листовой материал, способ улучшения характеристик поверхности листового материала, способ генерирования плазмы тлеющего разряда и устройство для инициирования плазмы тлеющего разряда

Формула изобретения

1. Полученный дутьем из расплава листовой материал с поверхностью, обладающей улучшенной смачиваемостью и улучшенной способностью к повторному смачиванию, отличающийся тем, что его обрабатывают в течение заданного промежутка времени при атмосферном давлении плазмой тлеющего разряда, генерируемой усилителем высокой частоты, выдающим напряжение со среднеквадратичным значением 1 - 5 кВ при частоте 1 - 100 кГц.

2. Листовой материал по п.1, отличающийся тем, что плазма инициируется в инертном газе.

3. Листовой материал по п. 2, отличающийся тем, что газ представляет собой гелий, аргон, воздух или смесь из двух перечисленных газов.

4. Листовой материал по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что он представляет собой полимерный материал.

5. Листовой материал по п.4, отличающийся тем, что полимерный материал является полипропиленом.

6. Листовой материал по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что обработка производится при частоте 1 - 30 кГц.

7. Способ улучшения характеристик поверхности полимерного листового материала путем обработки листового материала плазмой тлеющего разряда, создаваемой в объеме газа, расположенном между двумя разнесенными электродами, за счет генерирования однородной плазмы тлеющего разряда с находящимися между упомянутыми электродами активными частицами, отличающийся тем, что на эти электроды от усилителя высокой частоты подают напряжение со среднеквадратичным значением 1 - 5 кВ при частоте 1 - 100 кГц, а размещение листового материала в зазоре между электродами внутри плазмы производят на определенное время в условиях перепада давлений, под действием которого через листовой материал проходят активные частицы.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что газ представляет собой инертный газ.

9. Способ по п.7, отличающийся тем, что газ представляет собой гелий, аргон, воздух или смесь из двух перечисленных газов.

10. Способ по любому из пп.7 - 9, отличающийся тем, что листовой материал представляет собой полученный дутьем из расплава полимерный листовой материал.

11. Способ по любому из пп.7 - 10, отличающийся тем, что частота составляет 1 - 30 кГц.

12. Способ по любому из пп.7 - 11, отличающийся тем, что листовой материал имеет неограниченную длину и протягивается между электродами с постоянной скоростью, подвергаясь в течение заданного времени обработке плазмой.

13. Способ генерирования плазмы тлеющего разряда в объеме между двумя электродами, питаемыми от усилителя высокой частоты с цепью согласования импедансов, отличающийся тем, что на электроды подают от усилителя напряжение со среднеквадратичным значением 1 - 5 кВ при частоте 1 - 100 кГц и производят заполнение при давлении в 1 атмосферу объема между электродами газом, в котором может инициироваться плазма тлеющего разряда, при этом в объеме между электродами инициируется и поддерживается однородная плазма тлеющего разряда при давлении в 1 атмосферу за счет создания высокочастотного электрического поля такой частоты, которая является, с одной стороны, достаточно большой для удержания положительных ионов плазмы между электродами, а с другой стороны, недостаточной для того, чтобы в течение полупериода высокочастотного напряжения электроны плазмы также удерживались между электродами.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что электроды располагают внутри газонепроницаемого кожуха, внутрь которого непрерывно подается определенное количество газа.

15. Способ по п.13 или 14, отличающийся тем, что газ представляет собой гелий, аргон, воздух или смесь из двух перечисленных газов.

16. Способ по любому из пп.13 - 15, отличающийся тем, что расстояние между электродами составляет 5 см или меньше.

17. Способ по п. 16, отличающийся тем, что по крайней мере положение одного из электродов регулируется относительно положения другого.

18. Способ по любому из пп.13 - 17, отличающийся тем, что усилитель частоты работает в диапазоне от 1 до 100 кГц.

19. Способ по любому из пп.13 - 18, отличающийся тем, что среднеквадратичное значение напряжения усилителя составляет 1 - 5 кВ.

20. Устройство для инициирования плазмы тлеющего разряда, содержащее пару электрически изолированных электродов, питаемых от усилителя высокой частоты с цепью согласования импедансов, отличающееся тем, что генерируется напряжение со среднеквадратичным значением 1 - 5 кВ при частоте 1 - 100 кГц, причем электроды, которым придана форма пластин, располагают параллельно и крепят эквидистантно друг напротив друга таким образом, что между ними образуется объем, который при давлении в 1 атмосферу заполняется газом, в котором может инициироваться плазма тлеющего разряда, при этом предусмотрено устройство для инициирования и поддержания однородной плазмы тлеющего разряда при давлении в 1 атмосферу путем создания высокочастотного электрического поля такой частоты, которая оказывается, с одной стороны, достаточно большой для удержания положительных ионов плазмы между электродами, а с другой стороны, недостаточной для того, чтобы в течение полупериода высокочастотного напряжения электроны плазмы также удерживались между электродами.

21. Устройство по п. 20, отличающееся тем, что устройство для зарядки объема между упомянутыми пластинами содержит защитный кожух, внутри которого располагаются отделенные друг от друга объемом пластины.

22. Устройство по п.20 или 21, отличающееся тем, что оно включает устройство для подачи газа, за счет непрерывной подачи которого давление внутри кожуха поддерживается на уровне одной атмосферы.

