Физическая модель взаимодействия высокочастотной плазмы пониженного давления с кератинсодержащими неткаными материалами

УДК 677.014.57:543.42

Л. Р. Джанбекова, В. С. Желтухин, И. Ш. Абдуллин, А. Ф. Дресвянников

ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ПЛАЗМЫ ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ С КЕРАТИНСОДЕРЖАЩИМИ НЕТКАНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ

Ключевые слова: нетканые материалы, неравновесная низкотемпературная плазма пониженного давления, механизм

модификации, кератин, шерсть, волокно.

Представлена физическая модель взаимодействия неравновесной низкотемпературной плазмы пониженного давления с неткаными материалами на базе отходов кожевенно-мехового производства. Определены факторы, влияющие на изменение физических и эксплуатационных свойств нетканых материалов.

Keywords: nonwoven materials, nonequilibrium low temperature plasma of the lowered pressure, updating mechanism, keratin, wool,

fiber.

The physical model of the interaction of nonequilibrium low-temperature low-pressure plasma with non-woven materials based on waste leather and fur production. The factors affecting the change in the physical and performance properties of nonwovens.

Эффективным способом модификации различных материалов, в том числе кожи, меха, текстильных изделий, является обработка в неравновесной плазме высокочастотного емкостного (ВЧЕ) разряда пониженного давления [1-3]. Воздействие плазмы позволяет придавать изделиям из кожевенно-меховых материалов гидрофильные или гидрофобные свойства, улучшать физико-химические свойства,

технологические и эксплуатационные характеристики.

Широкий диапазон возможных видов модификации обеспечивается особенностями взаимодействия ВЧ плазмы пониженного давления с материалами. Плазма ВЧЕ разряда в диапазоне давлений Р = 13,3-133 Па, мощностей разряда РЛ = 0,5-4 кВт, расходов газа G<0,2 г-с-1, при частоте электромагнитного поля 7=13.56 МГц,

характеризуется следующими параметрами: степень ионизации не более 10-6-10-4, концентрация электронов ие~1015-1017 1/м3, электронная температура Те=3-4 эВ, температура атомов и ионов в плазменном сгустке Т=0,25 - 0,35 эВ, в струе Т=0,027 - 0,032 эВ.

Физико-механические свойства,

технические и эксплуатационные характеристики нетканых материалов, зависят от многих факторов, в том числе от физико-механических свойств их компонентов и прочности скрепления между собой. ВЧ плазменная обработка может привести к улучшению свойств нетканых материалов, если:

а) ВЧ плазма повлияет на изменение свойств всех компонентов нетканого материала, то есть будет иметь место эффект объемной обработки;

б) физико-механические свойства всех компонентов нетканого материала изменяются при воздействии плазмы в нужном направлении;

в) прочность соединения слоев компонентов нетканого материала в процессе плазменной обработки, как минимум, не ухудшается.

Нетканые материалы, полученные отходов, образующихся в процессе получения кожевенного

или мехового полуфабриката, относятся к пористым системам сложения. Войлоки состоят из волокон шерсти, соединенных в процессе валяния за счет сцепления между собой кутикул шерстяного волокна. Войлок состоит из однородных материалов - волокон шерсти толщиной от 15 до 65 мкм длиной 15-20 мм. Расстояния между волокнами шерсти в войлоках - десятками и сотнями микрометров (рис. 1). Поэтому разработанная ранее теория ВЧ плазменной объемной модификации капиллярно-пористых кожевенно-меховых материалов [4] не может быть применена в данном случае.

Рис. 1 - Микрофотографии поверхности волокон технического войлока (б), х1000

Согласно [4], механизм модификации поверхности волокнистых капиллярно-пористых материалов ВЧ плазмой пониженного давления заключается в следующем.

В процессе взаимодействия потока ВЧЕ плазмы пониженного давления с материалами на них оказывают воздействие ряд взаимосвязанных факторов: технологические параметры плазмы, взаимообмен энергетических частиц плазмы с атомами модифицируемых волокнистых

компонентов, комплекс характеристик материалов, использованных в процессе изготовления этих материалов.

Любое тело, помещенное в плазму, заряжается отрицательно и приобретает относительно плазмы плавающий потенциал V/,

1 Ц2

кТ ж М 1пЗ—

2е

т Ч т р. ^1

Здесь к - постоянная Больцмана, е -элементарный заряд, М, те - масса атома и электрона, у^2,3 - постоянная [5]. В результате зарядки образца у его поверхности образца создается двойной электрический (дебаевский) слой, толщина которого оценивается величиной дебаевского радиуса экранирования

1

в

ЖпкТ

Ч 0 е

ип е2

Отрицательный плавающий потенциал создает потенциальный барьер, преодолеть который могут только электроны, кинетическая энергия

которых ее >

V

/

эВ. Причиной возникновения

отрицательного заряда образца, и, соответственно, плавающего потенциала, является большая подвижность электронов, по сравнению с ионами [6]. То есть, по сути, плавающий потенциал является электростатическим потенциалом.

