ОБРАБОТВАНЕ В КОРОНЕН РАЗРЯД НА РАЗЛИЧНИ ПОЛИМЕРНИ...
description
Transcript of ОБРАБОТВАНЕ В КОРОНЕН РАЗРЯД НА РАЗЛИЧНИ ПОЛИМЕРНИ...
ОБРАБОТВАНЕ В КОРОНЕН
РАЗРЯД НА РАЗЛИЧНИ
ПОЛИМЕРНИ ФИЛМИ
Т.А. ЙовчеваПловдивски Университет „Паисий Хилендарски”Катедра „Експериментална физика”
СЪДЪРЖАНИЕ
Образци. Зареждане в коронен разряд.
Два метода за изследване на измененията на повърхността на образците след зареждането им в корона.
Влияние на три различни фактори върху стабилността на електричния заряд.
Влияние на зареждането в корона при холографски запис.
Обработване в коронен разряд на биоразградими полимерни филми.
1. Образци:Синтетични полимерни филми (PP, PET, PTFE) с
дебелина 20µm и 40µm. Биоразградими полимерни филми от полимлечна
киселина с различна степен на кристалност, с дебелина ~ 40µm.
СХЕМА ЗА ЗАРЕЖДАНЕ ПО МЕТОДА НА КОРОННИЯ РАЗРЯД
1 – източник на високо напрежение;
2 – корониращ електрод;
3 – решетка;
4 – плосък заземен електрод;
5 – образец;
6 – делител на напрежение.
Изследваните образци са зареждани в коронен разряд.
2. Изследване на измененията на повърхността на
образците след зареждането им в корона по два метода:
РЕНТГЕНОВА ФОТОЕЛЕКТРОННА
СПЕКТРОСКОПИЯ
ЛАЗЕРНА РЕФРАКТОМЕТРИЯ
Зареждането в корона създава високо-енергетични кислородосъдържащи заредени частици, които се ускоряват от електричното поле на короната и взаимодействат с повърхността на полимерния филм.
2.1. XPS на 20 µm РР филми
525 530 535 540 545
532.6O1s
Binding Energy (eV)
1
2
3
4
5
XPS спектри за O1s линии
5 – Заредени образци в положителна корона при 75оС.
4 – Заредени образци в отрицателна корона при 75оС.
3 – Заредени образци в положителна корона при 20оС.
2 – Заредени образци в отрицателна корона при 20оС.
1 – Незаредени образци.
Следователно: Предполагат се сорбционни процеси на кислород и
кислородосъдържащи групи по време на зареждането в корона.
Тези процеси се стимулират по различен начин при зареждането в отрицателна и положителна корона.
Изменението на съдържанието на кислорода води до образуването на различни локални повърхностни нива.
20p
20n
(O/C)
(O/C)
75p
75n
(O/C)
(O/C)
75n
20n
(O/C)
(O/C)
75p
20p
(O/C)
(O/C)
ref
20n
(O/C)
(O/C)
ref
20p
(O/C)
(O/C)
2.40 2.42 1.24 1.25 1.29 0.54
XPS анализ
2.2. ЛАЗЕРНА РЕФРАКТОМЕТРИЯ Измерването на показателя на пречупване на полимерни
филм с дебелина под 50 µm се извършва по метода на изчезващата дифракционна картина с двувълнов лазерен рефрактометър (632.8 nm и 532nm).
1.506 1.506
1.5074 1.5074
1.5088 1.5088
1.5102 1.5102
1.5116 1.5116
1.513 1.513
n n
U0 = 910 V
1.5075 1.5075
1.5091 1.5091
1.5107 1.5107
1.5123 1.5123
1.5139 1.5139
1.5155 1.5155
n n
1.506 1.506
1.5074 1.5074
1.5088 1.5088
1.5102 1.5102
1.5116 1.5116
1.513 1.513
n nU0 = 995 V
U0 = 1.4 kV1.5075 1.5075
1.5091 1.5091
1.5107 1.5107
1.5123 1.5123
1.5139 1.5139
1.5155 1.5155
n n
U0 = 1.5 kV
Триелектродна система за зареждане
Двуелектродна система за зареждане
ЛАЗЕРНА РЕФРАКТОМЕТРИЯРазпределението на показателя на пречупване на 20 µm РР
електретни филми в повърхностен слой с дебелина 0,9 µm. UC = 5 kV UC = 10 kV
Сравнението на оптичните и електретните характеристики показа, че електретният заряд основно се отлага на повърхността на короноелектретите.
