Способ холодной электромеханической микроперфорации листа бумаги в стримерном разряде Российский патент 2025 года по МПК B26F1/28 

Изобретение относится к области обработки материалов, а именно к способам холодной электромеханической микроперфорации листа бумаги, и может быть применено для быстрого (менее 1 с) промышленного или бытового получения массива микронных отверстий контролируемого одинакового диаметра от 5 до 50 мкм, равномерно распределенных по листу бумаги любой заданной площади.

Микроперфорированная бумага с отверстиями диаметром в десятки микрон применяется в качестве фильтровальной бумаги. Фильтровальная бумага является одноразовым расходным материалом. Экспресс метод перфорирования позволит получать ее из обычной бумаги в требуемом количестве, непосредственно перед использованием. Кроме того, такая бумага применяется в некоторых изделиях, например, в качестве ободковой бумаги в сигаретах и в чайных пакетиках.

Известны несколько методов получения микронных перфораций на бумаге.

Известен метод защиты документов стохастической меткой "Электроразрядный способ изготовления бумажных документов строгой отчетности и бумажных денежных знаков" [Патент РФ 2399496, МПК B42D15, B26F1/28, B44F1/12. Электроразрядный способ изготовления бумажных документов строгой отчетности и бумажных денежных знаков / В.Д. Шкилев, Н.П. Мартынюк; заявитель и патентообладатель Шкилев В.Д., Мартынюк Н.П. - № 2007119975/12; заявл. 30.05.07; опубл. 20.09.10, Бюл. № 26]. В этом методе используется искровой разряд в воздухе между острием и плоскостью, известный непредсказуемостью своей траектории и объемом заряда, протекающего в каждой конкретной искре [Nijdam S., Teunissen J., Ebert U. The physics of streamer discharge phenomena // Plasma Sources Science and Technology. - 2020. - 29(10): 103001. doi: 10.1088/1361 - 6595/abaa05]. Указанное свойство этого режима разряда позволяет создавать уникальные, невоспроизводимые метки на бумажном документе, состоящие из отверстий случайного диаметра и расположения, поскольку величина ударной волны в искре определяется протекающим зарядом [Блинков И.В., Манухин А.В. Нанодисперсные и гранулированные материалы, полученные в импульсной плазме. - М.: МИСИС, 2005. - 367 с.]. При этом отверстия плотно сгруппированы в сантиметровой области под иглой и за пределами этой области отверстий не возникает. Этот режим не позволяет получать отверстия одинакового диаметра, кроме того, они не круглые, а произвольной формы. Другим недостатком такого метода является то, что в искровом разряде выделяется неконтролируемая теплота, поэтому края отверстий обуглены. Это нежелательно для фильтровальной бумаги.

Для получения на бумаге массива круглых отверстий одинакового диаметра используют лазер [Патент РФ 2309046, МПК B42D 15/00, В41М 3/00. Способ создания элементов защиты полиграфической продукции от подделок / А.А. Руднев, М.С. Ермаков; заявитель и патентообладатель ООО «Знак». - № 2006106608/11; заявл. 03.03.06; опубл. 27.10.07, Бюл. № 30], который является дорогостоящим и требует точной настройки при работе, что не позволяет использовать его как доступный экспресс метод.

Еще одним способом получения массива одинаковых отверстий является вырубной штамп [Патент РФ 55331, МПК B42D 15/00. Устройство создания микроперфорации в элементах защиты полиграфической продукции от подделок / А.А. Руднев, М.С. Ермаков; заявитель и патентообладатель ООО «Знак». - № 2006106606/22; заявл. 03.03.06; опубл. 10.08.06], который трудоемок в изготовлении, ведь для проделывания каждого отверстия используется отдельный элемент штампа. Соответственно, для перфорирования большого листа бумаги требуется штамп, содержащий очень много игл.

