CC BY
29
УДК 675.015.64-405.8.001.57.533.9
Э. Ф. Вознесенский
МОДЕЛЬ ИНЖЕКЦИИ ИОНОВ ИЗ ВНУТРЕННИХ ПОР В СТРУКТУРУ КОЛЛАГЕНОВЫХ ВОЛОКОН ПРИ ОБЪЕМНОЙ МОДИФИКАЦИИ НАТУРАЛЬНОЙ КОЖИ В ПЛАЗМЕ ВЧ-РАЗРЯДА ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ
Ключевые слова: высокочастотная плазма, объемная модификация, кожа, структура, пористость,
моделирование, инжекция.
При геометрическом моделировании структуры установлена форма внутренних пор кожевенного материала, характер их сплошности и периодичность. Методом численного моделирования рассмотрено влияние геометрии пор на траекторию ионов при объемной модификации пористой структуры кожи в плазме ВЧразряда пониженного давления. Исследована глубина инжекции ионов со стороны пор в структуру пучков коллагеновых волокон, по результатам моделирования она составила от 1,6 мкм до 4,4 мкм.
Keywords: radio-frequency plasma, volume modification, leather, structure, porosity, modelling, injection.
At geometrical modelling of structure the form of an internal pores of a tanning material, their integrity and periodicity is established. The method of numerical modelling considers influence of geometry of a pores on a trajectory of ions during volume modification of porous structure of a leather in in low pressure RF-plasma. Depth of injection of ions from a pores in structure of bunches of collagenic fibres is investigated, by results of modelling it has made from 1,6 microns to 4,4 microns.
Пористый материал, помещенный в плазму ВЧ-разряда пониженного давления подвергается воздействию ионных потоков, как со стороны поверхности, так и со стороны поровых пространств, благодаря механизму объемной модификации. При этом на поверхность материала поступает поток ионов с кинетической энергией 30-90 эВ, на поверхность макропор воздействуют ионы с кинетической энергией 12-18 эВ; энергия, выделяемая при рекомбинации на поверхности определяется видом плазмообразующего газа и составляет 12,4-25,2 эВ. Таким образом, существенным регулирующим фактором процесса объемной модификации является пористость обрабатываемого материала, геометрия отдельных пор, их регулярность и сплошность.
Для установления характеристик процессов объемной модификации на основе построенной пространственной модели кожевенного материала, описанной в статье [1] исследована структура внутренних пор.
Первоначально устанавливалась трехмерная структура вторичных макропор материала, при этом использовалась методика, аналогичная методике создания пространственно числовой модели, приведенной в работе [2]. Структура описана в виде бинарного массива, но в отличие от модели волокон, в инвертированном виде, числовыми значениями заполнены области между вторичными волокнами. Визуализация результатов сканирования пор приведена на рис. 1.
Для установления влияния объемной модификации на волокна материала подробно рассмотрено одно вторичное волокно и примыкающие к его поверхности (в окрестности по Z - 40 мкм, по X - 250 мкм, по Y - 90 мкм) вторичные поры (рис. 2).
Как видно из рис. 2, в модели пористой структуры вдоль каждого вторичного волокна правильно чередуются пористые участки сложной геометрии. Регулярность расположения прилегающих пор связана с регулярностью структуры.
Предложена численная модель распределение ионов плазмы в структуре пористого материала. В объеме пор заданы равномерно расположенные частицы с плотностью 1 частица на мкм3, всего - 132 501 частица. Также заданы случайные траектории их движения, в
результате чего отсеяны частицы, попадающие на соседние элементы модели; на рассматриваемый элемент попадает 67 449 частиц.
Рис. 2 - Модель внутренних пор вокруг одного вторичного волокна кожевенного материала
При объемной модификации структуры коллагенсодержащего материала происходит инжекция ионов из вторичных макропор во внутреннюю структуру вторичных волокон. Для установления закономерности распространения эффектов ВЧ-плазменной модификации в структуре проведено моделирование инжекции ионов плазмы из вторичных в первичные поры материала. За основу принята модель инжекции в поверхностный слой материала [1].
Частицы, направленные к модели-мишени благодаря заданной рельефности преодолевали внешнюю геометрическую границу вторичного волокна, углублялись в первичные поры. Координаты первого контакта фиксировались, рассчитывалась глубина проникновения. На рис. 3 представлена гистограмма распределения по глубине инжектированных во вторичное волокно ионов плазмы.
9000 гл---------1------1-------1-------1------1-------1-------1-------1------1-------1-------1------1-------1-------1-------г
Глубина инжекции, мкм
Рис. 3 - Гистограмма распределения инжектированных ионов по глубине вторичного волокна
Из полученных данных видно, что в модели около 9 % частиц не заглубились в структуре. Глубина первичной инжекции составила от 0 до 1,6 мкм. Максимум инжектированных частиц приходится на глубины 0,05-0,1 мкм; дальнейшее распределение представляет собой снижение количества частиц с увеличением глубин проникновения, причем общее снижение проявляет периодичность с интервалом 0,15-0,20 мкм с наличием локальных максимумов и минимумов, что соответствует периодичности рельефа модели. Плотность налетающих частиц на глубины 0,05-0,1 мкм составляет 11,5-12,5 %, а при рассмотрении нижней границы инжекции - 0,2-0,6 % от общего количества.
Для ионов, проникших в структуру на глубину свыше 0,05 мкм рассмотрен случай отклонения траектории положительно заряженными участками белковой молекулы. Моделировалось три фазы отклонений; в каждом случае фиксировались координаты контакта; с помощью генератора случайных чисел задавались траектории после отклонения. Гистограмма распределения инжектированных ионов по глубине вторичного волокна при трех фазах отклонения представлена на рис. 4.
Как видно из полученных данных, введение фактора отклонения траектории увеличивает предельную глубину инжекции с 1,6 до 4,4 мкм. С увеличением количества отклонений уменьшается количество частиц на глубинах 0,1-0,25 мкм и возрастает при 0,51,6 мкм. Общая тенденция - экспоненциальное снижение количества частиц с ростом глубины инжекции.
Рис. 4 - Гистограмма распределения инжектированных ионов по глубине вторичного волокна при трех фазах отклонения
Таким образом, при геометрическом моделировании структуры установлена форма внутренних пор кожевенного материала, характер их сплошности и периодичность. Методом численного моделирования рассмотрено влияние геометрии пор на траекторию ионов при объемной модификации пористой структуры кожи в плазме ВЧ разряда пониженного давления. Исследована глубина инжекции ионов со стороны пор в структуру пучков коллагеновых волокон, по результатам моделирования она составила от 1,6 мкм до 4,4 мкм.
Литература
1. Вознесенский, Э. Ф. Модель инжекции ионов в структуру натурального волокнистого материала при ВЧ-плазменной модификации / Э.Ф. Вознесенский, И.Ш. Абдуллин, В.С. Желтухин, И.В. Красина // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - № 9. - С. 190-194.
2. Вознесенский, Э.Ф. Построение объемной геометрической модели пористой структуры сетчатого слоя кожи / Э.Ф. Вознесенский, И.Ш. Абдуллин, И.В. Красина // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. -№ 9. - С. 519-522.
© Э. Ф. Вознесенский - канд. техн. наук, докторант каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ, howrip@rambler.ru.