Показателят на пречупване (n) за електретните образци е по-висок от този за незаредените. Дължи се на повърхностни структурни промени и промени на диполния момент в РР филмите, настъпили по време на зареждането в корона.
Показателят на пречупване (n) e по-висок в центъра на образците и намалява с отдалечаването от него. Следователно, в центъра настъпват най-силни повърхностни изменения.
Разпределението на показателя на пречупване значително зависи от напрежението, приложено на короната и от конфигурацията на зареждащата система.
ЛАЗЕРНА РЕФРАКТОМЕТРИЯ
3. Влияние на различни фактори върху стабилността на
електретния заряд.
ВЛАЖНОСТ
НАЛЯГАНЕ
ЛАЗЕРНО ЛЪЧЕНИЕ
3.1. 20 µm РР ЕЛЕКТРЕТНИ ФИЛМИ, СЪХРАНЯВАНИ ПРИ РАЗЛИЧНА ВЛАЖНОСТ
№ на ексикатора 1 2 3 4 5
Относителна влажност, % 0 32-33 52-55 75-76 98-100
Временни зависимости на повърхностния потенциал Ve за 5C-образци.
Следователно:
Съществени се явяват процесите, протичащи на повърхността на образеца.
Значително е влиянието на влажността, при която се съхраняват образците и трябва да се отчита при изучаване стабилността на електретните сензори и устройства.
ПЕРКОЛАЦИОНЕН 2D МОДЕЛ tPVtV 1 eoe
eoV - повърхностен потенциал, измерен след получаването на електрета
P - плътността на безкрайния кластер, като функция на тази част от повърхността , която е покрита със зародиши в момента t . Кинетика на нарастване на зародишите /адсорбирана фаза/ след
зареждането, в момент 0 t :
tvttqtt
t
t
dd -exp , - 1
2
0
0
0201 -exp vtvtv
tq , 0 - част от повърхността, оставаща свободна от зародиши в момента на
зареждането; t - скорост на образуването на зародиши, зависеща от времето
на релаксация и константите: 01v , 02v .
Разработена е програма за компютърен анализ на експерименталните данни, използваща Flexyplex пакета.
Получени са теоретичните криви и 5те параметъра, характеризиращи образуването и нарастването на кластерите до един безкраен кластер, осигуряващ бърза неутрализация на електретните заряди.
0 10 20 30 40 50 60
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1300 Torr
20 Torr
100 Torr
V
e / V
eo
t, min
3.2. ЕЛЕКТРЕТНИ ФИЛМИ, ПРИ РАЗЛИЧНИ НАЛЯГАНИЯ
Зависимостта на повърхностния потенциал от времето се описва добре с уравнение аналогично на уравнението за десорбция
)1(21 pkk
dt
d, чието решение е: ctbea , eoe VV /
pkk
pka
21
2
,
pkk
kb
21
1
, pkkc 21
Временна зависимостна повърхностния потенциалза РР електрети,съхранявани при различни налягания
Следователно, протича процес на десорбция на заредени частици от повърхността на образците.
-4 -3 -2 -1 0 10,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2V
/ V
o
log (p / Vo)*
Positive charged PTFE
Зависи от отношението p/V0; Различно е за различните знаци на повърхностния заряд; Различно е за различните материали (PP, РЕТ и PTFE); Плътната линия на графиката добре се описва с уравнение, аналог. на ур. на линейна десорбция с повърхностна дифузия:
d
cxerf
ba
V
V
21
20
; *0/log Vpx ; dcba ,,, - параметри
Нормализирано съотношение:
*
00
0*0/
Vp
VpVp ,
където: p0= 1 atm,
*0V =1000V,
р - налягане, V0 - начален повърхностен потенциал.
Обобщена крива
ИЗВОДИ
Познаването на зависимостта на повърхностния потенциал от налягането за тънък полимерен филм от определен материал и на началния потенциа, до който е зареден, позволява да се определи налягането, при което става рязко спадане на повърхностния потенциал.
Съхраняването на електретите при налягане по-ниско от 1 mbar може да се използва като метод за стабилизиране на електретния заряд.
3.3. Oблъчване с ниско-енергетично лазерно лъчение:
- Импулсен лазер на медни пари (Cu-Br), Рср = 300mV; 510,5 nm, 578 nm - Квазинепрекъснат CO2 лазер, Рср = 4V, 10,6 mm .
Vg – напрежение на решетката V0 – начален повърхностен потенциал;Virr - повърхностен потенциал след облъчванеЕ – енергия на облъчване
Зависимости на (Virr/V0) от енергията на облъчване за РР филм.
