Введение к работе
* —' .<;.( к
Актуальность проблемы. Неорганические и органические, синтети
ческие и натуральные: капиллярно-пористые и:волокнистые материалы широко
применяются в промышленности и в быту. Физические и механические свой
ства этих материалов не удовлетворяют современным требованиям, в связи с
чем возникает необходимость их модификации. Возможности модификации
свойств этих материалов традиционными методами практически исчерпаны.
Поэтому в настоящее время интенсивно исследуются возможности примене
ния новых технологий, в том числе с использованием неравновесной низко
температурной плазмы. :><
Эффективным методом модификации материалов различной физической природы является обработка в плазме-высокочастотного (ВЧ) струйного разряда при пониженном давлении в диапазоне от 13,3 до 133 Па. Этот вид разряда характеризуется следующими параметрами: в разряде концентрация электронов «,,= 1017 — 1019 м", температура электронов Т^~ 1 - 3 эВ, температура tяжелых частиц до1 Т(= 0,27 эВ4 в плазменной струе Tvn 1016 — 101S m"j'," 7). *= 1 - 2 эВ, температура тяжелых частиц до 7)= 0,02 эВ. Плазма ВЧ разряда понй> жетгаго давления позволяет эффективно обрабатывать порошковые материалы, малогабаритные изделия, внутренние и наружные поверхности изделий сложной конфигурации.-В последнее время плазменные технологии стали применять and обработки тканей, нитей, полимерных материалов; обладающих
КаПИЛЛЯрНО-ПОрИСТОЙ И ВОЛОКНИСТОЙ СТРУКТУРОЙ. ' " * : ' -'!'( " illi-Kl і nil ;..
Обработка в ВЧ разряде пониженного давления позволяетіувеличить адгезию полимерных материалов к покрытию, изменить физические свойства натуральных,-'" искусственных и синтетических капйллярно'-пористых .и; волокнистых материалов. Однако в настоящее время физика "ВЧ- разряда пониженного давления-в процессах обработки капидлярно-пористыхым волокнистых материалов :№с изучена, не установлена физическая ^сущность процесса взаимодействия'ВЧ разряда пониженного '.давлен-ияоес.капиялярноч пористыми и волокнистыми'* материалами, Вее^ это'Сдерживает^разработку; плазменных установок и технологических процессов для модификации капиллярно-пористых и'волокнистых тел и внедрение-их|в производство.
ДиссертационнаяР"ра6ота"-направлена нагл решение ('актуальной проблемы комплексного'>''; исследования высокочастотного'! и"; разряда пониженного давления^ процесса*' модификации капиллярнониористых-и-волокнистых материалов. ' «Позволяющих существенно -> '^повысить технологические и эксплуатационные характеристики изделий .из'.оэгмцж материалов Ja счет целенаправленного изменения их структуры,, физических и
МеХаНИЧе'СКИХ СВОЙСТВ. .1М'<>.-'<; W-... - j ,..-,1 -. .і'" '*' /.'Л!к&<:&г;ГЛН1
В диссертации изложены результаты работы автора по исследованию высокочастотного разряда поиижшйо№!'давяения с продувом'papa вціроиессах
*;' выражаю "свою ''благодар'І-іостіі за' 'ЇШсул:Ш&ию: 'тіроф., ,;д;т.їі->'"'Kf'fuiHQWp
Владимиру Владимировичу :-о! "'':'"'<>>-"' ' <r.«jit/o>i
обработки различных капиллярно-пористых и волокнистых материалов, а также материалов компактной структуры в период 1998 — 2006 г.г..
Работа выполнялась в Казанском государственном технологическом университете в рамках программы Министерства образования РФ №417 "Взаимодействие атомных частиц с поверхностью - новые методы и технологии", по теме "Взаимодействие низкотемпературной плазмы с поверхностью твердых тел" 1992 - 2000 гг.. Федеральной программы «Концепция развития мехового комплекса России на 1999-2005 г.г.», Федеральной программы "Экологическая безопасность России" (шифр 8.1.38), при поддержке грантов ЛИ РТ № 06-6.4-113 и № 06-6.4-299 по теме «Высокочастотная плазменная струйная обработка твердых тел компактной и капиллярно-пористой структур» 2002 - 2005 г.