Также известен способ перфорации бумаги низкотемпературной плазмой в импульсном электрическом разряде "Устройство и способ для плазменной перфорации ободковой бумаги [Патент ЕА 032961 В1. Способ и устройство для плазменной перфорации ободковой бумаги /Линднер Михель; заявитель и патентообладатель Таннпапир ГМБХ. - №201591934; заявл. 17.04.14; опубл. 30.08.19]. В способе неионизируемую газовую смесь, имеющую повышенное содержание инертного газа, вводят через сопло кольцеобразно вокруг наконечника источника энергии по направлению к ободковой бумаге и генерируют низкотемпературную плазму на поверхности ободковой бумаги путем ионизации газовой смеси, имеющей пониженное содержание инертного газа и находящейся в узкой области, остающейся в середине потока неионизируемой газовой смеси, непосредственно напротив наконечника источника энергии путем концентрированной подачи в течение короткого времени энергии, которую выпускают из наконечника источника энергии, обращенного к ободковой бумаге, причем ионизируемая газовая смесь локально ограничена областью поверхности ободковой бумаги напротив наконечника источника энергии и окружена инертным газом или газовой смесью с концентрацией инертного газа, превышающей концентрацию инертного газа и ионизируемой газовой смеси, так что упомянутый окружающий инертный газ или окружающую газовую смесь, имеющую повышенное содержание инертного газа, не ионизируют с помощью концентрированной подачи энергии. Источник энергии может быть образован при помощи двух разнесенных электродов так, что бумага и ионизируемая газовая смесь расположены в зазоре между двумя электродами и ионизируемую газовую смесь ионизируют путем приложения электрического напряжения между электродами. Могут быть использованы иглообразные электроды или иглообразный электрод и плоский противоэлектрод. В качестве источника энергии может быть применен лазер, а ионизируемая газовая смесь находится в лазере и ионизируются им. Недостатками способа являются: необходимость использования дорогой смеси на основе инертных газов; сложная конструкция установки для получения и контроля локальной низкотемпературной плазмы, основанная на продуве газа через сопло, требующая настройки; невозможность масштабирования установки, поскольку для одновременного получения массива отверстий потребовался бы массив сопел, что громоздко и дорого.

Таким образом, все известные методы микроперфорирования бумаги либо являются трудоемкими и дорогостоящими, либо не позволяют получать идентичные отверстия правильной формы и одинакового контролируемого диаметра в любом требуемом количестве. Отверстия, полученные иглами или лазером, не могут иметь диаметр менее 50 мкм. Более мелкие отверстия получают искровыми методами, описанными в документах [Pat. 4094324 A United States, Российская Федерация, U.S. CI. 131/10 А: 131/15 В. Perforated cigarette tipping paper / R.W. Michel, V. Millin; applicant and patent holder Andrus, Sceales, Starke & Sawall. - № 676984; filed. 14.04.76; publl. 12.06.75, Патент РФ 2571047, МПК A24D 1/02. Курительное изделие и его изготовление / К.С. Парк, Р. Виффен, Г. Фаллон, Ф. Луи; заявитель и патентообладатель Бритиш америкэн тобэкко (инвестментс) лимитед. - № 2014114596/12; заявл. 04.09.12; опубл. 20.12.15, бюл. № 35].

Общим недостатком лазера и искровых методов является образование продуктов горения бумаги, покрывающих края отверстий, что в ряде случаев неприемлемо, поскольку они могут быть токсичны, ухудшать внешний вид бумаги и придавать ей запах гари.

Наиболее близким по совокупности признаков является патент на полезную модель «Нанореактор получения 2D карбида кремния в стримерном разряде» [Патент РФ 218008 Российская Федерация, МПК С01В 32/977, В82В 3/00, B01J19/08, B82Y40/00. Нанореактор получения 2D карбида кремния в стримерном разряде / И.И. Долгих, Д.А. Жукалин, Л.А. Битюцкая; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО «ВГУ». - № 2022131671; заявл. 05.12.22; опубл. 02.05.23, Бюл. № 13]. В прототипе описана возможность перфорации листа бумаги в стримерном разряде. Цилиндрический фторопластовый со съемной крышкой контейнер с толщиной стенки 0.3 см и толщиной дна 0.002 см помещают на металлическую пластину, выполняющую роль электрода. Внутри контейнера располагаются две параллельные пластины из монокристаллического карбида кремния толщиной 0.2 мм, одна из которых лежит на дне контейнера, так что большей плоскостью соприкасается с дном, а другая пластина подвешена над ней на высоте 5 см и служит вторым электродом, имея вывод для подачи импульсов высокого напряжения. При этом центр большей плоскости, каждой из пластин, а также металлический стержень располагают на оси цилиндра, образованного контейнером. При подаче высокого импульсного напряжения между верхней пластиной карбида кремния и металлической пластиной, на которой стоит фторопластовый контейнер, внутри контейнера возникают стримерные разряды, распространяющиеся между пластинами карбида кремния. Реализуется перфорация листа бумаги, при этом образуется за 1 секунду 8 отверстий на 1 см². Мощность источника питания составила 10 Вт на 1 см² при скважности, равной 10. Воздействие импульсного электрического поля напряженности 10⁶ В/см ведут с продолжительностью импульсов 20 мкс, на слоистый прекурсор, при нормальных условиях 298 К, 10⁵ Па. Однако в источнике не приводятся данные по получению отверстий контролируемого диаметра, отсутствуют данные по регулированию плотности перфорации на листе бумаги.

