CC BY
49
УДК 675.015.64-405.8.001.57.533.9
Э. Ф. Вознесенский, И. Ш. Абдуллин, В. С. Желтухин,
И. В Красина
МОДЕЛЬ ИНЖЕКЦИИ ИОНОВ В СТРУКТУРУ НАТУРАЛЬНОГО
ВОЛОКНИСТОГО МАТЕРИАЛА ПРИ ВЧ-ПЛАЗМЕННОЙ МОДИФИКАЦИИ
Ключевые слова: натуральная кожа, микроструктура, волокна, моделирование, плазменная модификация, инжекция, отклонение, распределение ионов.
Статья посвящена моделированию процессов ВЧ-плазменной модификации поверхностных слоев кожи. Построена объемная геометрическая модель дермы. На основе геометрической модели моделировалась инжекция ионов плазмы в структуру. При моделировании учтены две составляющие процесса - прямая инжекция и распределение отклоненных ионов. Расчетным путем установлено, что инжекции ионов доступен поверхностный слой кожи толщиной 24-28 мкм.
Keywords: natural leather, microstructure, fibres, modelling, plasma modification, injection,
deviation, distribution of ions.
Article is devoted to modelling of processes during RF-plasma modification in near-surface layers of a tanned leather. The volume geometrical model of derma is constructed. On the basis of the geometrical model the injection of ions of plasma in structure was modelled. At modelling two components of process - direct injection and distribution of the rejected ions are considered. It is established, that the nearsurface layer in the thickness of24-28 microns is accessible to injection of ions
Контролируемая модификация свойств материалов различной природы и строения в низкотемпературной плазме (НТП) высокочастотного емкостного (ВЧЕ) разряда имеет широкие перспективы для внедрения в производстве. Материал, помещенный в НТП ВЧЕ-разряда, заряжается отрицательно. В окрестности обрабатываемого тела формируются слои положительно заряженных ионов (СПЗ). Поверхность материала подвергается со стороны СПЗ бомбардировке ионами с энергией 30-100 эВ, также происходит рекомбинации ионов (12,4-25,2 эВ). При наличии в материале свободной пористости амплитуды разности потенциалов (80 В) и напряженности электрического поля ((2,5—6,5)-104 В/м) между слоями СПЗ достаточно для пробоя газовых пространств в порах и поддержания в них несамостоятельных разрядов [1]. Возможность модификации поверхности и пор материала является отличительной особенностью НТП ВЧЕ-разряда.
Экспериментальным подтверждением двух направлений изменения свойств материала при модификации в НТП ВЧЕ-разряда являются опыты по увеличению гидрофиль-ности ворсовых кож [2]. Установлено, что при обработке кож в НТП ВЧЕ разряда в среде аргона, при энергии ионов 60—90 эВ, плотности ионного тока 0,3—0,5 А/м2, давлении 26,6 Па, гидрофильность поверхностного слоя и внутреннего объема изменяются не пропорционально.
Чтобы определить характер распространения ионов ВЧЕ-плазмы в структуре, подобной ворсовой коже, и границы поверхностной и объемной модификации проведен теоретический эксперимент инжекции частиц в пористую структуру.
На первом этапе моделировался материал, а именно его микроструктура. Натуральная кожа имеет белковое строение, структурные особенности кожи определяются укладкой цепей фибриллярного белка коллагена. Элементами микроструктуры коллагена кожи являются пучки волокон и отдельные волокна. Волокна в пучках уложены параллельно, между собой пучки образуют сложное трехмерное переплетение и определенный, характерный, угол к поверхности кожи. Переплетения, угол наклона, плотность структуры существенно зависят от вида, возраста, пола животного, топографического участка шкуры и процессов выделки [3,4].
В качестве модели сетчатого слоя выделанной кожи предложена система цилиндрических тел в трехмерной системе координат. Цилиндры диаметром 3,6 мкм имитируют отдельные волокна, они сгруппированы в пучки диаметром 60,7 мкм, каждые три соседних пучка сориентированы друг относительно друга под углом 1200 в плоскости ХОУ; с плоскостью материала пучки и волокна образуют одинаковый угол в 12,50 [5, 6]. Для обеспечения сплошности структуры цилиндры сплющены и допущено перекрытие соседних пучков до 10 % от диаметра, что в реальном материале обеспечивается переменной толщиной пучков и сложным трехмерным переплетением. На рис. 1 а представлена полученная пространственная модель материала на рис. 1 б микрофотография соответствующего участка структуры.