23. Устройство по любому из пп.20 - 22, отличающееся тем, что газ представляет собой гелий, аргон, воздух или смесь из двух перечисленных газов.

24. Устройство по любому из пп.20 - 23, отличающееся тем, что пластины имеют жидкостное охлаждение.

25. Устройство по п.24, отличающееся тем, что трубки системы охлаждения крепятся к пластинам для отбора от них тепла.

Приоритет по пунктам:

29.10.1993 по пп.1 - 19;

28.05.1993 по пп.20 - 25.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к органическому и неорганическому полимерному листовому материалу, в частности, к пленке, тканому или нетканому волокну, способу улучшения характеристик поверхности такого материала, способу генерирования плазмы тлеющего разряда для модифицирования поверхностных свойств органических и неорганических полимерных материалов и к устройству для инициирования плазмы тлеющего разряда.

Одним из многих вариантов использования полученных методом дутья из расплава полимерных листовых материалов является их применение в качестве сепараторных пластин батарей из жидкостных элементов. Само полимерное соединение является непроницаемым для электролита. Однако изготовленная методом дутья из расплава нетканая волокнистая структура, если ее поверхность достаточно хорошо смочена электролитом, является ионопроницаемой. К сожалению, большинство существующих полимеров таких, как полиамид, полипропилен, полиэтилен и поли(этилентерефталат) не обладают необходимой способностью к смачиванию.

При использовании полученных методом дутья из расплава полимерных листовых материалов в качестве сепараторных пластин батарей их смачиваемость достигается в настоящее время химическим путем с помощью поверхностно-активных веществ. При этом образуются представляющие определенную опасность промышленные отходы, а сам получаемый продукт обладает ограниченным сроком службы.

Смачиваемость является также желательным свойством для тканей и тканых материалов, используемых для вытирания или очистки тела, для хирургических губок, перевязочных средств, предметов женской гигиены и вязаных тканей многоразового пользования. Кроме того, смачиваемость является одним из важных свойств поверхности материалов, используемых для печатания и ламинирования.

В SU 1039438 A описан листовой материал подобного рода, полученный дутьем из расплава и имеющий поверхность, обладающую улучшенной смачиваемостью и улучшенной способностью к повторному смачиванию.

В последнее время в этой области были достигнуты определенные успехи, связанные с обработкой полимерных листовых материалов плазмой тлеющего разряда. Обычно словом "плазма" называют частично ионизированный газ, состоящий из ионов, электронов и нейтральных частиц. Такое состояние материи может быть получено под воздействием либо очень высоких температур, либо сильного постоянного тока, либо электрических полей высокой частоты. Высокотемпературные или "горячие" плазмы представлены излучающими свет небесными телами, атомными взрывами и электрическими разрядами. Плазмы тлеющего разряда образуются свободными электронами, которые возбуждаются под действием постоянного тока или электрического поля высокой частоты и затем сталкиваются с нейтральными молекулами. При столкновении электронов с нейтральными молекулами происходит передача энергии молекулам и образование различных активных частиц, к которым относятся протоны, метастабильные частицы, отдельные атомы, свободные радикалы, молекулярные осколки, мономеры, электроны и ионы. Эти частицы являются химически активными и/или способны физически модифицировать поверхность, и с их помощью можно получать химические соединения с новыми поверхностными свойствами или соответствующим образом модифицировать свойства существующих соединений.

Слабомощные плазмы, известные как несветящиеся коронные разряды, широко используются для поверхностной обработки термочувствительных материалов таких, как бумага, вата и синтетические полимеры, такие, как полиэтилен, полипропилен, полиолефин, полиамид и поли(этилентерефталат). Из-за относительно небольшого энергосодержания плазмы коронного разряда могут изменять свойства поверхности материала без ее повреждения.

Плазмы тлеющего разряда представляют собой другой тип плазмы с относительно низкой удельной мощностью, используемой для неразрушающей модификации поверхности материала. С помощью таких плазм тлеющего разряда можно получить полезные количества видимого ультрафиолетового излучения. Дополнительным преимуществом плазм тлеющего разряда является, следовательно, возможность получения видимого и ультрафиолетового излучения одновременно в присутствии активных частиц. Однако до сих пор плазмы тлеющего разряда обычно генерировали в условиях низкого разрежения или частичного вакуума при давлениях ниже 10 торр, что обуславливало периодический характер процесса и требовало использования дорогостоящей системы вакуумирования. У некоторых образцов полимеров, обработанных при, низком давлении плазмами тлеющего разряда, было обнаружено улучшение характеристик, связанных с их поверхностной смачиваемостью. Однако химические и физические механизмы этого явления остаются до сих пор нераскрытыми и при этом после сушки смачиваемость поверхности у этих образцов уменьшается до начального уровня. Возможность повторного смачивания нереальна.

Один из таких процессов для обработки поверхности листового полимерного материала раскрыт в GB 1128595 A, когда улучшение характеристик поверхности полимерного листового материала получают путем его обработки плазмой тлеющего разряда, создаваемого в объеме газа, расположенном между двумя разнесенными электродами, за счет генерирования однородной плазмы тлеющего разряда с находящимися между упомянутыми электродами активными частицами.