Недостатками прототипа являются:

1) Отсутствие данных по получению отверстий контролируемого диаметра.

2) Отсутствуют данные по регулированию плотности перфорации на листе бумаги.

Предложенное изобретение является развитием функциональных возможностей технологий холодных стримерных зондов, возникающих на открытом воздухе при нормальных условиях в результате самоорганизации (Фиг. 1) и поэтому не требующих специальных мер по фокусировке или создания специальной среды. Такие зонды ранее использованы нами для получения 2D материалов путем расслоения кристаллических полупроводниковых слоистых прекурсоров в предложенном нами ранее методе получения хлопьев 2D карбида кремния: [Патент РФ 2678033, МПК С30В 29/36, С30В 30/02, В82В 3/00, B82Y 30/00, B82Y 40/00. Способ получения 2D кристаллов карбида кремния электроимпульсным методом / И.И. Долгих, Д.В. Авдеев, Л.А. Битюцкая, Т.В. Куликова, А.В. Тучин; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО «ВГУ». - № 2017145439; заявл. 25.12.17; опубл. 22.01.19, Бюл. № 3] и методе получения нанотрубок InSb [Патент РФ 2760392 Российская Федерация, МПК C01G 15/00, С30 В 30/02, В82 ВЗ/00, B82Y 40/00, С30 В 29/40. Способ получения нанотрубок InSb электроимпульсным методом / Д.А. Жукалин, И.И. Долгих, Л.А. Битюцкая; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО «ВГУ». - № 2020133588; заявл. 12.10.20; опубл. 24.11.21, Бюл. № 33].

Задача, на решение которой направлено данное изобретение, заключается в создании портативного, ресурсосберегающего и легко масштабируемого, промышленного и бытового, холодного, экологичного и полностью автоматизированного метода быстрого (менее 1 с) получения массива идентичных отверстий, контролируемого диаметра от 5 до 50 мкм, с заданной плотностью перфорации, равномерно распределенных по листу бумаги любой заданной площади, производимого на открытом воздухе, не требуя специальной среды.

Портативность и быстрота технологии должна обеспечить возможность, как мелкого производства фильтровальной бумаги, так и внедрение в технологические процессы, где требуется использование перфорированной бумаги, не содержащей продуктов горения.

Технический результат состоит в получении в стримерном разряде на листе бумаги массива отверстий контролируемого диаметра, варьируемого в диапазоне от 5 до 50 мкм, с регулируемой плотностью перфорации от 1 до 8 отверстий на 1 мм², образуемых за 1 с воздействия при мощности от 2 до 10 Вт на 1 см².

Технический результат достигается тем, что в способе холодной электромеханической микроперфорации листа бумаги в стримерном разряде, включающем воздействие в двухэлектродной ячейке импульсного электрического поля напряженности 10⁶ В/см на лист бумаги, при нормальных условиях, получение локализованной плазмы в виде массива самоорганизованных стримерных разрядов, возникающих между проводящими электродами, в виде двух параллельных пластин, равными по площади и идентичными по геометрическим параметрам, площадью пластин ограниченной электрической мощностью источника питания в соотношении 10 Вт на 1 см², при этом поверхность электродов покрыта слоем диэлектрика, согласно изобретению, перфорируемую бумагу размещают на поверхности одной из двух плоских пластин из боросиликатного стекла толщиной 1 мм, расположенных параллельно друг другу на расстоянии 5 мм, а заднюю поверхность стекол, не контактирующую с бумагой, покрывают проводящим материалом с удельным сопротивлением менее 10^-5 Ом⋅м, толщиной 10 мкм, площадь проводящего материала ограничена электрической мощностью источника питания в соотношении 2-10 Вт на 1 см², при этом холодные стримерные разряды, перфорирующие бумагу, возникают между стекол при подаче импульсов высокого переменного синусоидального напряжения 50 кВ, частотой, равной 14,29-19,67 кГц, продолжительностью импульсов 50 мкс и длительностью фронта 1-20 мкс.

Получаемый при осуществлении изобретения технический результат, а именно мгновенное - за 1 с перфорирование листа бумаги с образованием идентичных отверстий достигается за счет того, что в межэлектродном пространстве возникает массив параллельных идентичных стримерных разрядов, воздействующий на поверхность обрабатываемого материала сильным электрическим полем, сосредоточенным на концах стримеров.

