СПОСОБ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ПОЛИЭТИЛЕНА
METHOD OF POLYETHYLENE SURFACE MODIFICATION

Изобретение относится к технологии модифицирования (обработки) поверхности полимерных материалов, а именно полиэтилена.
7
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, МПК 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.
2
2
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/м, 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/м.
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.
ж
ж
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(1+cosθ). Здесь σ - 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 (θ<sub>исх</sub>=99°)
Способ-прототип (θ<sub>исх</sub>=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/м<sup>2</sup>
θ, град
48
50
54
55
57
59
64
66
P<sub>1</sub>=1 кПа,
τ<sub>1</sub>=15 c,
p<sub>1</sub>=50 Вт/м<sup>2</sup>
II стадия:
W·10<sup>3</sup>, Дж/м<sup>2</sup>
119
118
118
117
117
117
117
117
W·10<sup>3</sup>, Дж/м<sup>2</sup>
122
120
116
115
112
110
105
102
P<sub>2</sub>=10 кПа,
τ<sub>2</sub>=2 с,
p<sub>2</sub>=2 кВт/м<sup>2</sup>
Таблица 2
Предлагаемый способ (θ<sub>исх</sub>=99°)
Способ-прототип (θ<sub>исх</sub>=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/м<sup>2</sup>
θ, град
48
50
54
55
57
59
64
66
P<sub>1</sub>=1 кПа,
τ<sub>1</sub>=15 с,
p<sub>1</sub>=50 Вт/м<sup>2</sup>
II стадия:
W·10<sup>3</sup>, Дж/м<sup>2</sup>
121
119
118
118
118
118
118
118
W·10<sup>3</sup>, Дж/м<sup>2</sup>
122
120
116
115
112
110
105
102
P<sub>2</sub>=12 кПа,
τ<sub>2</sub>=4 с,
p<sub>2</sub>=2,2 кВт/м<sup>2</sup>
Таблица 3
Предлагаемый способ (θ<sub>исх</sub>=99°)
Способ-прототип (θ<sub>исх</sub>=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/м<sup>2</sup>
θ, град
48
50
54
55
57
59
64
66
P<sub>1</sub>=1 кПа,
τ<sub>1</sub>=15 с,
p<sub>1</sub>=50 Вт/м<sup>2</sup>
II стадия:
W·10<sup>3</sup>, Дж/м<sup>2</sup>
121
119
118
118
118
118
118
118
W·10<sup>3</sup>, Дж/м<sup>2</sup>
122
120
116
115
112
110
105
102
P<sub>2</sub>=15 кПа,
τ<sub>2</sub> =5 с,
p<sub>2</sub>=2,5 кВт/м<sup>2</sup>
Таблица 4
Предлагаемый способ (θ<sub>исх</sub>=99°)
Способ-прототип (θ<sub>исх</sub>=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/м<sup>2</sup>
θ, град
48
50
54
55
57
59
64
66
P<sub>1</sub>=1,2 кПа,
τ<sub>1</sub>=17 с,
p<sub>1</sub>=100 Вт/м<sup>2</sup>
II стадия:
W·10<sup>3</sup>, Дж/м<sup>2</sup>
120
119
118
118
118
118
118
118
W·10<sup>3</sup>, Дж/м<sup>2</sup>
122
120
116
115
112
110
105
102
P<sub>2</sub>=10 кПа,
τ<sub>2</sub>=2 с,
p<sub>2</sub>=2 кВт/м<sup>2</sup>
Таблица 5
Предлагаемый способ (θ<sub>исх</sub>=99°)
Способ-прототип (θ<sub>исх</sub>=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/м<sup>2</sup>
θ, град
48
50
54
55
57
59
64
66
P<sub>1</sub>=1,2 кПа,
τ<sub>1</sub>=17 с,
p<sub>1</sub>=100 Вт/м<sup>2</sup>
II стадия:
W·10<sup>3</sup>, Дж/м<sup>2</sup>
121
120
119
119
119
119
119
119
W·10<sup>3</sup>, Дж/м<sup>2</sup>
122
120
116
115
112
110
105
102
P<sub>2</sub>=12 кПа,
τ<sub>2</sub>=4 с,
p<sub>2</sub>=2,2 кВт/м<sup>2</sup>
Таблица 6
Предлагаемый способ (θ<sub>исх</sub>=99°)
Способ-прототип (θ<sub>исх</sub>=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/м<sup>2</sup>
θ, град
48
50
54
55
57
59
64
66
P<sub>1</sub>=1,2 кПа,
τ<sub>1</sub>=17 с,
p<sub>1</sub>=100 Вт/м<sup>2</sup>
II стадия:
W·10<sup>3</sup>, Дж/м<sup>2</sup>
121
120
118
118
118
118
118
118
W·10<sup>3</sup>, Дж/м<sup>2</sup>
122
120
116
115
112
110
105
102
P<sub>2</sub>=15 кПа,
τ<sub>2</sub>=5 с,
p<sub>2</sub>=2,5 кВт/м<sup>2</sup>
Таблица 7
Предлагаемый способ (θ<sub>исх</sub>=99°)
Способ-прототип (θ<sub>исх</sub>=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/м<sup>2</sup>
θ, град
48
50
54
55
57
59
64
66
P<sub>1</sub>=1,5 кПа,
τ<sub>1</sub>=20 с,
p<sub>1</sub>=200 Вт/м<sup>2</sup>
II стадия:
W·10<sup>3</sup>, Дж/м<sup>2</sup>
121
120
118
118
118
118
118
118
W·10<sup>3</sup>, Дж/м<sup>2</sup>
122
120
116
115
112
110
105
102
P<sub>2</sub>=10 кПа,
τ<sub>2</sub>=2 с,
p<sub>2</sub>=2 кВт/м<sup>2</sup>
Таблица 8
Предлагаемый способ (θ<sub>исх</sub>=99°)
Способ-прототип (θ<sub>исх</sub>=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/м<sup>2</sup>
θ, град
48
50
54
55
57
59
64
66
P<sub>1</sub>=1,5 кПа,
τ<sub>1</sub>=20 с,
p<sub>1</sub>=200 Вт/м<sup>2</sup>
II стадия:
W·10<sup>3</sup>, Дж/м<sup>2</sup>
122
121
119
119
119
119
119
119
W·10<sup>3</sup>, Дж/м<sup>2</sup>
122
120
116
115
112
110
105
102
P<sub>2</sub>=12 кПа,
τ<sub>2</sub>=4 с,
p<sub>2</sub>=2,2 кВт/м<sup>2</sup>
Таблица 9
Предлагаемый способ (θ<sub>исх</sub>=99°)
Способ-прототип (θ<sub>исх</sub>=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/м<sup>2</sup>
θ, град
48
50
54
55
57
59
64
66
P<sub>1</sub>=1,5 кПа,
τ<sub>1</sub>=20 с,
p<sub>1</sub>=200 Вт/м<sup>2</sup>
II стадия:
W·10<sup>3</sup>, Дж/м<sup>2</sup>
122
120
119
119
119
119
119
119
W·10<sup>3</sup>, Дж/м<sup>2</sup>
122
120
116
115
112
110
105
102
P<sub>2</sub>= 15 кПа,
τ<sub>2</sub>=5 с,
p<sub>2</sub>=2,5 кВт/м<sup>2</sup>