Научная статья на тему 'Численная модель модификации рельефа кутикулы волоса под действием сфокусированного низкоэнергетичного ионного потока'

Численная модель модификации рельефа кутикулы волоса под действием сфокусированного низкоэнергетичного ионного потока Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
94
48
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ШЕРСТЬ / МИКРОСТРУКТУРА / ВЧ ПЛАЗМА / МОДИФИКАЦИЯ / МОДЕЛЬ / КУТИКУЛА / ТРАВЛЕНИЕ / РЕЛЬЕФ / WOOL / MICROSTRUCTURE / RF-PLASMA / MODIFICATION / MODEL / CUTICULA / ETCHING / RELIEF

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Абдуллин И. Ш., Вознесенский Э. Ф., Красина И. В., Иванников А. Ю., Вельбой М. А.

Предложена двумерная модель изменения рельефа кутикулы шерстяного волокна под действием сфокусированного низкоэнергетичного ионного потока в низкотемпературной плазме высокочастотного разряда. Проведено несколько циклов моделирования, при каждом происходило изменение геометрии мишени, изменяющийся рельеф приводил к новому распределению электростатических сил.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Абдуллин И. Ш., Вознесенский Э. Ф., Красина И. В., Иванников А. Ю., Вельбой М. А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The two-dimensional model of change of a relief of a woollen fibre cuticula under the influence of focused low-energy ionic stream in low-temperature plasma of radio-frequency discharge is offered. Some cycles of modelling are spent, at everyone there was a change of geometry of the target, the changing relief led to new distribution of electrostatic forces.

Текст научной работы на тему «Численная модель модификации рельефа кутикулы волоса под действием сфокусированного низкоэнергетичного ионного потока»

УДК 677:533.9

И. Ш. Абдуллин, Э. Ф. Вознесенский, И. В. Красина,

А. Ю. Иванников, М. А. Вельбой

ЧИСЛЕННАЯ МОДЕЛЬ МОДИФИКАЦИИ РЕЛЬЕФА КУТИКУЛЫ ВОЛОСА ПОД ДЕЙСТВИЕМ

СФОКУСИРОВАННОГО НИЗКОЭНЕРГЕТИЧНОГО ИОННОГО ПОТОКА

Ключевые слова: шерсть, микроструктура, ВЧплазма, модификация, модель, кутикула, травление, рельеф.

Предложена двумерная модель изменения рельефа кутикулы шерстяного волокна под действием сфокусированного низкоэнергетичного ионного потока в низкотемпературной плазме высокочастотного разряда. Проведено несколько циклов моделирования, при каждом происходило изменение геометрии мишени, изменяющийся рельеф приводил к новому распределению электростатических сил.

Keywords: wool, microstructure, RF-plasma, modification, model, cuticula, etching, relief.

The two-dimensional model of change of a relief of a woollen fibre cuticula under the influence offocused low-energy ionic stream in low-temperature plasma of radio-frequency discharge is offered. Some cycles of modelling are spent, at everyone there was a change of geometry of the target, the changing relief led to new distribution of electrostatic forces.

В работах [1-4] экспериментально установлены эффекты модификации волокон натуральной шерсти и волосяного покрова меха при обработке в условиях плазмы высокочастотного разряда пониженного давления. Модификация поверхности кутикулы и внутреннего коркового слоя способствует комплексному изменению свойств волокон. Установлены пять характерных режимов, вызывающих в материале существенные изменения, табл. 1. Показано, что модификация поверхности волокон связана с травлением поверхностных слоев, фокусирующимся в области рельефа низкоэнергетичным ионным потоком.

Таблица 1 - Параметры плазменной обработки при модификации натурального кератинсодержащего материала (энергия рекомбинации (2п) составляет для используемого аргона составляет 15,76 эВ)

Параметры разряда Режим

I II III IV V

Е-, -Ч ^ Я я II ^ Н СП ^ a, Cj И ^ 1 н" ^ -У ~ m Я ^2 о" ^ 1 н" 'L ^ ^ 1 Пт ^2 о" ^ 1 н" 'L ^ ^ 1 II т ^2i k" i i ° Н" \ <N ^ 1 Пт ^2 о"

Кинетическая энергия ионов (ОХ эВ 69 71 75 92 100

Плотность ионного тока (Л А/м2 0,37 0,38 0,40 0,56 0,7

Время обработки (т), с 180 300 300 300 1200

Для приближенной оценки изменения рельефа кутикулы волосяного покрова под действием сфокусированного ионного потока предложена численная модель, содержащая следующие допущения:

- ионный поток моделируется совокупностью отдельных детерминированных частиц;

- с целью упрощения для качественной оценки процесса рассмотрен двумерный случай;

- плотность ионного потока составляла

4 мкм-2;

- значения кинетической энергии ионов принимались постоянными - 90 эВ, потенциальная энергия рекомбинации - 15,76 эВ;

- продолжительность эксперимента определялась количеством циклов исполнения модели; исследовано 60 циклов, что сопоставлено с 10 мин НТП обработки; таким образом, 1 цикл модели описывает 30-1010 периодов столкновений частиц с поверхностью.