При облъчване с (Cu-Br) лазер е установена слаба зависимост, докато за CO2 лазера се наблюдава силно експоненциално спадане на Virr/V0.
- Нарастване на съдържанието на кислород след облъчване с Cu-Br лазер
ТЕРМО-ИНДУЦИРАНО ОКИСЛЯВАНЕ.
- Намаляване на съдържанието на кислород след облъчване с CО2 лазер
ЛАЗЕРНА ТЕРМОДЕСОРБЦИЯ:
E
E
V
V
V
V
V
V
уст
irr
уст
irrirr exp1000
,
където: уст
irr
V
V
0
= 0.54, E - constant
XPS резултати показват:
Установени са различните стойности на Virr/V0 за РР образци, заредени в корона при различни температури, след облъчване с CO2 лазер.
Приложение – оптичен запис и съхранение на информация. 0 500 1000 1500 2000 2500
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Virr /
V0
E (J)
Vg = -1kV
Tch
= 80oC
Tch
= 20oC
Стойностите на Virr/V0 за РР образци при облъчване с He-Ne или Cu-Br лазери почти не се изменят.
Приложение – четене на информация, записана и съхранявана от електростатично поле.
3.3. Oблъчване с лазерно лъчение
4. Влияние на зареждането в корона при холографски запис.Холографският запис на Брегови решетки се комбинира със зареждане на плаката в коронен разряд. Допълнително индуцираната поляризуемост при зареждането в корона води до подобряване на холографските характеристики – повишава се дифракционната ефективност (DE).
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,00,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
DE
(a.
u.)
Exposure (J/cm2)
Samples type 11 - uncharged2 - corona charged
1
2
Аморфни азобензенни полимери
Отрицателно и положително заредени образци.
Фотополимерни материали на базата на акриламиди.
0 100 200 300 400 500 6000,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
Dif
frac
tion
eff
icie
ncy
(%)
Exposure (mJ/cm2)
Uncharged Negatively charged Positively charged
Фотополимерни нанокомпозити на базата на акриламиди, легирани с различна концентрация на ALPO наночастици.
Приблизително еднакво нарастване на DE с около 3 пъти при вкарване на 10wt.% ALPO в чист полимер или при зареждане на чистия полимер в корона.
Най-добра DE (нараства с около 7 пъти) при вкарване на 2.5wt.% ALPO в отрицателно заредена полимерна матрица.
С вкарване на зеолитни наночастици и зареждане в корона може да се управлява нарастването на DE от 1.4 до 7 пъти.
Успешно беше разработена технология за получаване на стабилни електретни филми от полимлечна киселина, съдържащи различен процент кристална и аморфна фаза.
Резултатите показват тенденция на стабилизиране на повърхностния потенциал при съхранение с времето.
0 10 20 30 40 500,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0 (a)
V /
V0
t (days)
Sample 1.1 Sample 1.5
0 10 20 30 40 50 600,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0 (b)
V /
Vo
t (days)
Sample 1.1 Sample 1.5
Образци: 1.1- PLA; 1.5 – PLDA.
a) отрицателна корона; (b) положителна корона.
5. 1. Филми от полимлечна киселина
Изследвани бяха структурните и термични свойства,
оптичните и електретните характеристики.
Резултатите показаха, че могат да се получават заредени
филми от полимлечна киселина с предварително зададени
стойности на показателя на пречупване и на
повърхностния потенциал, чрез изменение на степента на
кристалност, условията на зареждане в корона и
съхранение при различни понижени налягания.
5.1. Филми от полимлечна киселина
Получаване на многослойни структури по метода на електростатично самоподреждане: последователна адсорбция на полианиони и поликатиони от полиелектролитни водни разтвори върху твърда заредена в корона подложка.
5.2. Многослойни наноструктури
По
дл
ож
ка 1) Полианион
2) Изплакване
3) Поликатион
4) Изплакване
В спектрите на пропускане в близката инфрачервена област се наблюдават допълнителни линии на адсорбция при 3060 nm и 3125 nm, които доказват нарастване на количеството адсорбирано вещество.
Поли-L–лизин/ карбоксиметилцелулоза мултислоеве върху полипропиленова подложка.
Необратимото нарастване на мултислоевете се доказва с намаляването на показателя на пречупване, поради по-голямото количество адсорбиран буферен разтвор.
Дисперсионни криви на
показателя на пречупване
Пектин/ хитозан мултислоеве върху различни подложки от полимлечна киселина - PLA, PLDA.