана перспективность ВЧИ плазменной обработки в качестве инструмента, влияющего на поверхностные свойства оптических материалов. На основе результатов атомно-силовой микроскопии установлено снижение расчетных значений шероховатости образцов после плазменной обработки более чем в два раза.

Key words: polishing, HF-discharge, retroreflective beads, amorphous structure, roughness, atomic force microscopy, scanning

electron microscopy.

The article presents an overview of methods ofplasma modification of modern materials and products produced from amorphous glass, the promising high-frequency induction plasma processing as a tool for influencing the surface properties of optical materials. Based on the results of atomic force microscopy revealed a decrease in the calculated values of roughness of the samples after plasma treatment more than twice.

Современные тенденции науки и производства диктуют повышенные требования к технологическим процессам и получаемым изделиям. Это повышение качества, создание «умных» материалов с выходящими за рамки обычных свойствами, повышение экологичности производства и возможность безопасной утилизации.

Одним из средств достижения поверхностных эффектов модификации материалов может служить технология обработки низкотемпературной неравновесной плазмой. Так, при обработке веществ происходит бомбардировка поверхности активными частицами плазмы, такими как ионы, электроны, атомы плазмообразующего газа. За счет чего происходит приповерхностная модификация материала, позволяя достичь требуемого эффекта. Данная методика является экологически чистой в виду отсутствия активных химических, биологических веществ и, следовательно, отсутствия сточных вод и выбросов вредных газов. Преимуществом также является краткое время обработки и возможность точного задания параметров для получения желаемых эффектов, широкий спектр обрабатываемых веществ [1].

Так плазменные технологии могут применяться для придания материалам из стекла различных свойств.

Стекла представляют собой аморфные твердые тела, получаемые путем переохлаждения расплава [2]. Стекла не обладают упорядоченной периодической атомной структурой и характеризуются температурным интервалом перехода в стеклообразное состояние.

Строение стекла можно объяснить согласно теории Захариенсена, по которой стекла содержат большую долю катионов, окруженных треугольниками или тетраэдрами, связанных вершинами, из атомов кислорода [3].

К стеклам технического и бытового назначения предъявляют повышенные требования

относительно их твердости, износостойкости, оптическим свойствам и звукопроницаемости.

Требуемые свойства стеклам можно придавать добавлением различных компонентов в процессе изготовления материала на стадии силикатообразования, после которой шихта представляет собой единое целое [4].

Традиционные методы обработки поверхности готового стеклянного изделия для улучшения эксплуатационных параметров и в декоративных целях состоят из химического травления такими кислотами как серная или плавиковая [5-6].

Недостатками данных методов является низкий показатель экологичности процесса, поскольку характеризуется наличием сточных вод, длительностью, тщательной предварительной возможной образцов и

деструкцией ухудшением их

подготовкой, обрабатываемых свойств.

Методы плазменного воздействия на стекла не затрагивают внутреннюю структуру материала, проходят без образования опасных химических отходов. Вариации возможных эффектов под воздействием плазмы достаточно широки.

Так, с применением индукционного разряда, как наиболее подходящего для обработки инертного материала, в работе [7] создавали функциональный микрорельеф на поверхности дифракционных оптических элементов, представляющих собой дифракционные решетки фазового типа.

В работе [8] применяли холодную аргоновую плазму для изменения поверхности стекол. Так, было выявлено, что под плазменным воздействием происходят изменения в химическом строении (перегруппировка силикатной сетки), энергии и морфологии поверхности (образование

микрорельефа поверхности). Также следует

отметить возможность удаления крупных микрометровых шероховатостей с поверхностей производственного стекловолокна с незначительной потерей прочности [9].

Возможность повышения адгезии поверхности стекла без образования микрорельефа может происходить за счет образования химически активных комплексов на поверхности, в том числе и за счет перегруппировки силикатной сети.

Объектами данного исследования являются микростеклошарики (МСШ) размерностью 50-100 мкм, применяемые для дорожной разметки в качестве световозвращателей, соответствующие ГОСТ Р 51256 [10]. Рассмотрена возможность сглаживания поверхности микрошариков под воздействием обработки в разряде низкотемпературной, неравновесной плазмы с плазмообразующим газом Аг.

Технические параметры обработки:

плазмообразующий газ - аргон; расход газа 0Лг=0,04 г/с; сила тока на аноде генераторной лампы /а=2,5А; давление в рабочей камере Р =40-90 Па. МСШ инжектировались в разряд и с потоком плазмообразующего газа проходили через ядро разряда. За срезом плазмотрона обработанные частицы улавливались фильтром-ловушкой. Плазменная обработка проводилась на экспериментальной ВЧИ-плазменной установке, описанной в источнике [11].

Исследование поверхности до и после ВЧИ плазменной обработки проводили при помощи растровой электронной и атомно-силовой микроскопии. Установленный эффект плазменной полировки и заживления микротрещин на поверхности образцов, наглядно проявляется на микрофотографиях, полученных при помощи РЭМ (рис. 1).

д

Рис. 1 - РЭМ-изображение поверхности МСШ: а, г - исходный образец; б, д - после ВЧИ-плазменной модификации

Микроснимки образцов, полученных при помощи атомно-силовой микроскопии до и после ВЧИ плазменной обработки, представлены на

рисунках 2-3. Расчетные значения шероховатости, представлены в таблице 1.