Генерирование плазм с низкой удельной мощностью при атмосферном давлении не является новым. Нитевидные разряды между параллельными пластинами в воздухе при атмосферном давлении используются в Европе начиная с конца 19-го века для получения озона в больших количествах с целью обработки воды, используемой в общественных целях. Такие нитевидные разряды, с успехом используемые для получения озона, не могут, однако, успешно использоваться для поверхностной обработки материалов, поскольку плазменные шнуры пробивают или неравномерно меняют свойства обрабатываемой поверхности.

Задача настоящего изобретения, учитывая все вышесказанное, состоит в том, чтобы предложить не создающий побочных продуктов процесс повышения смачиваемости полученных дутьем из расплава полимерных листовых материалов и других видов полимерных субстратов.

Еще одной задачей изобретения является разработка процесса генерирования плазмы тлеющего разряда для обработки полимерного листового материала или пленки, позволяющего получить обладающий устойчивыми свойствами и способностью к повторному смачиванию продукт.

Еще одной задачей изобретения является разработка способа и аппаратуры для непрерывной обработки полимерного листового материала или пленки неограниченной длины плазмой тлеющего разряда при атмосферном давлении и нормальной температуре.

Задачей изобретения является также выбор вида и рабочих параметров плазмы тлеющего разряда для обработки материалов при давлениях около одной атмосферы или немного выше.

Все эти задачи могут быть достигнуты при помощи предложенных ниже технических средств.

Листовой материал, изготовленный дутьем из расплава и имеющий поверхность, обладающую улучшенной смачиваемостью и улучшенной способностью к повторному смачиванию, получают согласно изобретению обработкой его в течение заданного промежутка времени при атмосферном давлении плазмой тлеющего разряда, генерируемой усилителем высокой частоты, выдающим напряжение со среднеквадратичным значением от 1 до 5 кВ при частоте от 1 до 100 кГц.

В одном случае плазма инициируется в инертном газе. В другом случае газ представляет собой гелий, аргон, воздух или смесь из двух перечисленных газов.

В предпочтительном варианте выполнения листовой материал представляет собой полимерный материал, который является полипропиленом.

При этом обработка листового материала производится при частоте в пределах от 1 до 30 кГц.

Предложенный способ улучшения характеристик поверхности полимерного листового материала заключается в обработке листового материала плазмой тлеющего разряда, создаваемой в объеме газа, расположенном между двумя разнесенными электродами, за счет генерирования однородной плазмы тлеющего разряда с находящимися между упомянутыми электродами активными частицами. Согласно изобретению на эти электроды от усилителя высокой частоты подают напряжение со среднеквадратичным значением от 1 до 5 кВ при частоте 1 - 100 кГц, а размещение листового материала в зазоре между электродами внутри плазмы производят на определенное время в условиях перепада давлений, под действием которого через листовой материал проходят активные частицы.

При осуществлении способа используют инертный газ (гелий, аргон) или воздух, или смесь из двух перечисленных газов.

Полученный по предложенному способу листовой материал представляет собой изготовленный дутьем из расплава полимерный листовой материал.

Способ согласно изобретению ведут при частоте в диапазоне от 1 до 30 кГц.

В процессе способа по изобретению используют листовой материал неограниченной длины и протягивают его между электродами с постоянной скоростью, подвергая в течение заданного времени обработке плазмой.

Предлагается также способ генерирования плазмы тлеющего разряда в объеме между двумя электродами, питаемыми от усилителя высокой частоты с цепью согласования импедансов. Согласно изобретению на электроды подают от усилителя напряжение со среднеквадратичным значением от 1 до 5 кВ при частоте от 1 до 100 кГц и производят заполнение при давлении в 1 атмосферу объема между электродами газом, в котором может инициироваться плазма тлеющего разряда, при этом в объеме между электродами инициируется и поддерживается однородная плазма тлеющего разряда при давлении в 1 атмосферу за счет создания высокочастотного электрического поля такой частоты, которая является, с одной стороны, достаточно большой для удержания положительных ионов плазмы между электродами, а с другой стороны, недостаточной для того, чтобы в течение полупериода высокочастотного напряжения электроны плазмы также удерживались между электродами.

В предпочтительной форме реализации способа электроды располагают внутри газонепроницаемого кожуха, внутрь которого непрерывно подается определенное количество газа упомянутого выше состава, причем расстояние между электродами составляет 5 см или меньше и по крайней мере положение одного из электродов регулируется относительно положения другого.

Предпочтительно также, чтобы усилитель частоты работал в диапазоне от 1 до 100 кГц при среднеквадратичном значении напряжения от 1 до 5 кВ.

Способ реализуется с помощью устройства для инициирования плазмы тлеющего разряда, содержащего пару электрически изолированных электродов, питаемых от усилителя высокой частоты с цепью согласования импедансов.

Согласно изобретению этим устройством генерируется напряжение со среднеквадратичным значением от 1 до 5 кВ при частоте от 1 до 100 кГц, причем электроды, которым придана форма пластин, располагают параллельно и крепят эквидистантно друг напротив друга таким образом, что между ними образуется объем, который при давлении в 1 атмосферу заполняется газом, в котором может инициироваться плазма тлеющего разряда, при этом предусмотрено устройство для инициирования и поддержания однородной плазмы тлеющего разряда при давлении в 1 атмосферу путем создания высокочастотного электрического поля такой частоты, которая оказывается, с одной стороны, достаточно большой для удержания положительных ионов плазмы между электродами, а с другой стороны, недостаточной для того, чтобы в течение полупериода высокочастотного напряжения электроны плазмы также удерживались между электродами.

