CC BY
0Б01: 10.24412/с1-37269-2024-1-281-283
ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ ПЛЕНОК НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМОЙ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ
Демин К.А.1, 2, Агнаев С.С.2, Дондуков С.Д2, Хаглеев А.Н. 1 2
1 Институт физического материаловедения СО РАН, г. Улан-Удэ 2 Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, г. Улан-Удэ
В данной статье представлены результаты исследования влияния низкотемпературной плазмы атмосферного давления на физико-механические свойства полимерных материалов. Описаны теоретические основы механизма плазменной модификации полимеров. Были проведены исследования краевого угла смачивания модифицированных пленок. Максимальный угол смачивания составил 0 =21,5° для полиэтилена и 0 = 33,5°для полипропилена, при модификации продолжительностью 10-15 с. Результаты показали, что полиэтилен, благодаря своей более низкой энергии связывания, проявляет большую степень изменения свойств по сравнению с полипропиленом.
Введение. В современном мире полимерные пленки широко используются в различных областях, начиная от упаковки и заканчивая электроникой. В процессе производства и эксплуатации таких пленок возникает необходимость в изменении и улучшении их физических свойств [1]. Одним из наиболее перспективных методов модификации поверхности полимерных пленок является модификация низкотемпературной плазмой атмосферного давления, позволяющая улучшить гидрофильные свойства этих материалов и расширить области их приме-нения[2, 3, 4].
Объекты и методы исследования. В качестве материла для модификации использовались полиэтиленовые и полипропиленовые пленки:
- пленки ПЭ (ГОСТ 10354-82 «Пленка полиэтиленовая» и ГОСТ 16338-85 «Полиэтилен низкого давления») толщиной 100 мкм [5, 6]
- пленки 1111 (ГОСТ 26996-86) «Полипропилен и сополимеры пропилена» толщиной 40 мкм [7].
Модификация полимерных материалов осуществлялась в течение 15 с при импульсном напряжении 8 кВ, токе 40 мА и частоте 15 кГц. Реакционный газ под давлением в 100 кПа эжектировался вдоль плоскости электродов под углом в 135° сопла отклонителя. Для модификации поверхности пленок была разработана плазменная установка.
з
Рис. 1. Установка для модификации поверхности полимерных материалов: 1 - полимерный материал; 2 - плазменный пучок; 3 - отклонитель; 4 - корпус; 5 - редуктор; 6 - алюминиевые электроды; 7 - высоковольтные провода; 8 - высоковольтный источник питания;
а - угол наклона отклоняющего сопла
Установка [8] состоит из пластикового эжектора (4), выполняющего функцию корпуса. Сквозь корпус установки к алюминиевым электродам (6) при помощи высоковольтных проводов (7) подведено напряжение из высоковольтного генератора (8). Для инициирования плазменного разряда в эжектор подается поток воздуха из компрессора, вдоль алюминиевых электродов (6) и создает плазменный поток (2), продвигаемый в направлении модифицируемого материала (1), отклонителем (3). Напряжение инициирования плазменного разряда составляет и~20-30 кВ/см. Регулировка скорости воздушных потоков отклонителя и эжектора осуществлялась при помощи воздушного редуктора (5) для изменения длины вылета и угла падения плазменного пучка на модифицируемый материал.
Обсуждение результатов. В ходе модификации полимера в плазме атмосферного давления происходит ряд физико-химических процессов, которые в значительной степени зависят от состава газовой среды разряда и характеристик самого полимера. Когда ускоренные заряженные частицы плазмы взаимодействуют с полимером, возникает разрыв связей между углеродом и водородом, что инициирует образование активных центров с высокой реакционной активностью. Если плазменный поток не контактирует с поверхностью полимерного материала, то происходит лишь химическое взаимодействие с атомами и радикалами плазмы.
ф Электрон /Г\ Молекула водорода (о,) Молекула озона
Рис. 2. Процесс модификации молекулярной цепи полиэтилена
На основании приведенного возможного процесса модификации пленок можно предположить, что в небольшом объеме воздуха вблизи электрода протекают ионизация, возбуждение, диссоциация кислород- и азотсодержащих молекул на атомы, затем рекомбинируемых в гидроксильные группы. В условиях большой выборки экспериментальных данных целесообразным способом изучения контактных свойств является исследование краевого угла смачивания модифицированного материала, основанного на измерении угла жидкости относительно плоскости поверхности материала.