Для моделирования изменений геометрии кутикулы волоса при травлении низкоэнергетичным ионным потоком построена двумерная модель профиля кутикулы. На модели мишени задавался равномерно распределенный отрицательный заряд с плотностью 25 е-1-мкм-2. Траектории ионов определялись исходя из суперпозиции электростатических сил мишени. Стартовые положения ионов задавались на расстоянии 70 мкм от мишени, что соответствует значениям толщины двойного слоя.

Траектории низкоэнергетичного ионного потока фокусируются в области выступов мишени (рис. 1), что ранее подтверждено на основе пространственной модели [5].

90 100 ПО 120 130 140 150 160 170

Рис. 1 - Траектории низкоэнергетичного ионного потока вблизи мишени (двумерная модель)

Для установления динамических изменений кутикулы волоса при низкоэнергетичном ионном травлении на мишени фиксируются деформации поверхности при каждом столкновении; в качестве элементарной деформации принято снижение рельефа на

0,05 мкм на площади 0,25 мкм2. Проведено 60 циклов моделирования, при каждом происходило изменение геометрии мишени, изменяющийся рельеф мишени приводил к новому распределению электростатических сил. Результаты моделирования приведены на рис. 2, зафиксированы изменения при 12, 24, 36, 48, 60-м циклах исполнения модели, что сопоставлено с поверхностными изменениями материала в режимах с I по V (см. табл. 1).

Результаты численного исследования (рис. 2) свидетельствуют о том, что травление поверхности фокусирующимся низкоэнергетичным потоком ионов приводит к сглаживанию рельефа кутикулы. При 60-ти кратном исполнении модели показано удаление 12 мкм материала поверхности модели, что соответствует V режиму модификации, при этом рельефность сократилась в ~2 раза.

1 IS 130 I2S 130 I3S

б

Рис. 2 - Результаты моделирования изменения рельефа кутикулы волоса при низкоэнергетичном ионном травлении (значения осей в мкм)

Полученные результаты свидетельствуют о снижении рельефности кутикулы в 2 раза, однако абсолютного сглаживания рельефа, даже при использовании V режима (режим деструкции), не наблюдается вплоть до полного удаления кутикулы.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по соглашению 14.В37.21.2061 от 14 ноября 2012г.

Литература

1. Абдуллин, И.Ш. Модификация поверхности волокон шерсти в низкотемпературной плазме ВЧ разряда / И.Ш. Абдуллин и др. // Известия высших учебных заведений. Технология легкой промышленности. - 2010. -№ 2. - С. 11-14.

2. Вознесенский, Э.Ф. Исследование эффектов ВЧ-

плазменной модификации волосяного покрова меха методом СЗМ-микроскопии / Э.Ф. Вознесенский,

Ф.С. Шарифуллин, И.Ш. Абдуллин, В.С. Желтухин,

И.В. Красина // Вестник Казанского технологического университета. - 2011, № 15. - С. 328-331.

3. Вознесенский, Э.Ф. Структурные аспекты модификации натурального кератинсодержащего материала в плазме ВЧ-разряда пониженного давления / Э.Ф. Вознесенский, Ф.С. Шарифуллин, И.В. Красина, И.Ш. Абдуллин // Вестник Казанского технологического университета. -2009, № 5. - С. 426-429.

4. Вознесенский, Э. Ф. Теоретические основы структурной

модификации материалов кожевенно-меховой промышленности в плазме высокочастотного разряда пониженного давления / Э. Ф. Вознесенский,

Ф.С. Шарифуллин, И.Ш. Абдуллин. - Казань: Изд-во

Казан. гос. технол. ун-та, 2011. - 364 с.

5. Voznesensky, E. The numerical model of distribution of low-energetic ion stream on a surface of woolen fibers during modification in the radiofrequency gas discharge / E. Voznesensky, L. Dzhanbekova, I. Abdullin // the 14th annual conference of the Israel Plasma Science and Technology Association (IPSTA). Israel. - 2012. - P. 42.

© И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, [email protected]; Э. Ф. Вознесенский - д-р техн. наук, доц. той же кафедры; И. В. Красина - д-р техн. наук, зав. каф. технологии химических, натуральных волокон и изделий КНИТУ, [email protected]; А. Ю. Иванников - канд. техн. наук, ст. науч. сотр. Ин-та металлургии и материаловедения им. Байкова РАН; М. А. Вельбой - магистр Ивановского госуд. химико-технол. ун-та.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.