Предусмотренное устройство для зарядки газом объема между упомянутыми пластинами содержит защитный кожух, внутри которого располагаются отделенные друг от друга объемом пластины.

Предложенное для реализации способа устройство также включает устройство для подачи газа, за счет непрерывной подачи которого давление внутри кожуха поддерживается на уровне одной атмосферы.

В устройстве используется газ также вышеуказанного состава.

Для повышения эффективности работы устройства электродные пластины имеют жидкостное охлаждение, при этом трубки системы охлаждения крепятся к пластинам для отбора от них тепла.

В результате предложенных технических средств удалось создать улучшенный листовой материал, который представляет собой предпочтительно полученный дутьем из расплава полимерный листовой материал, поверхность которого прошла обработку при постоянном атмосферном давлении плазмой тлеющего разряда. Перечисленные выше и другие цели изобретения, как уже отмечалось, реализуются в основном с помощью устройства на базе пары электрически изолированных металлических пластинчатых электродов, между которыми при желании можно разместить промежуточную пластину или сетку.

Для расширения диапазона рабочих частот и других параметров, обеспечивающих получение однородного (в противоположность нитевидному) тлеющего разряда, в устройство для зарядки электродов добавлена согласующая импедансная цепь. Параметры этой согласующей цепи регулируются для получения наиболее устойчивого однородного тлеющего разряда. Такие условия достигаются при минимальной реактивной мощности плазменного реактора.

Высокочастотный усилитель мощности, соединенный с обоими электродами, вырабатывает по крайней мере 180 Вт реактивной мощности и мощности плазмы при среднеквадратичных значениях (скз) рабочего напряжения от 1 до 5 кВ (скз) и частоте от 1 до 100 кГц.

Для инициирования плазмы используется стандартная электромагнитная катушка Tesla, с помощью которой в зазоре между возбуждаемыми током высокой частоты пластинчатыми электродами генерируется электрический разряд. Электрическое поле, создаваемое между металлическими пластинчатыми электродами, должно быть достаточно мощным для того, чтобы обеспечить пробой находящегося в зазоре между электродами газа, причем если вместо обычного воздуха этот зазор заполнить гелием или аргоном, то мощность электрического поля может быть значительно снижена. Частота тока должна быть выбрана соответствующим образом, как описано подробнее ниже, поскольку при слишком низкой частоте не происходит инициирования разряда, а при слишком высокой частоте между пластинами образуются плазменные нитевидные разряды. Только при частотах, лежащих в сравнительно узком диапазоне, в зазоре между электродами при атмосферном давлении будет обеспечен режим однородной плазмы без нитевидных разрядов.

Инициирование и последующее поддержание плазмы в заполненном атмосферным воздухом, гелием или аргоном объеме между пластинчатыми электродами позволяет обрабатывать материал типа полимерной пленки или листа для придания его поверхности требуемых характеристик, таких как смачиваемость и способность к повторному смачиванию.

Изобретение далее поясняется описанием примеров выполнения со ссылкой на чертежи, на которых одни и те же элементы имеют одинаковые обозначения и на которых изображены:

на фиг. 1 - схема предлагаемого в изобретении устройства;

на фиг. 2 - электрическая схема зарядного устройства с согласующей импедансной цепью для питания устройства, изображенного на фиг. 1;

на фиг. 3, 4 и 5 - различные варианты электрических схем выходной цепи зарядного устройства для устройства, изображенного на фиг. 1;

на фиг. 6 - схема другого варианта предлагаемого в изобретении устройства;

на фиг. 7 - схематичное изображение верхней камеры атмосферного реактора плазмы тлеющего разряда с промежуточной сетчатой пластиной;

на фиг. 8A-B - графики переменного напряжения, тока и мощности для однородной плазмы тлеющего разряда;

на фиг. 9A-B - графики переменного напряжения тока и мощности для плазмы с нитевидным разрядом;

на фиг. 10 - график в логарифмической шкале зависимости удельной суммарной мощности и мощности плазмы в милливаттах на кубический сантиметр (мВт/см³) от среднеквадратичного значения напряжения на электродах;

на фиг. 11 - график с логарифмическим масштабом на обеих осях зависимости удельной суммарной мощности и мощности плазмы (мВт/см³) от частоты;

на фиг. 12 - график зависимости угла сдвига по фазе между током пробоя и напряжением от частоты усилителя, соответствующий конкретному примеру выполнения изобретения;

на фиг. 13 - график зависимости потребляемой мощности от частоты усилителя, иллюстрирующий конкретный пример выполнения изобретения.

В показанном схематично на фиг. 1 устройстве электроды 10 изготовлены в виде медных квадратных пластин с размерами 21,6 х 21,6 см. К пластинам электродов 10 серебром припаяны закрытые петли 11, изготовленные из медной трубки диаметром 0,95 см, на противоположных краях которых расположены резьбовые ниппели 12 и 13. Края пластин электродов выполнены скругленными с радиусом кривизны, равным расстоянию от электрода до промежуточной пластины, что исключает возможность электрического пробоя межэлектродного пространства на краях электродов. Не показанная на фиг. 1 система охлаждения прокачивает охлаждающую жидкость по трубчатой петле 11 через подводящий и отводящий ниппели 12 и 13.

