Изобретение относится к технологическим процессам, в частности к способам обработки поверхности для обеспечения смачивания материалов, и может быть использовано для подготовки различных деталей к работе в водосодержащих средах.
Известен способ обеспечения смачивания поверхности металлических деталей путем обработки в щелочных электролитических ваннах (операция обезжиривания). Указанный способ применим лишь к металлическим поверхностям и требует значительных затрат для нейтрализации экологически вредных реактивов.
Более распространенным способом увеличения смачивания поверхности твердых тел является обработка ее поверхностно-активными веществами (ПАВ), вводимыми в рабочие растворы на основе воды.
Однако этот способ требует подбора ПАВ к конкретной паре жидкость-твердое тело и, как правило, приводит к необходимости последующей очистки поверхности детали от ПАВ, а также экологически небезопасен.
Существующие способы увеличения смачивания водой поверхности полимерных твердых тел и покрытий основаны на воздействии на поверхность сильных жидких окислителей и последующей обработке ее в плазме тлеющего разряда.
Распространен способ увеличения смачиваемости поверхности полиимидной пленки путем обработки ее в горячих растворах едкого калия, хромовой смеси на основе азотной и серной кислот с последующим термическим отжигом в инертной среде и обработкой в плазме тлеющего разряда. Однако этот способ имеет ряд недостатков, основными из которых являются: недостаточная эффективность, большая длительность обработки и экологическая вредность технологических процессов. Кроме того, указанный способ требует значительных затрат на химические реактивы и на утилизацию экологически вредных отходов. Воздействие одного лишь тлеющего разряда недостаточно.
Известно, что по характеру взаимодействия существуют две основные группы:
с преобладанием молекулярных сил (физическое или обратимое смачивание);
с преобладанием сил химического взаимодействия (химическое или необратимое смачивание).
Первая группа процессов реализуется для твердых тел, имеющих высокоэнергетическую поверхность (удельная свободная поверхностная энергия порядка сотен или тысяч кДж/м2). В нее входят металлы, оксиды и другие неорганические вещества.
Вторая группа характерна для твердых тел с низкоэнергетической поверхностью (уд. св. энергия до 100 кДж/м2). Эта группа объединяет органические вещества, полимеры и др.
Технический результат данного изобретения заключается в увеличении смачивания как неорганических, так и полимерных поверхностей. Технический результат достигается тем, что в способе обработки поверхности, в котором поверхность обрабатывают активным агентом, согласно изобретению, в качестве последнего используют поток высокоэнтальпийной плазмы инертного и/или нейтрального газа при атмосферных условиях, а обработку проводят перед погружением в водную водосодержащую среду, путем высокоскоростного взаимного пересечения поверхности материалов с плазменным потоком, со скоростью W< Dq/Q, где D - диаметр плазменного потока в зоне пересечения, М (10-2-10-1); q - средняя плотность теплового потока на границе твердое тело-плазма (q ≥107 Вт/м2); Q - плотность энергии, необходимая для обеспечения смачиваемости поверхности (Q ≈ 105-107 Дж/м2), с добавкой в поток кислорода, азота или хладона.
Плазменный поток с такими параметрами может быть получен, например, с помощью электродуговых генераторов плазмы.
Сущность заявляемого технического решения в следующем.
1. В случае физического смачивания, характеризуемого краевым углом смачивания θ, процесс описывается известным соотношением
cosθo = ( σтг - σ тж)/σ жг , (1) где θо - равновесный угол смачивания;
σтг, σ тж, σ жг - поверхностные натяжения на границах: твердое тело - газ, твердое тело - жидкость и жидкость - газ.
При этом (1) справедливо в случае, если адсорбция на поверхности твердого тела Г отсутствует. При наличии же адсорбированных молекул справедливо соотношение
cosθo= - RT Гdl(пр)- /σжг
(2) где p - парциальное давление пара;
R - универсальная газовая постоянная;
Т - температура, К.
Сравнение (1) и (2) показывает, что способом повышения смачивания (понижения краевого угла смачивания) является снижение адсорбции на поверхности твердого тела. При этом существенно не только удаление пленок органических загрязнений, но также и десорбция газов и паров (N2, CO2, H2O и др. ).
Десорбция с поверхности твердых тел обеспечивается воздействием высокоэнтальпийного потока плазмы с q > 107 Вт/м2.
2. Повышение смачивания в случае полимерных тел (снижение краевого угла смачивания) достигается вследствие химического взаимодействия полярных функциональных групп и ненасыщенных связей на поверхности полимерной пленки с молекулами воды.
При взаимодействии с потоком плазмы на поверхности полимера идет процесс образования перекисных радикалов (R-O-O), карбоксильных (-С=О-, С=О-) групп, аминогрупп (R-NH2), диазогрупп (RH2-OH). Кроме того, существенное влияние на увеличение смачивания оказывает удаление с поверхности полимера адсорбированных загрязнений, низкомолекулярных фракций, продуктов деструкции, а также десорбции газов и паров.
Наличие химически активных групп на поверхности полимера фиксируется на их спектрах, снятых в области длин волн 2,5-400 мкм.
Все вышеуказанные химические превращения на поверхности полимера обеспечиваются воздействием на него высокоэнтальпийного плазменного потока при атмосферном давлении.