Стример распространяется с поверхности одной из пластин и, достигая поверхности другой, воздействует на нее своим полем. При этом поданное на электроды напряжение падает на небольшом промежутке между головкой стримера и вторым электродом, создавая очень высокую локальную напряженность поля. Это воздействие аналогично воздействию тонко заточенного металлического зонда. По этой причине по мере распространения стримера поле на его конце усиливается и при длине 5 мм становится достаточным для чистого эффекта электромеханического пробития бумаги. Поэтому данный метод осуществляется на атмосферном воздухе при нормальных условиях и не требует специальной газовой среды. Проявление при высоких напряжениях электромеханического эффекта, незаметного при более низких напряжениях, связано с тем, что он обусловлен пондеромоторными силами. Величина пондеромоторных сил пропорциональна квадрату градиента модуля величины электрического поля [Тамм И.Е. Основы теории электричества. Учебное пособие для вузов. - 11 изд. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 616 с.].

На фиг. 1 приведена схема устройства для осуществления способа, где 1-металлическое покрытие, 2 - стеклянная пластина, 3 - перфорируемый лист бумаги, 4 - стримерные разряды.

На фиг. 2 показана фотография массива стримерных разрядов.

На фиг. 3 представлено фото разрядной ячейки из приведенного примера реализации.

На фиг. 4 изображена оптическая микроскопия отверстий на бумаге, перфорированной стримерным разрядом, с диаметрами 5 (а), 20 (б) и 50 мкм (в), Оптическая микроскопия перфорированного листа бумаги на фоне линейки для оценки плотности расположения отверстий при воздействии в течение 1 с (г).

На фиг. 5 изображена оптическая микроскопия отверстий на бумаге, перфорированной стримерным разрядом, с плотностью перфорации 1 (а), 4 (б) и 8 (в,г) отверстий на 1 мм², при различной мощности воздействия 2 (а), 6 (б) и 10 Вт (в,г) на 1 см².

Способ может быть осуществлен следующим образом. Перфорируемый лист бумаги помещают в ячейку диэлектрического барьерного разряда, состоящую из параллельных стеклянных пластин, покрытых с обратной стороны металлом. При подаче на металлические покрытия высокого импульсного напряжения происходит холодное электромеханическое перфорирование листа возникающими в зазоре между стеклами стримерными разрядами.

Изобретение относится к области обработки бумаги и может быть использовано для получения в бумаге массива микронных отверстий контролируемого диаметра с регулируемой плотностью перфорации. Способ включает воздействие на лист бумаги импульсного электрического поля напряженностью 10⁶ В/см, создаваемого в двухэлектродной ячейке при нормальных условиях, получение при этом локализованной плазмы в виде массива самоорганизованных стримерных разрядов, возникающих между проводящими электродами в виде двух параллельных пластин, равных по площади и идентичных по геометрическим параметрам. При этом перфорируемый лист бумаги размещают на поверхности одной из двух плоских пластин, выполненных из боросиликатного стекла толщиной 1 мм, которые располагают на расстоянии 5 мм друг от друга, заднюю поверхность стекол, не контактирующую с бумагой, покрывают проводящим материалом с удельным сопротивлением менее 10-5 Ом·м и толщиной 10 мкм, а холодные стримерные разряды, перфорирующие лист бумаги, формируют путем подачи на упомянутые пластины импульсов высокого переменного синусоидального напряжения 50 кВ с частотой, равной 14,29-19,67 кГц, продолжительностью импульсов 50 мкс и длительностью фронта 1-20 мкс. Использование изобретения позволяет расширить технологические возможности процесса перфорации и упростить его. 5 ил.

Способ холодной электромеханической микроперфорации листа бумаги в стримерном разряде, включающий воздействие на лист бумаги импульсного электрического поля напряженностью 10⁶ В/см, создаваемого в двухэлектродной ячейке при нормальных условиях, получение при этом локализованной плазмы в виде массива самоорганизованных стримерных разрядов, возникающих между проводящими электродами в виде двух параллельных пластин, равных по площади и идентичных по геометрическим параметрам, при этом площадь пластин ограничена электрической мощностью источника питания в соотношении 10 Вт на 1 см², а поверхность электродов покрыта слоем диэлектрика, отличающийся тем, что перфорируемый лист бумаги размещают на поверхности одной из двух плоских пластин, выполненных из боросиликатного стекла толщиной 1 мм, которые располагают на расстоянии 5 мм друг от друга, при этом заднюю поверхность стекол, не контактирующую с бумагой, покрывают проводящим материалом с удельным сопротивлением менее 10-5 Ом·м и толщиной 10 мкм, причем площадь проводящего материала ограничена электрической мощностью источника питания в соотношении 2-10 Вт на 1 см², а холодные стримерные разряды, перфорирующие лист бумаги, формируют путем подачи на упомянутые пластины импульсов высокого переменного синусоидального напряжения 50 кВ с частотой, равной 14,29-19,67 кГц, продолжительностью импульсов 50 мкс и длительностью фронта 1-20 мкс.