Пластины электродов 10 и трубчатые петли 11, припаянные друг к другу, покрыты со всех сторон обладающим высокой диэлектрической прочностью изоляционным материалом 14, исключающим возможность возникновения электрической дуги на краях и на тыльных сторонах пластинчатых электродов.

Предпочтительно в рассматриваемой конструкции предусмотреть механизм для регулирования расстояния между пластинами электродов 10, которое должно составлять приблизительно до 5 см при параллельном расположении пластин. Такой механизм показан схематично на фиг. 1 и выполнен в виде регулирующих штоков 15, соединенных с пластинами электродов 10. Такая конструкция обеспечивает возможность размещения между пластинами электродов 10 неподвижной промежуточной пластины 30.

Обычно под параллельностью понимается взаимное положение параллельных плоскостей, однако этот же термин можно использовать для характеристики взаимного положения не плоских, а эквидистантных поверхностей. Этим же термином можно охарактеризовать и взаимное положение цилиндров с параллельными осями, а также взаимное положение цилиндра и плоскости.

Для подачи напряжения на пластинчатые электроды 10 используется низкоимпедансный высоковольтный высокочастотный усилитель 20 мощности с независимым регулированием напряжения и частоты в пределах от 1 до 5 кВ и от 1 до 100 кГц. Между высокочастотным усилителем 20 и пластинами электродов 10 включена согласующая импедансная цепь 31, показанная на фиг. 2 и подробно описанная ниже.

Пластинчатые электроды расположены внутри изолирующего кожуха 21, который обеспечивает возможность создания и контроля определенной атмосферы газа в плоском объеме между пластинами электродов 10. Внутрь изолирующего кожуха через подводящий патрубок 22 подается соответствующий газ, в качестве которого можно использовать воздух, гелий или аргон, смесь гелия или аргона с кислородом или воздухом или смесь гелия с аргоном. В любом случае давление внутри изолирующего кожуха 21 равно по существу атмосферному давлению, что исключает или уменьшает необходимость применения специальных уплотнений для герметизации кожуха. Обычно через патрубок 22 внутрь кожуха под атмосферным давлением подается такое количество соответствующего газа, которое компенсирует возможные его утечки из кожуха. Поскольку давление внутри кожуха 21 равно наружному давлению, то и утечки газа из кожуха, обусловленные перепадом давлений, оказываются весьма незначительными. Вентиляционная труба 28 с регулирующим запорным клапаном 29 используется для продувки кожуха при запуске устройства. При нормальной работе клапан 29 может находиться в закрытом положении.

В изолирующем кожухе 21 имеются узкие окна 23, предназначенные для пропускания между пластинчатыми электродами 10 листового материала W, который сматывается с барабана 24 и наматывается на барабан 25. Барабаны 24 и 25 имеют регулируемый привод, с помощью которого регулируется в зависимости от свойств обрабатываемого листового материала скорость его движения и продолжительность процесса плазменной обработки в зазоре между электродами.

Для расширения диапазона рабочих частот и других параметров, обеспечивающих получение однородного (не нитевидного) тлеющего разряда, к источнику питания для зарядки электродов 10 подключена согласующая импедансная цепь, один из вариантов которой схематично показан на фиг. 2. Параметры этой цепи регулируются таким образом, чтобы тлеющий разряд между электродами носил наиболее устойчивый однородный характер. Такой режим обеспечивается при минимальном значении реактивной мощности плазменного реактора.

На фиг. 3-5 показаны другие обладающие определенными преимуществами варианты схемы усилителя 20 мощности. На фиг. 3 показана схема, в которой нижняя клемма Т₁ электрода заземлена, а на верхнюю клемму Т₂ подается полное рабочее напряжение. На фиг. 4 и 5 показаны электрически эквивалентные схемы, в которых на клеммы Т₁ и Т₂ подается половинное напряжение со смещением по фазе на 180^o. В схеме, показанной на фиг. 4, заземлена центральная точка обмотки трансформатора, а на фиг. 5 показана полупроводниковая силовая цепь.

На фиг. 6 показана схема устройства с двумя различными вариантами устройства для непрерывной прокачки через листовой материал содержащего активные частицы плазменного газа. Для этого можно использовать либо устройство 35 сильфонного типа с приводом от совершающего возвратно-поступательные перемещения штока 33 или поршневой механизм возвратно-поступательного действия, состоящий из поршня 36 и штока 32. Изменение объема верхней камеры сопровождается периодическими изменениями перепада давлений на листовом материале W и соответствующим протеканием через него плазменного газа. В альтернативном варианте полость за поршнем 36 соединяется с нижней камерой кожуха магистралью 34, которая показана пунктирными линиями на фиг. 6.

В показанном на фиг. 6 варианте предлагаемого устройства имеется заземленная сетка 30, на которую опирается перемещающийся внутри кожуха от одного узкого окна 23 к другому листовой материал W. Такая сетка способствует ослаблению электрического заряда, накапливающегося на обрабатываемом материале, и образует несущую опорную конструкцию типа мембраны для движущегося листового материала, находящейся под действием перепада давления между верхней камерой, в которую газ поступает, и нижней камерой, из которой газ отводится. Под действием такого перепада давлений происходит внутреннее насыщение листового материала W газом, в котором содержатся образующиеся в плазме активные частицы.