Цель и задачи исследования. Целью работы являются комплексные исследования высокочастотного разряда пониженного давления с продувом газа в процессах модификации капиллярно-пористых и волокнистых материалов, результаты которых позволяют создавать на их основе технологические процессы для направленного изменения структуры, физических и механических свойств этих материалов.
Поставленная цель достигается решением следующих основных задач:
-
Комплексные экспериментальные исследования параметров ВЧ разряда пониженного давления с продувом газа в процессах взаимодействия с капиллярно-пористыми и волокнистыми материалами в сравнении с обработкой материалов компактной структуры;
-
Исследование характеристик высокочастотного разряда внутри пористого объема капиллярно-пористых и волокнистых материалов.
-
Разработка математической модели взаимодействия ВЧ разряда пониженного давления с капиллярно-пористыми и волокнистыми материалами.
-
Изучение и установление закономерностей изменения свойств капиллярно-пористых и волокнистых материалов в результате воздействия ВЧ-разряда пониженного давления в сравнении с материалами компактной структуры.
-
Создание физической модели объемной обработки в ВЧ разрядах пониженного давления капиллярно-пористых и волокнистых материалов.
-
Разработка применений объемной обработки капиллярно-пористых и волокнистых материалов с помошыо ВЧ разрядов пониженного давления в технологических процессах модификации материалов различной физической природы.
Методики исследований. В диссертационной работе для решения поставленных задач применены современные методы и методики исследований.
Для исследований параметров плазменной струи при обработке
капиллярно-пористых и волокнистых материалов с использованием
высокочастотного разряда пониженного давления создан измерительный
комплекс, состоящий из: ...
-
модифицированной трубки Пито для измерения скорости плазменного потока в процессах обработки капиллярно-пористых и волокнистых материалов;
-
измерителя лучистых потоков и проточных калориметров для определения плотности теплового потока при обработке капиллярно-пористых и волокнистых материалов;
-
миниатюрного магнитного зонда для определения напряженности магнитного поля в ВЧ разряде и окрестности капиллярно-пористых и волокнистых материалов;
-
миниатюрного пояса Роговского для измерения плотности тока в ВЧ разряде и окрестности капиллярно-пористых и волокнистых материалов;
-
системы СВЧ измерения концентрации электронов методом свободного пространства, резонаторным методом и методом отсечки сигнала при обработке в ВЧ разряде капиллярно-пористых и волокнистых материалов;
6. топографического интерферометра для измерения концентрации
электронов и толщины слоя положительного заряда (СПЗ) в окрестности ка
пиллярно-пористых и волокнистых материалов;
-
анализатора с осесимметричным электрическим полем для измерения энергии ионов, бомбардирующих поверхность, и плотности ионного тока поступающего на поверхность капиллярно-пористых и волокнистых материалов;
-
одиночного зонда Ленгмюра для измерения постоянного потенциала плазмы в окрестности капиллярно-пористых и волокнистых материалов и внутри пористого объема.
Для определения степени воздействия ВЧ разряда пониженного давления на свойства капиллярно-пористых и волокнистых материалов использовались электронная микроскопия, рентгеноструктурный и рентгенографический анализ, ИК спектроскопия, стандартные методики измерения физико-механических свойств.
Теоретические исследования процесса взаимодействия ВЧ разряда пониженного давления с капиллярно-пористыми и волокнистыми материалами проводились с помощью математического моделирования, на основе современных численных методов с использованием вычислительной техники.
Достоверность сформулированных в диссертации научных положений и практических рекомендаций обеспечена применением комплекса современных методов экспериментальных и теоретических исследований, их статистической обработкой и согласованием экспериментальных и теоретических результатов и в сравнении с результатами других авторов.