Рис. 1 - Микроструктура кожи: а - пространственная модель; б - микрофотография, Х1000
Для моделирования процесса инжекции выбран участок модели материала размером 70^70 мкм. Участок просканирован по высоте для определения глубины проникновения ионов в структуру при первичном контакте. Получены координаты первичного контакта ионов с поверхностью модели, образующие рельеф поверхности, рис. 2а. Распределение частиц плазмы по глубине модели при прямой инжекции в течение 1 с представлено на рис. 2б.
Рис. 2 - Распределение ионов плазмы в структуре материала при первом контакте с поверхностью: а - координаты точек контакта ионов с поверхностью; б - гистограмма распределения ионов по глубине материала
Часть налетающих ионов, обладающих пониженной кинетической энергией, способны к отклонению положительно заряженными участками белковой молекулы [7]. К углублению в структуру при отклонениях способны ионы попавшие в поры, что составляет согласно модели 56,4 %. Для всех отклоненных ионов с помощью генератора случайных чисел рассчитаны траектории отклонений и определены координаты столкновений с поверхностью материала (рис. 3).
Рис. 3 - Распределение отклоненных ионов плазмы в структуре материала при трехкратном отклонении
На рис. 4 приведена гистограмма распределения по глубине материала ионов плазмы, инжектированных в поры материала, при вероятности трех отклонений.
хЮ9
Т I I I I I г
I
О
X
I I - второе отклонение; I I - третье отклонение
Рис. 4 - Гистограмма распределения по глубине материала ионов плазмы, инжектированных в поры
Как видно из рис. 4, в структуре имеются характерные глубины, доступные для прямой инжекции (см. также рис. 2б) - менее 1 мкм, 8-10 мкм, 22-24 мкм. На этих глубинах с ростом количества отклонений количество инжектированных ионов снижается. Напротив, на глубинах 2-4 мкм, 12-20 мкм, 26-30 мкм увеличивается количество отклоненных ионов. Выявление данных дискретных областей тесно связано с четкой дифференциацией пористой структуры, а именно макропорами между пучками и мезопорами между волокнами, а также с выбранным углом наклона элементов структуры.
На основе полученных расчетных данных приповерхностным слоем ворсового кожевенного материала, более подверженным воздействию ионов СПЗ, является слой толщиной в 24-26 мкм, а с учетом отклонений ионов - до 28 мкм. При этом интенсивность воздействия СПЗ к нижней границе приповерхностного слоя составляет до 10-12 % от воздействия на поверхности.
Литература
1. 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. гос. ун-та, 2000. - 348 с.
2. Абдуллин, И.Ш. Основные стадии структурной активации кожевенных материалов в высокочастотной плазме пониженного давления / Абдуллин И.Ш., Вознесенский Э.Ф., Фахрутдинова Г.Р., Хасанов Т.Р. // Дизайн: новые взгляды и решения. сб. статей Всерос. науч.-практ. конф. -Казань, КГТУ, 2008. - С. 65.
3. Зайдес, А. Л. Структура коллагена и ее изменение при обработках / А.Л.Зайдес.- М.: Ростехиз-дат, 1960. -283с.
4. Михайлов, А.Н. Химия и физика коллагена кожного покрова / А.Н.Михайлов. - М.: Легкая индустрия, 1980. -232с.
5. Абдуллин, И.Ш. Моделирование микроструктуры кожевенного материала на стадиях производства и при ВЧЕ-плазменной обработке: монография / И.Ш. Абдуллин, Э.Ф. Вознесенский, В.С. Желтухин, И.В. Красина. - Казань : Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2009. - 229 с.
6. Абдуллин, И.Ш. Зависимость между деформациями волокнистых элементов и пористостью кожевенного материала при ВЧЕ-плазменной модификации / И.Ш. Абдуллин, Э.Ф. Вознесенский, И.В. Красина, Г.Н. Кулевцов, Л.Р. Джанбекова, Е.И. Мекешкина-Абдуллина // Вестник Казанского технологического университета. - 2008, № 6, Ч. 1. - С. 12-16.
7. Абдуллин И.Ш. Высокочастотная плазменная обработка в динамическом вакууме капиллярнопористых материалов. Теория и практика применения. И.Ш. Абдуллин, Л.Н. Абуталипова, В.С. Желтухин, И.В. Красина. Издательство Казанского Университета, 2004 г- 428с.
© Э. Ф. Вознесенский - канд. техн. наук, докторант каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ, howrip@rambler.ru; И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ, tkim1@kstu.ru; В. С. Желтухин - д-р физ.-мат.наук, проф., зав. каф. математической статистики КГУ, vzheltukhin@gmail.com; И. В. Красина - д-р техн. наук, зав. каф. технологии химических, натуральных волокон и изделий КГТУ, irina_krasina@mail.ru.
