Введение к работе
Актуальность проблемы. Низкотемпературная плазма находит применение в различных областях промышленности. Наибольшее распространение получили процессы плазменного модифицирования поверхности полимерных материалов. Полимерные пленки и волокна характеризуются низкими значениями поверхностной энергии, плохо смачиваются растворителями, практически не склеиваются, обладают плохой адгезией к напыленным слоям металлов. Обработка в плазме пониженного давления позволяет в широких пределах изменять свойства поверхности полимеров и тем самым значительно расширить область их применения.
Однако, несмотря на многочисленность достигнутых положительных эффектов, в целом промышленное применение плазмохимических методов обработки полимеров далеко не соответствует их потенциальным возможностям. Инженерные разработки и их практическая реализация сдерживаются недостаточным пониманием исследователями механизмов физико-химических явлений, обеспечивающих целевой эффект (уменьшение краевого угла смачивания, увеличение работы адгезии), а также неразработанностью методов управления быстро протекающими технологическими процессами этого типа.
Неравновесная плазма высокочастотного емкостного (ВЧЕ) разряда выгодно отличается от других плазмохимических процессов равномерностью и стабильностью горения разряда, неограниченным ресурсом службы. Однако, и этот вид плазменной обработки не получил должного практического применения, не в последнюю очередь, из-за сложности диагностики характеристик разряда на высокой частоте и их зависимости от времени. В таких условиях управление объектами по заранее выбранной временнй программе не обеспечивает должной воспроизводимости результатов модифицирования. Еще одним недостатком существующего уровня развития плазменной технологии является нестабильность приобретенных свойств поверхности – плазмообработанные материалы стареют при дальнейшем хранении, и их гидрофильные свойства ухудшаются. Температура материала в разряде не поддается непосредственному измерению. Вместе с тем от значения достигнутой в момент выгрузки из реактора температуры полимера зависят не только вновь приобретенные свойства его поверхности, но и степень их дальнейшей стабильности.
Актуальность работы обусловлена тем, что в настоящее время остаются неразработанными методы управления процессами плазменного модифицирования, от успешной реализации которых непосредственно зависят качественные показатели продукции – смачивание, адгезия к металлам, стабильность свойств поверхности плазмообработанных полимеров.
Цель работы. Разработка способа управления и автоматизированной системы управления процессом модифицирования
поверхности полимерных материалов в плазме высокочастотного разряда, обеспечивающих стабильность приобретенных свойств поверхности.
Методы исследования. При выполнении работы использовались методы математического моделирования, численного решения дифференциальных уравнений, теории автоматического управления, разработки автоматизированных систем управления.
Научная новизна. Разработана математическая модель нагрева газа и материала в нестационарном процессе модифицирования поверхности полимеров в плазме высокочастотного газового разряда пониженного давления. Модель рассматривает плазмохимический реактор как многослойную систему «приэлектродный слой – разрядный промежуток – полимерная пленка – разрядный промежуток – приэлектродный слой» и позволяет рассчитать распределение температуры в незаполненном и заполненном материалом разрядном промежутке в произвольный момент времени.
Разработана методика диагностики характеристик ВЧЕ разряда, предусматривающая автоматизированный контроль мгновенной активной мощности разряда с помощью экстремальной системы регулирования. Показано, что плазмохимический реактор с полимерной пленкой представляет собой сложный в динамическом отношении объект управления, у которого ток и мощность разряда меняются со временем, а время установления этих параметров сравнимо с продолжительностью процесса модифицирования.
Для процесса плазменного модифицирования полиэтилена, поливинилхлорида и политетрафторэтилена определены критические температуры поверхности, обеспечивающие минимизацию эффекта старения плазмообработанных пленок.
Разработан способ управления процессом плазменного модифицирования поверхности полимерных материалов, предусматривающий автоматическое определение момента окончания процесса или его стадии по достигнутой критической температуре материала, определяющей стабильность приобретенных свойств поверхности. Показано, что управление процессом плазменного модифицирования предложенным способом и его реализация с помощью разработанных АСУ обеспечивают устойчивость свойств поверхности плазмообработанных полимерных пленок.
Разработаны алгоритмы и структуры двух автоматизированных систем управления, реализующих одностадийный и двухстадийный (первая стадия – в атмосфере водяного пара, вторая стадия – в атмосфере остаточного воздуха) процессы плазменного модифицирования поверхности полимеров.
Автоматизированная система управления двухстадийным процессом
плазменного модифицирования формирует сигнал мгновенной активной мощности разряда и осуществляет функции переключения реактора из стадии в стадию и отключение разряда по значениям достигнутой критической температуры поверхности полимера, рассчитываемой в режиме реального времени.
Практическая ценность. Практическую значимость работы представляют:
- зависимости температуры газового разряда и температуры поверхности полимера от активной мощности разряда;
- использование температуры полимера в плазме как показателя оценки качества свойств поверхности плазмообработанных материалов;
- способ управления процессом модифицирования поверхности полимерных материалов, обеспечивающий устойчивость свойств поверхности плазмобработанных полимерных пленок;
- алгоритмы и структурные схемы автоматизированных систем управления процессами модифицирования поверхности полимерных материалов в плазме высокочастотного газового разряда.
Защищаемые положения:
- математическая модель нагрева газа и материала в процессе модифицирования поверхности полимеров в плазме высокочастотного разряда пониженного давления, позволяющая рассчитать распределение температуры в разрядном промежутке в произвольный момент времени;
- способ управления процессом модифицирования поверхности полимерных материалов в плазме высокочастотного разряда, предусматривающий автоматическое определение момента окончания процесса или его стадии по достигнутой критической температуре материала, определяющей стабильность приобретенных свойств поверхности;
- алгоритмы и структуры АСУ, реализующих одностадийный и двухстадийный процессы плазменного модифицирования поверхности полимеров, предусматривающие автоматическое формирование сигнала мгновенной мощности разряда и расчет температурного поля в материале в режиме реального времени.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов подтверждается согласием теоретических и экспериментальных данных (температура пленки в плазме).
Отдельные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на международной конференции «Ресурсосбережение в химической технологии». – Санкт-Петербург, 30 – 31 мая 2012 г. – Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет). – СПб: СПбГТИ(ТУ), а также на научных семинарах кафедры системного анализа Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 научные работы.
Реализация результатов. Предложенный способ управления использован при реализации процесса плазменного модифицирования поверхности полимерных пленок (ООО «Класс-Инжиниринг», г.Санкт-Петербург). На предложенный в диссертации способ управления процессом плазменного модифицирования поверхности полимеров подана заявка на
патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 126 страницах, состоит из четырех глав, содержит 27 рисунка, 23 таблиц, список литературы насчитывает 102 наименования.
