Помимо красоты, плазма газового разряда может весьма широко использоваться в различных отраслях в качестве инструмента модификации, активации, очистки. Одна из традиционных областей применения — это легкая промышленность, где плазма пониженного или атмосферного давления используется для обработки полимерных пленок с целью подготовки её под окраску, лакировку, склеивание изделий и тому подобному. Т.е. по сути цель воздействия плазмы здесь — это увеличение поверхностной энергии материала. Придание же поверхности специфических свойств, например формирование максимального количество определенного типа двойных связей при отсутствии связей другого типа является задачей нетривиальной в следствии высокой химической активности неравновесной газоразрядной плазмы.
В последнее время область применения полимерных материалов существенно расширилась. Кроме традиционного, сравнительно примитивного применения в качестве упаковочных, электроизоляционных, текстильных материалов их, в частности полимеры, используют при изготовлении обменных мембран, волокон. Появилось большое количество полимеров медицинского назначения — к ним предъявляется ряд специфических требований, удовлетворить которые зачастую возможно лишь прививкой на поверхность различных лекарственных препаратов, для чего поверхность должна быть однородно и однотипно активирована. Т.е. возникла идея, озвученная в предыдущем абзаце – придание поверхности специфических свойств.
Ввиду того, что интересы, в том числе и научные, связаны с низкотемпературной плазмой, было прочитано ряд работ, в которых показана возможность применения для модификации полимерных материалов так называемых плазменно-растворных систем. Простейшая система представляет собой металлический и жидкий электроды, между которыми горит газовый разряд, причем модифицируемый материал находится в растворе. В такой системе активность плазмы может сочетаться с направленностью и избирательностью процессов, протекающих в растворе под ее воздействием.
Таким образом, плазменно-растворные системы могут оказаться перспективным направлением развития и совершенствования методов селективного придания полимерным материалам определенных свойств. Для этого была придумана нижеописанная установка:
Установка представляет собой ячейку с раствором, через которую проходит полимерная пленка, протягиваемая электромеханическим приводом.
Поверхность раствора в ячейке сканируется разрядом в обратно поступательном движении с остановками для протяжки пленки. Таким образом, у нас получился двух — координатный станок с чпу.
Прототип был выполнен из приводов двух игрушечных машинок, куска органического стекла и нескольких полупроводниковых приборов. Так как, по-моему с текстом я уже перебрал, то приведу для наглядности видео ролики:
Далее заменили систему сканирования на привод от CD-ROM для того чтобы избавиться от ИК датчиков, так же заменили систему протяжки пленки на механизм прогонки бумаги через принтер. Так как приводы на основе шаговых двигателей то пришлось немного изменить электрическую часть…
Электрическая часть состоит из платы с микроконтроллером AVR ATmega8 и двух драйверов двигателей L293d и l298N.
В процессе работы от разряда, раствор в ячейке грелся и пришлось дополнительно изготовить ячейку большего объема. Для обмена жидкостями между ними применили два насоса омывателя автомобиля ваз.
Дальнейшая работа усложнилась в связи с отсутствием органов управления, так как каждый раз перепрошивать микроконтроллер уже изрядно надоело. В итоге переделалась почти вся установка: поместили все в отдельный корпус, заменил мк на мегу16 добавил LCD и несколько кнопок — получился пульт, для управления скоростями и расстояниями:
На этом, установку оставили в покое, было поставлено много экспериментов, выявлены оптимальные режимы работы, для разных растворов и вкладываемой в разряд мощности. На всех роликах в качестве рабочего раствора используется обыкновенная дистиллированная вода. Эксперименты проводились с разными растворами, о результатах по объективным причинам пока сказать не могу. На установку был получен патент.
Для этого ресурса статью пишу впервые, и еще не со всем разобрался особенно с оформлением. По содержанию пишите в комментариях.
Спасибо за внимание!
Комментарии (28)
arheops
08.11.2016 16:31+1Патент на ванночку с протяжным механизмом?
Так и не понял из статьи какой результат. Тоесть вот вы сделали это, а зачем? На пленке рисунки рисовать или для чего?
CybSys
08.11.2016 17:28Для модификации поверхности полимеров для последующего прививания разнообразных свойств.
Прививаемые свойства зависят от фантазии и знаний ученого, мы всего лишь сделали инструмент для этого. Он и был запатентован.arheops
08.11.2016 17:34+1Не, ну это ж гиктаймс, не научный журнал. Людям интересно прежде всего решение конкретной задачи. А вы «сдали инструмент и запатентовали». Причем простой инструмент то, даже до 3д принтера(которые мейнстрим уже дано) не дотягивает. Да и сам процесс создания тоже скомкано описан. Текста почти нет. Есть ролик — на котором происходит непонятный процесс. Смысл от меня ускользает.
CybSys
08.11.2016 18:27Патент – это все не столь уж важно и не такое это уж большое достижение.
Установку ни кому не сдавали, она осталась на кафедре, на которой я учился и закончил. Это был дипломный проект бакалаврской работы, часть которой ушел потом в магистерскую диссертацию, но это не суть.
Что касается конструкции и описания работы: рулон пленки шириной 50мм крепится на валу. Пленка протягивается через ячейку с раствором в верхней части, которой есть два ролика (на рисунке их видно), под ними проходит пленка, выходит из ячейки и крепится на ведущем валу. Ячейка заполняется автоматически раствором из дополнительного резервуара большего объема, в дальнейшем происходит циркуляция раствора между ячейкой и дополнительным резервуаром и покрывает пленку примерно 5мм раствора, от его поверхности до полимера.
