СПОСОБ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ПОЛИЭТИЛЕНА Российский патент 2012 года по МПК B29C59/14 

Изобретение относится к технологии модифицирования (обработки) поверхности полимерных материалов, а именно полиэтилена.

Наиболее близким к предлагаемому является способ модифицирования поверхности полимерных материалов путем обработки в низкотемпературной плазме высокочастотного тлеющего разряда при давлениях среды ниже 100 тор [Патент США №3870610, МПК⁷ B29C 59/14, B29C 59/00, H01J 37/32, D06M 10/02, D06M 10/00, C08F 047/22, 1975 - прототип]. Известный способ обеспечивает увеличение гидрофильности полимерных материалов, в том числе полиэтилена, и увеличивает работу адгезии поверхности. Однако с течением времени (при хранении на воздухе) эффект гидрофилизации ослабевает - модифицированные материалы "стареют".

Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение "старения" - сохранение гидрофильности поверхности полиэтилена, модифицированного в низкотемпературной плазме тлеющего разряда, при дальнейшем хранении на воздухе.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе модифицирования поверхности полимерных материалов, в частности полиэтилена, путем обработки в низкотемпературной плазме высокочастотного тлеющего разряда при пониженном давлении среды в разрядной камере процесс осуществляют в две стадии: на первой стадии плазменную обработку ведут в атмосфере насыщенного водяного пара при давлении 1,0-1,5 кПа в течение 15-20 с и удельной мощности разряда 50-200 Вт/м², а на второй стадии устанавливают давление 10-15 кПа путем напуска в камеру технического воздуха и производят плазменную обработку полиэтилена в течение 2-5 с при удельной мощности разряда 2,0-2,5 кВт/м².

Применение заявляемого способа позволяет получить устойчивую гидрофилизацию поверхности при одновременно высокой степени ее очистки, существенно улучшить адгезионные свойства пленок полиэтилена. За счет высокой и устойчивой адгезии обеспечиваются новые физико-химические свойства полиэтилена. Тем самым создаются условия для успешной реализации процессов металлизации, полимеризации, а также технологических процессов получения композиционных материалов с полимерными наполнителями.

Предлагаемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.

Примеры осуществления способа.

Пример 1. Проводилось модифицирование поверхности образцов пленок полиэтилена толщиной 50 мкм в низкотемпературной плазме высокочастотного тлеющего разряда (на стандартной частоте высокочастотного диапазона f=27,12 МГц). Режимные параметры процесса приведены в табл.1 (здесь P - остаточное давление в разрядной камере, τ - время обработки, p - удельная мощность разряда). Изменение свойств поверхности образцов характеризовали значениями краевых углов θ смачивания дистиллированной водой (бидистиллятом), определяемых гониометрическим способом по стандартной методике. Работу адгезии поверхности образцов W рассчитывали по формуле Дюпре-Юнга: W=σ_ж(1+cosθ). Здесь σ_ж - поверхностное натяжение рабочей жидкости. В каждом цикле измерений угла θ на образец наносились три капли, а результаты усреднялись.

Для получения сравнительных данных модифицирование поверхности тех же образцов материала проводили по способу-прототипу. Результаты экспериментов представлены в табл.1.

Аналогично примеру 1 предлагаемый способ осуществляли в примерах 2-9 при измененных (по отношению к данным табл.1) режимных параметрах процесса. Результаты экспериментов сведены в табл.2-9.

Можно видеть, что по сравнению со способом-прототипом предлагаемый способ позволяет существенно ослабить эффект «старения» пленок. Краевой угол смачивания θ с течением времени хранения на воздухе изменяется (возрастает) очень незначительно. Через 1-2 суток после плазменной обработки значения краевого угла смачивания полностью стабилизируются - достигается устойчивая гидрофилизация поверхности. При реализации процесса по способу-прототипу устойчивая гидрофилизация достигается не ранее чем через 10 суток.

Проведенные дополнительно эксперименты показали, что при изменении режимных параметров вне пределов диапазона, указанных в стадиях, результирующие показатели процесса (краевой угол смачивания θ, работа адгезии поверхности W) ухудшаются.

