Введение к работе
Актуальность проблемы. Низкотемпературная плазма находит широкое применение как для решения ряда технологических задач, так и в практике научных исследований. Среди различных видов неравновесных плазменных систем особое место занимает "холодная" плазма низкого давления, которая характеризуется высокой энергией электронов и большой концентрацией химически активных частиц при низкой газовой температуре.
В настоящее время в области технологического использования "холодной" плазмы сложилась ситуация, когда инженерные решения и практическая реализация опережают фундаментальные исследования, посвященные пониманию физико-химических закономерностей плазмохимических процессов. Сегодня уже созданы образцы промышленного оборудования и реализованы отдельные технология модифицирования полимерных пленочных и текстильных материалов в неравновесной плазме воздуха. Внешние параметры таких процессов выбираются в основном эмпирически. Это связано, во-первых, со сложностью анализа реакций, протекающих в неравновесных условиях, а во-вторых, с тем, что плазма является самосогласованной системой, физические характеристики которой, определяющие ее химическую активность, сами зависят от инициированных плазмой химических превращений. В то же время, очевидно, что без понимания механизмов активации газа, роли различных акгивньа частиц в реакциях с обрабатываемым материалом и без учета влияния химических превращений в влазме на ее свойства эффективная оптимизация плазменных технологий невозможна.
В связи с этим выяснение механизмов процессов, определяющих состав активных компонентов плазмы воздуха, а так же выявление закономерностей ее воздействия на полимерные материалы является актуальной задачей.
Работа выполнялась в рамках научно-технической программы "Университеты России", 1995-1997 г.г., а также пользовалась поддержкой гранта Министерства общего и профессионального образования по направлению "Химические технологии", 1997 г.
Целью работы являлось: 1) установление механизмов процессов, определяющих состав основных компонентов плазмы воздуха; -
2) анализ влияния химических превращений в плазме на ее физические параметры, в
частности - на вид функции распределения электронов по энергиям и коэффициенты
скоростей процессов с участием электронов;
3) выявление кинетических закономерностей травления полимера и образования
газообразных продуктов реакций при воздействии плазмы воздуха на пленки и ткани
из полиэтилентерефтапата; определение основных активных частиц, реагирующих с
полимером.
Научная новизна.
-
Проанализированы механизмы заселения и дезактивации излучающих состояний атомарного кислорода и молекулярного азота в плазме воздуха. Обоснован метод определения концентрации атомов кислорода в основном состоянии по отношению шггенсивностей излучения линии атомарного кислорода 01 (Зр P-»3s S) и полосы молекулярного азота N2 (C3I"Iu,V=0-V В3ПВ, V=2).
-
Проанализированы процессы с участием электронов, влияющие на формирование функции распределения электронов по энергиям. Показано, что таковыми являются столкновения электронов с молекулами N2, О2, включая ионизацию, диссоциацию и возбуждение электронно-колебательных состояний, а также сверхупругие столкновения электронов с колебательно-возбужденными молекулами азота в основном электронном состоянии. Другие компоненты плазмы: молекулы N0, атомы азота и кислорода, возбужденные состояния молекул N2, О2, -не влияют на формирование ФРЭЭ из-за малости их концентраций.
-
Разработана кинетическая модель процессов образования и гибели основных нейтральных компонентов плазмы воздуха, включая электронно- и колебательно-возбужденные молекулы азота и кислорода, атомы N и О в основном и возбужденных состояниях, а так же озон и оксиды азота. Результаты расчета по модели находятся в хорошем согласии с экспериментально измеренными концентрациями молекул N0 и атомарного кислорода в основном состоянии, заселенностями нижних колебательных уровней молекулы N2(X'Eg+) в исследованном диапазоне давлеїшя (30-300 Па) и тока разряда (20-110 мА).
4. Получены систематические данные о кинетике травления полимеров на основе полиэтилентерефталата в плазме воздуха:
а) измерены скорости убыли массы полимеров и их температурные зависимости;
б) впервые определены скорости образования газообразных продуктов и расходования кислорода при обработке полимеров в плазме и ее потоковом послесвечении. На основе этих данных установлено, что основным травящим агентом является кислород, наиболее вероятно в виде атомов.
5. Найдено, что взаимодействие полимера с плазмой приводит к изменениям ее параметров и, как следствие, к изменениям скоростей взаимодействия (эффект загрузки), т.е. плазма и полимер представляют собой единую самосогласовашгую систему. Предложено качественное объяснение этого эффекта.
Практическая ценность работы. Результаты и выводы, полученные в работе, могут использоваться при выборе оптимальных условий модифицирования поверхности полимерных материалов в плазме воздуха, а таже для расчетов параметров плазмы и кинетики протекающих в ней реакций при моделировании режимов работы плазмохимических реакторов.
Апробация работы и публикации. По результатам работы опубликовано 3 статьи и тезисы восьми докладов. Основные положения, результаты и выводы докладывались и обсуждались на II международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии - "ISTAPC-95" (Иваново, 1995), на 9 международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии (Москва, РХТУ, 1995 г.г.), на постоянно действующем семинаре по получению, исследованию и применению неравновесной плазмы (Москва, ИНХС им. А.В.Топчева РАН, 1995), на II конгрессе химиков-текстильщиков колористов (Иваново, 1996) на 1 региональной межвузовской конференции "Актуальные проблемы химии, химической технологии и химического образования "Химия-96" (Иваново, 22-26 апреля 1996, ИГХТА) и на ежегодных научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников ИГХТА 1994, 1995.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов и библиографии. Общий объем диссертации составляет 158 страниц, включая 6 таблиц и 32 рисунка. Список литературы содержит 171 наименований.