После включения питания, через пульт управления настраиваются скорость сканирования электрода, скорость и угол поворота ведущего вала, на который наматывается пленка. После включения режима пульта меню «Работа» и зажжения разряда, электрод начинает двигаться от одной стенки к другой, с паузой для включения протяжного механизма. Таким образом, производится обработка всей площади пленки.
А вообще за критику спасибо, на этот ресурс пишу впервые и немного не знаю, как лучше это делать. Писать много не стал, побоялся, что будет много писанины и не кто читать ее не будет. Думал что из роликов все видно.
ra3vdx
09.11.2016 00:20Интересно, но действительно — весьма загадочно)
А где можно почитать о физике процесса? То есть вот это «привить полимеру» в первом приближении как аналог легирования примесями полупроводников?
Gozdi
09.11.2016 10:32плазма рвет молекулы, в зависимости от газового состава плазмы или вводимых в нее веществ, идет процесс графтинга, присоединение через радикалы нужных концевых групп. Тем самым можно привить например, на неполярные полимеры полярные группы и далее прикрепить через ковалентную связь нужный полимер. Работать можно с поверхностью, а можно с объемом полимера, создавая гибридные сплавы, механически (в расплаве) не совместимые.
CybSys
09.11.2016 11:05Не совсем, легирование это в основном диффузионный процесс, в нашем же случае происходит взаимодействие только с поверхностью обрабатываемого материала. В виду того что плазма является высокоэнергетическим инструментом, она разделяет воду на Н и ОН радикалы, которые присоединяются к поверхности полимера.
Про физику процесса надо статейку посмотреть, как подберу, пришлю.Gozdi
09.11.2016 11:16а если дунуть азот, то присоединятся более интересные для графтинга концевые группы. Можно амины, силоксаны и много что еще в поток газа ввести и привить.
CybSys
09.11.2016 11:50Можно, много что можно, но это все надо пробовать и исследовать. В этой же статье рассмотрена празма — растворная система. Может быть в другой статье расскажу про плазматроны и их применение…
Gozdi
09.11.2016 11:57но это все надо пробовать и исследовать.
Это существующие, коммерциализированные технологии графтинга ))
Psychosynthesis
09.11.2016 01:35Ну, с установкой-то как раз всё понятно.
Вы бы более конкретно описали для чего эту плёнку можно потом использовать на практике. А то с «лекарствами на плёнке» это как-то туманно…Gozdi
09.11.2016 10:40хирургические материалы, повязки, пластыри, импланты например.
Psychosynthesis
09.11.2016 14:18Импланты из плёнки? Или нанесение плёнки поверх материала импланта? Но она же полимерная, не разлагается?
Gozdi
09.11.2016 14:37Импланты из плёнки? Или нанесение плёнки поверх материала импланта? Но она же полимерная, не разлагается?
Пленка, IMHO, тут вторична, лекарство на полимере по возможностям много шире.
И таки да, в основном импланты не разлагаемые. Биосовместимых полимеров раз два и обчелся. Неполярные фторопласты, силиконы и свмпэ (проблема остаточных пероксидов и витамин Е добавлять надо), ПЕЕК полярный и требуется инкапсуляции напылением титана поверх.
Moog_Prodigy
09.11.2016 20:05Меня всегда интересовало, что же это за работа (в смысле: где вы работаете, кем? ) такая хитрая, что подобные эксперименты можно делать? Или это в свободное от работы время?
CybSys
10.11.2016 10:12Это была дипломная работа, когда учился в университете. Сейчас наверное можно сказать что работаю фриансером – занимаюсь разработкой и конструированием различных машин и аппаратов. Как для плазмохимической отрасли, так и просто для машиностроения и т.п. Есть ряд и собственных проектов, но редко получается заниматься.
Andris_habrahabr
10.11.2016 10:12Возможно аспирант, готовится к защите (предполагаю, что химия высоких энергий или что-то подобное) :)
CybSys
10.11.2016 10:15Аспирантуру закончил несколько лет назад, защитился, специальность «физическая химия» :)
sergku1213
Вы бы написали более развернуто для какой цели обработку в растворе плазмой применять решили? Из картинок понятно что селективное смачивание. Селективное по участку поверхности и селективное по типу смачивающего агента, я так понимаю? Но видите ли, я-то здесь химик, мне как бы ближе, но многим было бы интересна не таким «эзоповым языком» изложенная цель работы, я думаю. Спасибо.
CybSys
В установке используется тлеющий разряд, вкладываемая в него энергия больше чем в коронный разряд применяемый в установках для активации полимерных пленок при атмосферном давлении.
Если поместить полимер в раствор (воду) и «дубасить» сверху разрядом, то на поверхность пленки осаждаются свободные радикалы, образовавшиеся в процессе влияния разряда на раствор. При дальнейшем стороннем воздействием, например другими реагентами, полимеру можно привить множество разнообразных свойств. Такие свойства как гидрофобность и/или гидрофильность можно получить и без воздействия сторонних реагентов. Одной из задач ставилась обработка определенной площади, а не маленького клочка пленки, для этого и было все автоматизировано: сканирующий электрод, лентопротяжка и т.д.
Состав раствора влияет на состав радикалов взаимодействующих с поверхностью полимера.
Если опять не раскрыл суть, говорите…
Sworfly
А как на счет увеличения электропроводности, возможно ли это?
CybSys
Возможно, но на сегодняшний день как мне думается лучше напылить проводник, например магнетронным методом