В ВЧЕ плазме электроны колеблются относительно малоподвижных ионов с амплитудой

А

щЕа!м>,

где

т

подвижность

электронов, Еа - амплитуда электрической напряженности ВЧ поля, - круговая частота поля. В центре разряда уход электронов из одной области компенсируется приходом их из соседней; в то время как возле электродов и у поверхности образца такой компенсации нет. Вследствие этого возле электродов и образца образуется слой положительного заряда (СПЗ), в котором в течение части периода колебаний электромагнитного поля имеет место квазинейтральность, в течение остальной части периода - электроны практически отсутствуют [4].

Процессы зарядки и разрядки этих поверхностей протекают со сдвигом на половину периода колебаний электрического поля. При этом в силу синхронности колебаний, электронное облако приближается к образцу поочередно, то с одной, то с другой стороны, так что СПЗ с разных сторон образца пульсируют в противофазе друг с другом [5]. В момент, когда электронное облако максимально сближается с одной стороной образца, и поток электронов на нее максимален, с противоположной стороны образца

квазинейтральная плазма «отступает» от него на максимальное расстояние; при этом поток электронов из плазмы на поверхность минимален, а поток электронов, эмитированных с поверхности, наоборот максимален.

Положительные ионы плазмо-образующего газа ускоряются в СПЗ до энергий 70-100 эВ и рекомбинируют на ней с выделением энергии

рекомбинации (15,76 эВ в плазме аргона). Это является причиной модификации поверхностей высокомолекулярных материалов: очистки и активации, разрыва межмолекулярных связей, конформационных изменений макромолекул, что ведет к изменению их физико-химических свойств, и, в конечном итоге, к модификации технологических и эксплуатационных

характеристик, связанных с поверхностными свойствами материала.

Взаимодействие ВЧ плазмы пониженного давления с натуральными полимерами приводит к инжекции зарядов (ионов, электронов и дырок) в поверхностные слои и их локализации на глубоких ловушках. Поверхностные ловушки создаются химически активными примесями на поверхности образца, специфическими поверхностными дефектами, вызванными процессами окисления, разорванными цепными связями,

адсорбированными молекулами, а также различиями в ближнем порядке расположения молекул на поверхности и в объеме. В объеме полимера ловушки образуются на аномалиях структуры, таких как примеси, дефекты мономерных единиц, а также нерегулярности полимерной цепи и несовершенство кристаллитов.

В результате поляризации на поверхностях волокон шерсти, внутренних поверхностях пор и капилляров, создается связанный электрический заряд, причем противоположные стороны газовых прослоек приобретают разные знаки. Эти заряды создаются в результате ориентации полярных боковых звеньев, представляющих собой остатки аминокислот, диссоциирующих как основания (лизин, оксилизин, аргинин, гистидин) и как кислоты (глутаминовая и аспарагиновая).

Таким образом, с точки зрения электрофизических свойств войлок представляют собой систему заряженных капиллярно-пористых макрочастиц со сложным пространственно-неоднородным распределением зарядов. Электростатический потенциал образца зависит как от распределения заряда Q, так и от геометрии поверхности. Как указано выше, плавающий потенциал образца создается его зарядом, но зависит от свойств плазмы. Поэтому простой аналитической зависимости заряда образца от плавающего потенциала нет, особенно в случае образцов со сложной формой поверхности, к которым относятся нетканые материалы.

Изменение физических свойств нетканых материалов происходит за счет следующих факторов: наружная поверхность обрабатывается за счет бомбардировки низкоэнергетичными ионами (70-100 эВ) и их рекомбинации, а внутренняя поверхность между волокнами шерсти в войлоке, модифицируется в результате рекомбинации на ней заряженных частиц, возникающих вследствие пробоя в пористом объеме. Передача энергии поверхностным атомам приводит к удалению загрязняющих веществ, модификации

надмолекулярной структуры натуральных полимеров в составе материала. Это означает, что

обработка нетканых материалов в ВЧ плазме пониженного давления может привести к модификации характеристик их физических, механических, эксплуатационных свойств.

Литература

1. Джанбекова Л.Р. Методы модификации нетканых материалов на базе целлюлозосодержащих волокон // Л.Р.Джанбекова // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - №5. - С.284-287.

2. Джанбекова Л.Р. Особенности процесса плазменной модификации валяльно-войлочных материалов / Л.Р. Джанбекова, П.П. Суханов, Э.Ф.Вознесенский,

А.Ф.Дресвянников // Вестник Казанского технологического университета. №3, 2012. - 215-217.

3. Рахматуллина Г.Р. Влияние плазменной обработки на физические, химические свойства и макроструктуру кожи из шкур КРС / Г.Р.Рахматуллина, И.Ш.Абдуллин, Г.З.Гыйлметдинова // Вестник Восточно-Сибирского государственного технологического университета. -2010. 10.- С.59-62.

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

5. Райзер Ю.П. Физика газового разряда: учеб. руководство / Ю.П. Райзер. - М.: Наука, 1987. - 592 с.

6. Митчнер М. Частично-ионизованные газы / М. Митчнер, Ч. Кругер. - М.: Мир, 1976. - 496 с.

© Л. Р. Джанбекова - д.т.н., зав. лаб. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, ganbekova@ yandex.ru; В. С. Желтухин - д.ф.-м.н., г.н.с. той же кафедры, У7Ие11икЫп@ gmail.com; И. Ш. Абдуллин - д.т.н., проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ 1kim1@kstu.ru; А. Ф. Дресвянников - д.х.н., проф. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КНИТУ, nich140@kstu.ru.