Таблица 1 Предлагаемый способ (θ_исх=99°) Способ-прототип (θ_исх=99°) Режимные параметры Пока-
затели Время хранения на воздухе, сут Режимные параметры Показатели Время хранения на воздухе, сут 0 1 2 3 5 7 10 30 0 1 2 3 5 7 10 30 I стадия: θ, град 51 52 52 53 53 53 53 53 P≤13,3 кПа,
τ=15 с,
p=2 кВт/м² θ, град 48 50 54 55 57 59 64 66 P₁=1 кПа, τ₁=15 c, p₁=50 Вт/м² II стадия: W·10³, Дж/м² 119 118 118 117 117 117 117 117 W·10³, Дж/м² 122 120 116 115 112 110 105 102 P₂=10 кПа, τ₂=2 с, p₂=2 кВт/м²

Таблица 2 Предлагаемый способ (θ_исх=99°) Способ-прототип (θ_исх=99°) Режимные параметры Показа-
тели Время хранения на воздухе, сут Режимные параметры Показа-
тели Время хранения на воздухе, сут 0 1 2 3 5 7 10 30 0 1 2 3 5 7 10 30 I стадия: θ, град 49 51 52 52 52 52 52 52 P≤13,3 кПа,
τ=15 с,
p=2 кВт/м² θ, град 48 50 54 55 57 59 64 66 P₁=1 кПа, τ₁=15 с, p₁=50 Вт/м² II стадия: W·10³, Дж/м² 121 119 118 118 118 118 118 118 W·10³, Дж/м² 122 120 116 115 112 110 105 102 P₂=12 кПа, τ₂=4 с, p₂=2,2 кВт/м²

Таблица 3 Предлагаемый способ (θ_исх=99°) Способ-прототип (θ_исх=99°) Режимные параметры Показа-
тели Время хранения на воздухе, сут Режимные параметры Показа-
тели Время хранения на воздухе, сут 0 1 2 3 5 7 10 30 0 1 2 3 5 7 10 30 I стадия: θ, град 49 51 52 52 52 52 52 52 P≤13,3 кПа,
τ=15 с,
p=2 кВт/м² θ, град 48 50 54 55 57 59 64 66 P₁=1 кПа, τ₁=15 с, p₁=50 Вт/м² II стадия: W·10³, Дж/м² 121 119 118 118 118 118 118 118 W·10³, Дж/м² 122 120 116 115 112 110 105 102 P₂=15 кПа, τ₂ =5 с, p₂=2,5 кВт/м²

Таблица 4 Предлагаемый способ (θ_исх=99°) Способ-прототип (θ_исх=99°) Режимные параметры Показа-
тели Время хранения на воздухе, сут Режимные параметры Показа-
тели Время хранения на воздухе, сут 0 1 2 3 5 7 10 30 0 1 2 3 5 7 10 30 I стадия: θ, град 50 51 52 52 52 52 52 52 P≤13,3 кПа,
τ=15 с,
p=2 кВт/м² θ, град 48 50 54 55 57 59 64 66 P₁=1,2 кПа, τ₁=17 с, p₁=100 Вт/м² II стадия: W·10³, Дж/м² 120 119 118 118 118 118 118 118 W·10³, Дж/м² 122 120 116 115 112 110 105 102 P₂=10 кПа, τ₂=2 с, p₂=2 кВт/м²

Таблица 5 Предлагаемый способ (θ_исх=99°) Способ-прототип (θ_исх=99°) Режимные параметры Показа-
тели Время хранения на воздухе, сут Режимные параметры Показа-
тели Время хранения на воздухе, сут 0 1 2 3 5 7 10 30 0 1 2 3 5 7 10 30 I стадия: θ, град 49 50 51 51 51 51 51 51 P≤13,3 кПа,
τ=15 с,
p=2 кВт/м² θ, град 48 50 54 55 57 59 64 66 P₁=1,2 кПа, τ₁=17 с, p₁=100 Вт/м² II стадия: W·10³, Дж/м² 121 120 119 119 119 119 119 119 W·10³, Дж/м² 122 120 116 115 112 110 105 102 P₂=12 кПа, τ₂=4 с, p₂=2,2 кВт/м²

Таблица 6 Предлагаемый способ (θ_исх=99°) Способ-прототип (θ_исх=99°) Режимные параметры Показа-
тели Время хранения на воздухе, сут Режимные параметры Показа-
тели Время хранения на воздухе, сут 0 1 2 3 5 7 10 30 0 1 2 3 5 7 10 30 I стадия: θ, град 49 50 52 52 52 52 52 52 P≤13,3 кПа,
τ=15 с,
p=2 кВт/м² θ, град 48 50 54 55 57 59 64 66 P₁=1,2 кПа, τ₁=17 с, p₁=100 Вт/м² II стадия: W·10³, Дж/м² 121 120 118 118 118 118 118 118 W·10³, Дж/м² 122 120 116 115 112 110 105 102 P₂=15 кПа, τ₂=5 с, p₂=2,5 кВт/м²