Электрические поля в реакторе однородной плазмы тлеющего разряда при атмосферном давлении имеют низкую напряженность (порядка нескольких киловольт на сантиметр), и если говорить о постоянном токе, то для электрического пробоя находящегося в реакторе газа требуется сравнительно небольшая напряженность электрического поля. Такие газы, как гелий и воздух, пробиваются под действием таких слабых электрических полей, однако если все положительные ионы остаются в зазоре между двумя параллельными или равноотстоящими друг от друга электродами, что существенно увеличивает длительность их существования в плазме, то электроны могут свободно проходить к изолированным пластинчатым электродам, рекомбинируя или создавая на них поверхностный заряд. Наиболее предпочтительная однородная атмосферная плазма тлеющего разряда образуется, следовательно, при определенной частоте высокочастотного электрического поля, с одной стороны, достаточно высокой для улавливания ионов между промежуточной сеткой и пластинчатым электродом, а с другой стороны, недостаточно большой для улавливания в этой зоне электронов в течение полупериода высокочастотного напряжения. Электроны могут улавливаться под действием биполярных электростатических сил.

Если частота тока будет настолько низкой, что и ионы, и электроны смогут достичь границ воздушного промежутка и рекомбинировать на них поверхностный заряд, то длительность их существования в газе будет столь непродолжительной, что плазма либо вообще не инициируется, либо инициируется в виде отдельных нитевидных разрядов между пластинами электродов. Частота электрического поля должна лежать в достаточно узком диапазоне частот, обеспечивающем колебательный характер движения ионов между промежуточной сеткой и пластинчатым электродом, с тем чтобы в течение полупериода колебаний ионы не успели достичь ни одной из границ воздушного промежутка и могли существовать в течение достаточно длительного промежутка времени. Для образования однородной плазмы необходимо, чтобы более подвижные электроны могли покидать занимаемое плазмой пространство и достигать с ударом его границ. Если частота будет настолько большой, что и электроны, и ионы будут удерживаться в зазоре между электродами, то в результате разряда будет генерироваться нитевидная плазма.

Не ограничиваясь рамками какой-либо конкретной теории, авторами была установлена определенная зависимость между расстоянием между электродами и среднеквадратичным значением напряжения на электродах и его частотой, обеспечивающая удержание в зазоре между двумя электродами ионов, но не электронов, и получение при атмосферном давлении однородной плазмы тлеющего разряда. На фиг. 7 схематично показана верхняя камера реактора атмосферной плазмы тлеющего разряда. Нижней границей этой зоны служит промежуточная несущая сетка, плавающий потенциал которой должен соответствовать условиям ее заземления при подаче на электроды напряжения высокой частоты по двухтактной схеме с заземлением центрального ответвления. В рассматриваемом варианте промежуточная сетка соединена с "землей" через индуктивный дроссель. В показанной на фиг. 7 схеме принята прямоугольная система координат с направлением электрического поля по оси x. Максимальная амплитуда электрического поля в зазоре между промежуточной сеткой и верхним электродом равна E₀, а расстояние между сеткой и электродами равно d. Показанная на фиг. 7 промежуточная сетка не пропускает ионы через среднюю плоскость из верхней камеры реактора в нижнюю и наоборот.

Электрическое поле, создающееся между электродами, показанными на фиг. 7, описывается уравнением

E = (E₀sint,0,0) (1)

Предполагают, что атмосферный тлеющий разряд происходит в магнитном поле свободной плазмы. Уравнение движения ионов или электронов между двумя пластинами определяется моделью Лоренца, согласно которой электроны и ионы соударяются только с нейтральным фоновым газом, и при каждом соударении отдают всю энергию, полученную от электрического поля высокой частоты с момента последнего столкновения с нейтральным газом. В модели Лоренца уравнение движения ионов или электронов имеет следующий вид:

F=ma=-mv_cv-eE, (2)

где первый член правой части характеризует столкновение по Лоренцу, согласно которому при каждом столкновении, происходящем с частотой v_c, теряется момент количества движения mv. Координата x на фиг. 7 определяется уравнением



полученным из уравнения (2) заменой E на выражение формулы (1). Общее решение уравнения (3) имеет вид

x = C₁sint = C₂cost (4)

где постоянные C₁ и C₂ равны



и



Тлеющий разряд гелия при атмосферном давлении происходит с частотой /2 от 1 до 30 кГц и при этом для гелия при атмосферном давлении

v_ci6,810⁹ [столкновений ионов в секунду](7a)

и

v_ce1,810¹⁰[столкновений электронов в секунду](7б)

Частота столкновений ионов и электронов, определяемая выражениями (7а) и (7б), намного больше частоты поля, т.е. v_c . Соотношение v_c для ионов и электронов означает, что постоянная C₂ намного больше постоянной C₁ или



Зависящее от времени положение иона и электрона в электрическом поле между пластинами электродов можно определить путем подстановки выражения (8) в уравнение (4)



Среднеквадратичное значение (скз) перемещения иона или электрона в течение полупериода равно



Если V₀ является частотой возбуждения в Гц, то угловая частота определяется выражением

= 2V₀, (11)

а максимальное электрическое поле между пластинами электродов может быть аппроксимировано максимальным напряжением V₀ между ними



Если рассматриваемый заряд проходит, пересекая зону разряда, от средней плоскости к одному из пластинчатых электродов в течение полного периода, то можно записать



Из выражения (13) следует, что для нарастания заряда между пластинами электродов среднеквадратичное значение перемещения частицы должно быть меньше половины свободного зазора. В варианте, показанном на фиг. 7, расстояние d равно расстоянию между промежуточной заземленной сеткой и находящимся под напряжением электродом. Подставляя выражения (11)-(13) в уравнение (10), получают следующую зависимость



Решая это уравнение относительно критической частоты V₀, выше которой в объеме плазмы должно происходить накапливание заряда, получают



В уравнении (15) частота столкновений v_c при одной атмосфере приблизительно определяется выражениями (7а) и (7б) для ионов и электронов соответственно, а среднеквадратичное значение напряжения равно напряжению, которое ограничивает верхний и нижний пределы режима однородного разряда.