Как видно из полученных РЭМ результатов поверхность исходных шариков покрыта аппретами, загрязнениями и дефектами (рис 1 а). Поверхность опытного образца демонстрирует меньшее наличие загрязнений, механические дефекты сглажены (рисунок 1 б), что также подтверждается АСМ микрофотографиями, при более высоком увеличении и полученными значениями шероховатостей. Таким образом, результаты микроскопии, демонстрируют эффект очистки и полировки поверхности световозвращающих шариков, а так же заживления микротрещин и микронеровностей, за счет опласления поверхностного слоя, что потенциально может способствовать повышению их оптических свойств и улучшению адгезии к полимерному связующему.

Таблица 1 - Параметры шероховатости образца до и после ВЧИ-полировки, нм

Параметр шероховатости Исходный образец Образец после ВЧИ-полировки

Zmax, нм 338,732 187,857

Rz, нм 170,145 92,8459

Ra, нм 17,2589 7,48692

Rms, нм 28,6225 13,8549

Zmax - максимальная высота рельефа; Rz - сумма средних абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и глубин пяти наибольших впадин профиля в пределах базовой длины; Ra - среднее арифметическое из абсолютных значений отклонений профиля; RMS - среднее квадратическое отклонение профиля.

1 1 Jli i i i

JI i

f i i

1 1 1 t i i

i i i i

-I 1 i j i i

Г i J i i j "" Г "

1 1 ' J i i 1 i

1 1 ^НгпМШш......! ,

1

б

Рис. 2 - АСМ-изображение поверхности стекла без НТП обработки

а

г

б

Рис. 3 - АСМ-изображение поверхности МСШ

после ВЧИ-плазменной модификации

Литература

1. Мифтахов И.С. Ионная полировка оптических материалов аморфногостроения в условиях ВЧ-разряда пониженного давления// Вознесенский Э.Ф., Абдуллин И.Ш., Гатауллин Л // Вестник казанского технологического университета - 2014, 23,С. 73-75

2. Гутников, С.И. Стеклянные волокна: уч. пос. для студентов / С.И. Гутников, Б.И. Лазоряк, А.Н. Селезнев, 2010. - М.:МГУ им. М.В. Ломоносова. - 53 с.

3. Шелби, Дж. Структура, свойства и технология стекла / Дж. Шелби; пер. с англ. Е.Ф. Медведева; под ред. А.И. Христофорова, 2006. - М.: Мир. - 287 с.

4. Китайгородский, И.И. Технология стекла / И.И. Китайгородский, Н.Н. Качалов, В.В. Варгин, К.С. Евстропьев и др.; под ред. И.И. Китайгородскогоо, 1961. -М.: Гос. изд. лит-ры по строительству и строительным материалам. - 612 с.

5. Темникова, Н.В. Разработка способов улучшения эксплуатационных характеристик флоат-стекла в процессе непрерывного производства за счет модифицирования поверхности: автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук (05.17.11) / Темнякова Наталия Викторовна; Российский химико-технологический ун-т им. Д.И.Менделеева - Москва, 2009. - 18 с.

6. Эйтель, В. Физическая химия силикатов / В. Эйтель; пер. с англ. А.А. Леонтьевой и др., 1962. - М.: Изд-во Иностранной Литературы. - 1056 с.

7. Одиноков, С. Б. Экспериментальные исследования процесса плазмохимического травления стекла при изготовлении дифракционных и голограммных оптических элементов / С.Б. Одиноков, Г.Р. Сагателян,

A.С. Гончаров, М.С. Ковалев, А.Б. Соломашенко, Н.М. Вереникина // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. - 2012. - No 5. - C. 391-410.

8. Krishnamurthy, V. Argon plasma treatment of glass surfaces / V. Krishnamurthy, Ihab L. Kamel // Journal of Materials Science. - 09.1989. - Vol. 24, N 9. - P. 33453352.

9. Мифтахов И.С. Применение плазмы ВЧ-разряда пониженного давления в процессах полировки оптических материалов поликристаллического строения / Вознесенский Э.Ф., Абдуллин И.Ш., Фадеев А.О., Гатауллин Л.// Вестник технологического университета университета - 2015, 11,С. 144-146

9. ГОСТ Р 53172-2008 Дороги автомобильные общего пользования. Изделия для дорожной разметки. Микростеклошарики. Технические требования; Введ. 30.06.2009. - Москва: Стандартинформ, 2009. - 4 с. 10 Абдуллин, И.Ш. Высокочастотная плазменно-струйная обработка материалов при пониженных давлениях. Теория и практика применения / И.Ш. Абдуллин,

B.С. Желтухин, Н.Ф. Кашапов. - Казань: Изд-во Казан. гос. ун-та, 2000. - 348 с.

© А. И. Нагмутдинова, магистрант каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ,, singarella@mail.ru; И. С. Мифтахов, аспирант той же кафедры, fortmayn@mail.ru; Э. Ф. Вознесенский, д.т.н., профессор той же кафедры, howrip@mail.ru; А. В. Николаев, бакалавр каф. технология химических и натуральных волокон и изделий КНИТУ.

© A. I. Nagmutdinova, Graduate Student of «Plasma-Chemical and Nanotechnology of High-Molecular Materials» Department, Kazan National Research Technological University, singarella@mail.ru; I. S. Miftakhov, Ph.D. Student of «Plasma-Chemical and Nanotechnology of High-Molecular Materials» Department, Kazan National Research Technological University, fortmayn@mail.ru; E. F. Voznesensky, Doctor of Technical Sciences, Professor of «Plasma-Chemical and Nanotechnology of High-Molecular Materials» Department, Kazan National Research Technological University, howrip@mail.ru; A. V. Nikolaey, bachelor of «Chemical Technology and Natural Fibers and Products» Department, Kazan National Research Technological University.