Таблица 7 Предлагаемый способ (θ_исх=99°) Способ-прототип (θ_исх=99°) Режимные параметры Показа-
тели Время хранения на воздухе, сут Режимные параметры Показа-
тели Время хранения на воздухе, сут 0 1 2 3 5 7 10 30 0 1 2 3 5 7 10 30 I стадия: θ, град 49 50 52 52 52 52 52 52 P≤13,3 кПа,
τ=15 с,
p=2 кВт/м² θ, град 48 50 54 55 57 59 64 66 P₁=1,5 кПа, τ₁=20 с, p₁=200 Вт/м² II стадия: W·10³, Дж/м² 121 120 118 118 118 118 118 118 W·10³, Дж/м² 122 120 116 115 112 110 105 102 P₂=10 кПа, τ₂=2 с, p₂=2 кВт/м²

Таблица 8 Предлагаемый способ (θ_исх=99°) Способ-прототип (θ_исх=99°) Режимные параметры Показа-
тели Время хранения на воздухе, сут Режимные параметры Показа-
тели Время хранения на воздухе, сут 0 1 2 3 5 7 10 30 0 1 2 3 5 7 10 30 I стадия: θ, град 48 49 51 51 51 51 51 51 P≤13,3 кПа,
τ=15 с,
p=2 кВт/м² θ, град 48 50 54 55 57 59 64 66 P₁=1,5 кПа, τ₁=20 с, p₁=200 Вт/м² II стадия: W·10³, Дж/м² 122 121 119 119 119 119 119 119 W·10³, Дж/м² 122 120 116 115 112 110 105 102 P₂=12 кПа, τ₂=4 с, p₂=2,2 кВт/м²

Таблица 9 Предлагаемый способ (θ_исх=99°) Способ-прототип (θ_исх=99°) Режимные параметры Показа-
тели Время хранения на воздухе, сут Режимные параметры Показа-
тели Время хранения на воздухе, сут 0 1 2 3 5 7 10 30 0 1 2 3 5 7 10 30 I стадия: θ, град 48 50 51 51 51 51 51 51 P≤13,3 кПа,
τ=15 с,
p=2 кВт/м² θ, град 48 50 54 55 57 59 64 66 P₁=1,5 кПа, τ₁=20 с, p₁=200 Вт/м² II стадия: W·10³, Дж/м² 122 120 119 119 119 119 119 119 W·10³, Дж/м² 122 120 116 115 112 110 105 102 P₂= 15 кПа, τ₂=5 с, p₂=2,5 кВт/м²

Изобретение относится к технологии модифицирования (обработки) поверхности полимерных материалов. Способ осуществляют путем обработки в низкотемпературной плазме высокочастотного тлеющего разряда при пониженном давлении среды в разрядной камере. Процесс осуществляют в две стадии. На первой стадии плазменную обработку ведут в атмосфере насыщенного водяного пара при давлении 1,0-1,5 кПа в течение 15-20 с и удельной мощности разряда 50-200 Вт/м². На второй стадии устанавливают давление 10-15 кПа путем напуска в камеру технического воздуха и производят плазменную обработку в течение 2-5 с при удельной мощности разряда 2,0-2,5 кВт/м². Заявляемый способ позволяет получить устойчивую гидрофилизацию поверхности при одновременно высокой степени ее очистки, существенно улучшить адгезионные свойства полиэтилена. 9 табл., 1 пр.

Способ модифицирования поверхности полиэтилена путем обработки в низкотемпературной плазме высокочастотного тлеющего разряда при пониженном давлении среды в разрядной камере, отличающийся тем, что процесс осуществляют в две стадии: на первой стадии плазменную обработку ведут в атмосфере насыщенного водяного пара при давлении 1,0-1,5 кПа в течение 15-20 с и удельной мощности разряда 50-200 Вт/м², а на второй стадии устанавливают давление 10-15 кПа путем напуска в камеру технического воздуха и производят плазменную обработку в течение 2-5 с при удельной мощности разряда 2,0-2,5 кВт/м².