Режимы, обеспечивающие работу при атмосферном давлении реактора однородной плазмы тлеющего разряда, приведены в табл. 1. Номинальное давление в процессе работы было равно одной атмосфере. Указанные в табл. 1 отклонения давления в несколько торр объясняются не флюктуациями дневного атмосферного давления, а обусловлены определенным перепадом давления на промежуточной сетке, необходимым для прохода активных частиц из верхней плазмы через обрабатываемый листовой материал. Указанные в табл. 1 среднеквадратичные значения мощности представляют собой величину полезной мощности, потребляемой плазмой без учета реактивной мощности, которая не участвует в процессе разряда. Общий объем плазмы между пластинчатыми электродами равен

S= 0,93d (см) [литров], (16)

где d обозначает расстояние от электрода до промежуточной сетки в см.

Указанные в табл. 1 значения удельной мощности намного ниже, чем в электродуговых или плазменных горелках, и на несколько порядков выше, чем при других видах плазменной обработки, например коронных разрядах. Удельные мощности атмосферной плазмы тлеющего разряда, с одной стороны, не столь велики, чтобы повредить обрабатываемый материал, а с другой стороны, они выше, чем в плазмах коронного разряда, обычно используемых для поверхностной обработки, количество образующихся активных частиц в которых намного меньше, чем в предлагаемом варианте. Такие параметры плазмы, как электронная кинетическая температура и показатель плотности, до некоторой степени выбраны умозрительно на начальной стадии разработки предлагаемого изобретения. Результаты исследований средней плоскости плазмы с помощью флотационного датчика Лэнгмюра показывают, что без заземления промежуточной сетки плазма начинает смещаться в сторону положительных потенциалов порядка нескольких сотен вольт. Ионные кинетические температуры близки к комнатной температуре атомов, с которой они обычно сталкиваются при таких высоких давлениях; при этом количество обладающих высокой энергией электронов остается очевидно большим, и их воздействие на нейтральные атомы фона сопровождается возникновением тлеющего разряда. Наличие возбужденных состояний, которые испускают видимые фотоны, означает, что совокупность электронов имеет кинетическую температуру порядка одного электронвольта. Диагностические трудности измерения параметров плазмы при таком высоком давлении весьма значительны, поскольку обычный метод с использованием датчика Лэнгмюра в данном случае не может быть использован из-за короткого среднего свободного пробега электронов, соизмеримого с дебаевским расстоянием. Показатели плотности электронов можно, однако, измерить с помощью микроволновых интерферометров.

На фиг. 8 и 9 показаны для различных частот графики изменения тока и напряжения в среде гелия при одинаковом расстоянии между электродами и одном и том же расходе газа. Фиг. 8 соответствует режиму однородного тлеющего разряда при частоте 2,0 кГц, а фиг. 9 соответствует режиму нитевидного разряда при частоте 8,0 кГц, превышающей рабочий диапазон частот однородной плазмы. Высокий импеданс предлагаемого высокочастотного источника питания позволяет получить очень близкий к синусоидальному характер изменения напряжения (кривая B). График изменения реактивного тока (кривая C) имеет два разрыва на периоде, связанные с пробоем плазмы, один при положительном напряжении, а другой - при отрицательном. Кривая A характеризует изменение реактивного тока при разряде в воздухе, а не в гелии при том же напряжении и тех же условиях. При этих условиях в воздухе плазма не образуется, и мощность является полностью реактивной. Вычитая из общего тока плазмы (кривая C) реактивный ток (кривая A), получают активный ток плазмы (кривая D). Мгновенная мощность, остающаяся в плазме (кривая E), получена умножением значения тока плазмы, превышающего реактивный ток (кривая D), на напряжение в данный момент времени (кривая B). Средняя мощность находится интегрированием показанных импульсов на соответствующем временном интервале с последующим делением полученного результата на длительность интервала интегрирования. Таким способом для показанного существенно несинусоидального характера изменения тока были подсчитаны значения общей мощности и удельной мощности плазмы. Показанные на фиг. 8 и 9 кривые E изменения мощности относятся к однородному (фиг. 8) и нитевидному (фиг. 9) разрядам, и по их форме можно судить о характере происходящего разряда, однородного или нитевидного.

Мощность плазмы представляет особый интерес, поскольку она пропорциональна скорости образования активных частиц в плазме; реактивная мощность, с другой стороны, определяет потребную мощность и выбор источника питания и другой необходимой аппаратуры. Общая мощность источника питания является суммой мощности плазмы и реактивной мощности. На фиг. 10 в логарифмическом масштабе по обеим осям показаны зависимости удельной мощности плазмы и суммарной удельной мощности в милливаттах на кубический сантиметр от среднеквадратичного значения напряжения, приложенного к параллельным пластинам электродов. Активный объем гелиевой плазмы в примере составлял 1,63 л, расстояние d между промежуточной сеткой и каждым из пластинчатых электродов было равно 1,75 см. На фиг. 11 в том же масштабе показаны зависимости удельной мощности плазмы и общей удельной мощности от частоты. Приблизительная граница режима однородного плазменного разряда показана на этих графиках стрелкой. Результаты, приведенные на фиг. 11, относятся к гелиевой плазме того же самого объема и при том же расстоянии между электродами, как и на фиг. 10.