Научная новизна.
1. Впервые проведены комплексные экспериментальные исследования ВЧ разрядов пониженного давления в процессах обработки капиллярно-пористых и волокнистых материалов с размерами пор 5+ 200 мкм, в результате которых установлено, что концентрация электронов, напряженность магнитного поля и плотность тока в плазме уменьшаются на 5- 10% в окрестности образцов, по сравнению с аналогичными характеристиками плазмы, измеренны-
ми при обработке материалов компактной структуры. Характеристики ВЧ разряда и настройка генератора практически не изменяются.
-
Впервые экспериментально установлено, что образец капиллярно-пористого и волокнистого материала в ВЧ разряде пониженного давления становится дополнительным электродом, в его окрестности образуется слой положительного заряда толщиной до 2,5 мм, а на его поверхность поступает поток ионов с энергией 10 - 100 эВ и плотностью ионного тока 0,5 -25 А-м"2.
-
Впервые экспериментально установлено, что при воздействии ВЧ разряда пониженного давления на капиллярно-пористые и волокнистые материалы внутри пористого объема формируется несамостоятельный разряд без положительного столба, положительный потенциал зонда Ленгмюра составляет 5 - 7 В.
-
Впервые с помощью построенной математической модели теоретически обоснована возможность модификации капиллярно-пористых и волокнистых материалов внутри пористого объема. Показано, что в порах и капиллярах создается электрическое поле напряженностью ~ 104 - 105 В-м"1, за счет которого возможно зажигание несамостоятельного разряда.
-
Впервые установлен физический механизм объемной обработки в высокочастотном разряде пониженного давления капиллярно-пористых и волокнистых материалов с размером пор 5 -*- 200 мкм. В результате возникновения у поверхности образца слоя положительного заряда, внутри пористого объема зажигается несамостоятельный разряд. Рекомбинация на внутренней поверхности пор и капилляров заряженных частиц, образующихся при пробое газов в объеме пор, приводит к модификации физических свойств материалов.
Практическая ценность работы.
На основе результатов выполненных экспериментальных и теоретических исследований разработаны следующие технологии ВЧ плазменной обработки материалов различной физической природы:
Плазменная осушка и активация силикагеля, позволяющая уменьшить энергозатраты технологического процесса в 30 раз по сравнению с традиционной технологией, увеличить поглощение катализатора в 1,5 раза;
Обработка сорбентов, приводящая к увеличению сорбционной емкости за счет вскрытия закрытых пор, увеличения размеров пор.
Обработка синтетических волокон, позволяющая увеличить прочность сцепления полиэтиленовых волокон с эпоксидной матрицей ЭД20 на 122%, улучшить смачиваемость волокон материалом матрицы;
Модификация капиллярно-пористых волокнистых материалов животного и растительного происхождения, позволяющая улучшать физико-механические характеристики материала, изменять пористость и аморфно-кристаллическую структуру материала.
Газонасыщение стали и сплава карбида вольфрама с кобальтом, за счет чего увеличивается срок службы изделий в 4 раза;
Созданные технологические процессы и специальное оборудование для модификации капиллярно-пористых и волокнистых материалов внедрены
в промышленное производство в ПТПТ ОАО «Мелита» и ООО «Фреза» с суммарным экономическим эффектом 15 млн. руб. На защиту выносятся:
1. Результаты экспериментальных исследований характеристик ВЧ
разряда пониженного давления с продувом газа в присутствии капиллярно-
пористого и волокнистого материала, характеристик СПЗ, возникающего в
окрестности обрабатываемого тела, и характеристик несамостоятельного
разряда в пористом объеме материала.
-
Математическая модель СПЗ, описывающая взаимодействие ВЧ разряда пониженного давления с поверхностью в процессе обработки капиллярно-пористых и волокнистых материалов различной физической природы.