Пример конкретного выполнения.
В качестве экспериментальных образцов неорганических твердых тел использовали пластины металлов, керамики (Al2O3); стекла (оптическое) и ситалла, размером ≈40х40 мм, толщиной 0,1-1,0 мм, а также диски легированного монокристаллического кремния (КДБ-10) диаметром 100 мм, толщиной 0,1 мм.
Поверхность образцов имела различное качество механической обработки (см. табл. 1). Обработку плазмой производили на установке ДПО-100.
Контроль смачивания поверхности дистиллированной водой производили по углу смачивания, который определяли по высоте и диаметру капли с помощью оптического микроскопа. В табл. 1 приведены три градации, соответствующие трем значениям краевого угла 8:
не смачивается (нс) - θ 60о;
смачивается (с) θ10о;
частично смачивается (чс) - 60о > θ >10о.
Результаты экспериментов приведены в табл. 1.
Результаты, приведенные в табл. 1, позволяют сделать следующие выводы:
вследствие адсорбционной природы эффекта продолжительность смачивания различна (от 5-10 мин до нескольких часов);
в соответствии с существующими представлениями эффект смачивания зависит от степени обработки поверхности (для шероховатых поверхностей более устойчив).
2. Воздействие активного агента на поверхность полимера изучали на образцах полиимида, а плазменный поток инертного газа с необходимыми для обработки технологическими параметрами получали с помощью генераторов плазмы (5) на установке ДПО-100.
Результаты экспериментов с различными добавками приведены в табл. 2.
Результаты, приведенные в табл. 2, позволяют сделать вывод: эффект смачивания зависит от места пересечения образца с потоком плазмы. Это говорит о том, что по длине плазменного потока имеются области, в которых реакции взаимодействия полиимид - плазма идут наиболее интенсивно.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет осуществлять экспрессную обработку поверхности любых материалов в автоматическом режиме работы.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
Способ формирования тонкой высокотемпературной сверхпроводящей пленки на основе иттрия | 1990 |
|
SU1823932A3 |
УСТАНОВКА ДЛЯ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА | 1991 |
|
RU2030811C1 |
СПОСОБ УСИЛЕНИЯ ЭФФЕКТА ОТДЕЛЕНИЯ ОТ ФОРМЫ | 1997 |
|
RU2137603C1 |
СПОСОБ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЯ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 1991 |
|
RU2036242C1 |
СПОСОБ ДИНАМИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА | 1990 |
|
RU2028834C1 |
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОСЛОЙНОГО ОПТИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ НА ПОДЛОЖКЕ | 1992 |
|
RU2035752C1 |
УСТАНОВКА ДЛЯ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЙ | 1991 |
|
RU2038410C1 |
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ПОРИСТОГО ТЕЛА | 2006 |
|
RU2402374C2 |
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАЩИТНОГО СЛОЯ НА ТОНКОПЛЕНОЧНОМ НОСИТЕЛЕ ИНФОРМАЦИИ МАГНИТНОГО ДИСКА | 1992 |
|
RU2035771C1 |
ЛИСТОВОЙ МАТЕРИАЛ, СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПОВЕРХНОСТИ ЛИСТОВОГО МАТЕРИАЛА, СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ПЛАЗМЫ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНИЦИИРОВАНИЯ ПЛАЗМЫ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА | 1994 |
|
RU2154363C2 |
Изобретение относится к технологическим процессам, в частности к способам обработки поверхности для обеспечения смачивания материалов в водосодержащих средах. Сущность изобретения: в способе применен активный агент, обеспечивающий смачивание в водных растворах, в качестве которого использован поток высокоэнтальпийной плазмы инертного и/или нейтрального газа при атмосферных условиях путем высокоскоростного взаимного пересечения поверхности материала с плазменным потоком со скоростью V<Dq/Q, где D - диаметр плазменного потока в зоне пересечения; M (10-2-10-1) ; q - средняя плотность теплового потока на границе твердое тело - плазма (q≥ 107Вт/м2) ; Q - плотность энергии, необходимая для обеспечения смачиваемости поверхности (Q~ 105-107Дж/м2) , причем в плазменный поток предварительно до его пересечения с материалом вводят кислород, азот и/или хладон. 2 табл.
СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СМАЧИВАНИЯ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ путем обработки поверхности активным агентом, отличающийся тем, что в качестве активного агента используют поток высокоэнтальпийной низкотемпературной плазмы инертного и/или нейтрального газа при атмосферных условиях, а обработку проводят путем высокоскоростного взаимного пересечения поверхности материалов с плазменным потоком со скоростью v < Dq/Q, где D - диаметр плазменного потока в зоне пересечения, 10-2 - 10-1 М; q - средняя плотность теплового потока на границе твердое тело - плазма, q ≥ 107 Вт/м2; Q - плотность энергии, необходимая для обеспечения смачиваемости поверхности, Q ~ 105 - 107 Дж/м2, причем в плазменный поток предварительно до его пересечения с материалом вводят кислород, азот и/или хладон.
Жеенбаев Ж., Энгельшт В.С | |||
Двухструйный плазмотрон, Фрунзе, 1983, с.19. |
Авторы
Даты
1994-07-15—Публикация
1992-03-05—Подача