Пример 1.

В первом примере изобретения устройство, показанное на фиг. 1, использовалось для получения плазмы тлеющего разряда при атмосферном давлении и нормальной температуре в среде гелия при расстоянии между пластинами электродов 10, равном 3 см. На пластины электродов подавалось напряжение 4,4 кВ (скз). Во время опытов при прочих постоянных параметрах в качестве независимой переменной величины увеличивали частоту тока. В качестве зависимой переменной определялся угол фазового сдвига тока пробоя (график на фиг. 12) по отношению к узловым точкам волны напряжения. Кроме того, определялась зависимость от частоты общей потребляемой мощности, необходимой для образования плазмы, включающей реактивную мощность и активную мощность плазмы, как показано на фиг. 13.

Пример 2.

Во втором примере изобретения показанное на фиг. 1 устройство использовалось для получения гелиевой плазмы тлеющего разряда при одной атмосфере при нормальной температуре и расстоянии между электродами 10, равном 1,0 см. В этом примере частота тока поддерживалась постоянной на уровне 30 кГц, а напряжение на пластинах электродов изменялось как независимая переменная с определением в качестве зависимых переменных угла сдвига по фазе тока пробоя (табл. 2) и суммарной мощности P (табл. 3).

Пример 3.

В третьем примере расстояние между электродами 10 составляло 1 см, напряжение на электродах составляло 1,5 кB (скз), разряд инициировался при атмосферном давлении в среде гелия. В качестве независимой переменной изменялась частота тока. В табл. 4 приведены результаты измерений зависимой переменной - угла сдвига по фазе тока пробоя, а в табл. 5 - соответствующие значения общей потребляемой мощности.

Пример 4.

На описанном выше устройстве была получена гелиевая плазма с наибольшим объемом 3,1 л при расстоянии между пластинами 3,2 см, напряжении 5 кВ (скз) и частоте 4 кГц.

Полученные дутьем из расплава листовые материалы из полиамида, поли(этилентерефталата), полипропилена и полиэтилена подвергали обработке описанной плазмой тлеющего разряда для получения требуемых характеристик: повышенной смачиваемости и способности к повторному смачиванию.

Смачиваемость материала объективно оценивалась одним или двумя опытами: (а) измерением угла контакта находящейся на поверхности материала капли воды и (б) измерением времени, необходимым для достижения фитильного эффекта на определенной длине испытываемого материала.

В результате этих опытов было установлено, что после обработки плазмой в течение 2,5 мин смачиваемость и способность к повторному смачиванию полипропиленовой, полиамидной, полиэфирной и полиэтиленовой пленок улучшились (угол контакта капли с поверхностью существенно уменьшился).

Для пленки из поли(этилентерефталата) после обработки в течение 2,5 мин плазмой тлеющего разряда при напряжении 5 кВ, частоте 4 кГц и расстоянии 4,5 см между пластинами электродов были получены следующие результаты: поверхностный угол контакта капли равен 0^o, продолжительность фитильного эффекта 37,37 с по стандартной методике INDA измерения абсорбции. До обработки плазмой этот материал имел значительный поверхностный угол контакта капли и не обладал никаким фитильным эффектом.

Точно так же после обработки плазмой в течение 60 с полиамидной пленки, обладающей большим поверхностным углом контакта капли и не обладающей никаким фитильным эффектом, после смачивания и вторичного смачивания были получены следующие результаты: поверхностный угол контакта капли равен 0^o, продолжительность фитильного эффекта 16,61 с (испытания по методике INDA).

В другой серии опытов испытывали два различных полученных дутьем из расплава листовых материала из поли(этилентерефталата) и полипропилена. Эти материалы обрабатывали плазмой тлеющего разряда при атмосферном давлении в среде гелия или гелия и активного газа в течение времени от 0,5 до 2 мин. На электроды подавали напряжение от 1000 до 4000 В (скз) с частотой от 1 до 100 кГц. Листовые материалы имели волокна размером от 2 до 2,5 мкм с размерами пор 20-25 мкм и пористостью 90%. Некоторые результаты проведенных опытов приведены в табл. 6.

Смачиваемость оценивалась по углу контакта, фитильному эффекту и прохождению жидкости через толщину материала и пропитке его поверхности. Склонность материала к фитильному эффекту оценивалась по стандарту INDA (1-ая 10.1-92) путем измерения времени подъема жидкости (вода двойной дистилляции) на высоту 2,4 см. Изменение физического состояния поверхности волокон оценивалось по микрофотографиям, полученным на электронном микроскопе ЕТЕС Auto Scan при увеличении в 2000-4000 раз.

Несмотря на отсутствие экспериментальных данных в полном объеме, можно утверждать, что однородная плазма тлеющего разряда может быть получена на показанном на фиг. 1 устройстве при атмосферном давлении окружающего воздуха при напряженности электрического поля 8 кВ/см.