Таблица. Краевые у глы смачивания пленок ПЭ и I II I
№ образца Материал Время модификации, с Краевой угол смачивания, °
1 0 97-99
2 5 33-35
3 ПЭ 10 22-24
4 15 21,5-23
5 30 21,1-22
6 0 74-77
7 5 48-50
8 ПП 10 35-37
9 15 31-33
10 30 29-32
Проведенный анализ исследований выявил, что увеличение времени воздействия плазменного разряда на поверхность ведет к уменьшению краевого угла смачивания, что в свою очередь способствует увеличению работы адгезии. Из таблицы видно, что оба материала демонстрируют улучшение адгезионных свойств под воздействием плазменной модификации. Однако, различия в реакции на плазменные поля обусловлены химической структурой и фи-
зическими характеристиками полимеров. Полиэтилен, как более «мягкий» материал, в большей степени поддается модификации, что приводит к улучшению адгезионных свойств и увеличению полярности поверхности. В то время как полипропилен, благодаря своей более стабильной структуре, требует большей мощности плазменного разряда для достижения аналогичных результатов. Оптимальным временем модификации является интервал 10-15 секунд при угле а=135°, с полученными значениями краевых углов 0 = 21,5° для полиэтилена и 0 = 33,5 °для полипропилена. Дальнейшая модификация продолжительностью не дает достоверного отклонения относительно 10-секундного воздействия, так как изменяет краевой угол в диапазоне 0 = 1,5-2°.
Заключение. На основании анализа результатов было установлено, что модификация полимерных пленок в плазме атмосферного давления обеспечивает улучшение адгезионных свойств полимерных материалов. Разработанный метод модификации избавляет от необходимости использования дорогостоящих химических реактивов. Увеличение адгезионного взаимодействия объясняется разрывом химических связей макромолекулы полимерной пленки с образованием новых функциональных групп при взаимодействии с другими реакционноспо-собными атомами, способствующие повышению адгезии поверхности полимерной пленки к различным субстратам.
Литература
1. Повстугар, В. И. Строение и свойства поверхности полимерных материалов / В. И. Повстугар, В. И. Кодолов, С. С. Михайлова. - Издательство Химия, 1988. - 192 с.
2. Плазмохимическая модификация поверхности полимерных материалов. - URL: https://www.isuct.ru/conf/plasma/LECTIONS/Gilman_lection.html (дата обращения: 20.12.2022). - Текст : электронный.
3. Модификация адгезионных свойств полимерных пленок обработкой коронным разрядом / В. В. Ананьев, Т. Н. Перетокин, Г. Е. Заиков, С. Ю. Софьина // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т. 17. - № 5. - С. 116-119.
4. Юленец, Ю. П. Влияние условий модифицирования в плазме высокочастотного разряда на обратимость свойств поверхности пленок полиэтилена / Ю. П. Юленец, А. В. Марков, С. Ю. Грачев // Электронная обработка материалов. - 2020. - Т. 56. - № 3-4. - С. 61-65.
5. ГОСТ 10354-82 Пленка полиэтиленовая. Технические условия (с Изменениями N 1, 2, 3, 4, 5) - docs.cntd.ru. - ИПК Издательство стандартов, 1983. - URL: https://docs.cntd.ru/document/1200006604 (дата обращения: 20.12.2023). - Текст : электронный.
6. ГОСТ 16338-85 Полиэтилен низкого давления. Технические условия (с Изменением N 1) - docs.cntd.ru. - Стандартинформ, 1987. - URL: https://docs.cntd.ru/document/1200020680 (дата обращения: 20.12.2023). - Текст : электронный.
7. ГОСТ 26996-86 Полипропилен и сополимеры пропилена. Технические условия (с Изменениями N 1, 2) - docs.cntd.ru. - URL: https://docs.cntd.ru/document/1200020703 (дата обращения: 14.09.2024). - Текст : электронный.
8. Хаглеев, А. Н. Установка для модификации поверхности полимерных пленок в низкотемпературной плазме скользящего разряда атмосферного давления / А. Н. Хаглеев, К. А. Демин, М. А. Мокеев. - Улан-Удэ, 2022.