-
Закономерности изменения свойств капиллярно-пористых и волокнистых материалов неорганической и органической природы, а также материалов компактной структуры в результате воздействия ВЧ разряда пониженного давления.
-
Физическая модель ВЧ плазменной обработки капиллярно-пористых и волокнистых материалов, описывающая механизм возникновения несамостоятельного разряда в капиллярах и порах изделия.
5. Технологии модификации капиллярно-пористых и волокнистых
материалов с применением ВЧ разрядов пониженного давления, позволяющие
за счет объемной обработки регулировать эксплуатационные свойства
материалов.
Таким образом, диссертационная работа представляет собой научно обоснованную технологическую разработку, обеспечивающую решение ряда важнейших прикладных задач, имеющих большое народнохозяйственное и социальное значение и заключающуюся в создании комплекса новых процессов модификации капиллярно-пористых и волокнистых материалов для улучшения эксплуатационных, потребительских и технологических свойств изделий, с применением ВЧ разряда при пониженном давлении.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 17-м Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Казань, 2003), 16-й международной конференции «Thermal Plasma Processes» (Strasbourg, 2000), 3-й, 4-й международных конференциях «Физика плазмы и плазменные технологии» (Minsk, 2000, 2003), международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы науки, техники и экономики легкой промышленности" (Москва, 2000), 17-й международной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью (ВИП - 2005)" (Звенигород, 2005), всероссийской научно-практической конференции «Инновации в машиностроении - 2001» (Пенза, 2001), всероссийских научных конференциях по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-2001, 2004 (Петрозаводск, 2001, 2004), 4-й международной научно-практической конференции «Хозяйственно-питьевая и сточные воды: проблемы очистки и использования» (Пенза, 2002), 5-й Всероссийской научно-
практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2002), международной студенческой конференции "Фундаментальные науки специалисту нового века" (Иваново, 2002), 11-й конференции по физике газового разряда (Рязань, 2002), 30-й, 31-й, 32-й, 33-й Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2003 - 2006), 4-й международной научной конференции "Полимерные композиты, покрытия, пленки" (Гомель, 2003), 3-й Всероссийской конференции «Физическая электроника-2003» (Махачкала, 2003), международной научной конференции "Актуальные проблемы науки, техники и экономики производства изделий из кожи" (Витебск, 2004), отчетной научно-методической конференции КГТУ "Образовательный процесс в КГТУ: вчера, сегодня, завтра" (Казань, 2004) ,4-м Российском семинаре "Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды" (Москва, 2003), 3-м международном симпозиуме «Вакуумные технологии и оборудование» (Харьков, 1999), 3-м и 4-м Международных симпозиумах по теоретической и прикладной плазмохи-мии (Иваново, 2002, 2005), 16-м международном симпозиуме «Plasma Chemistry» (Taormina, 2003), на круглом столе «Легкая промышленность» (Казань, 2000), первой окружной ярмарке бизнес- ангелов и инноваторов "Российским инновациям - Российский капитал" (Нижний Новгород, 2003), на ежегодной научной сессии КГТУ (1998 - 2006).
Основные результаты изложены в 108 публикациях, в том числе в ведущих рецензируемых научных журналах -14, одной монографии.
За внедрение технологии в ТПТП ОАО «Мелита» в 2003 г. присуждена государственная премия Республики Татарстан в области науки и техники.
Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах состоит в постановке цели и задач исследований, выборе методики эксперимента, непосредственном участии в их проведении, анализе и обобщении экспериментальных результатов, в разработке математической модели взаимодействия ВЧ разряда пониженного давления с материалами, разработке физической модели возникновения несамостоятельного разряда в капиллярно-пористом объеме, разработке технологии обработки материалов ВЧ разрядом пониженного давления. Вклад автора является решающим на всех стадиях работы.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов, библиографии (452 наименования) и приложения. Изложена на 350 страницах машинописного текста, содержит 110 рисунков и 35 таблиц.
