Transcript Обработване в коронен разряд на различни полимерни филми

ОБРАБОТВАНЕ В КОРОНЕН
РАЗРЯД НА РАЗЛИЧНИ
ПОЛИМЕРНИ ФИЛМИ
Т.А. Йовчева
Пловдивски Университет „Паисий Хилендарски”
Катедра „Експериментална физика”
СЪДЪРЖАНИЕ

Образци. Зареждане в коронен разряд.

Два метода за изследване на измененията на
повърхността на образците след зареждането
им в корона.

Влияние на три различни фактори върху
стабилността на електричния заряд.

Влияние на зареждането
холографски запис.
корона
при

Обработване
в
коронен
разряд
биоразградими полимерни филми.
на
в
1. Образци:
Синтетични полимерни филми (PP, PET, PTFE) с дебелина
20µm и 40µm.
Биоразградими полимерни филми от полимлечна киселина
с различна степен на кристалност, с дебелина ~ 40µm.
Изследваните образци са зареждани в коронен разряд.
СХЕМА ЗА ЗАРЕЖДАНЕ ПО МЕТОДА НА КОРОННИЯ РАЗРЯД
1 – източник на високо напрежение;
2 – корониращ електрод;
3 – решетка;
4 – плосък заземен електрод;
5 – образец;
6 – делител на напрежение.
Зареждането в корона създава високо-енергетични
кислородосъдържащи заредени частици, които се
ускоряват от електричното поле на короната и
взаимодействат с повърхността на полимерния филм.
2. Изследване на измененията на повърхността на
образците след зареждането им в корона по два метода:
РЕНТГЕНОВА ФОТОЕЛЕКТРОННА
СПЕКТРОСКОПИЯ
ЛАЗЕРНА РЕФРАКТОМЕТРИЯ
2.1. XPS на 20 µm РР филми
XPS спектри за O1s линии
O1s
532.6
5 – Заредени образци в
положителна корона при 75оС.
5
4 – Заредени образци в
отрицателна корона при 75оС.
4
3
3 – Заредени образци в
положителна корона при 20оС.
2
2 – Заредени образци в
отрицателна корона при 20оС.
1
525
530
535
Binding Energy (eV)
540
545
1 – Незаредени образци.
XPS анализ
(O/C)20p
(O/C) 75p
(O/C)20n
(O/C)ref
1.25
1.29
0.54
(O/C)20n
(O/C)20p
(O/C)75n
(O/C)75p
(O/C)20n
(O/C)75n
(O/C) 20p
2.40
2.42
1.24



(O/C)ref
Следователно:
Предполагат се сорбционни процеси на кислород и
кислородосъдържащи групи по време на зареждането в
корона.
Тези процеси се стимулират по различен начин при
зареждането в отрицателна и положителна корона.
Изменението на съдържанието на кислорода води до
образуването на различни локални повърхностни нива.
2.2. ЛАЗЕРНА РЕФРАКТОМЕТРИЯ
 Измерването на показателя на пречупване на полимерни
филм с дебелина под 50 µm се извършва по метода на
изчезващата дифракционна картина с двувълнов лазерен
рефрактометър (632.8 nm и 532nm).
ЛАЗЕРНА РЕФРАКТОМЕТРИЯ
Разпределението на показателя на пречупване на 20 µm РР
електретни филми в повърхностен слой с дебелина 0,9 µm.
1.5116
1.5116
1.5102
1.5102
1.5155
1.5139
1.5139
1.5123
1.5123
1.5107
1.5107
1.5091
1.5088
1.5074
1.5074
1.5091
1.506
1.5075
x(
cm
)
0
0
1
2 -1
-0.
0.5
U0 = 910 V
m)
y (c
5
1.513
1.513
1.5116
1.5116
1.5102
1.5102
1.5088
1.5088
1.5074
1.5074
1.506
1.506
-1
0
x(
cm
)
0
1
2 -1
-0.
5
0.5
m)
y (c
U0 = 995 V
x(
Двуелектродна система
за зареждане
U0 = 1.4 kV
U0 = 1.5 kV
1.5075
-1
n
-1
n
1.5088
1.506
n
Триелектродна система
за зареждане
1.5155
n
1.513
cm
)
0
0
1
2 -1
-0.
0.5
m)
y (c
5
1.5155
1.5155
1.5139
1.5139
1.5123
1.5123
1.5107
1.5107
1.5091
1.5091
1.5075
1.5075
-1
0
x(
cm
)
1
2 -1
-0.
0
5
0.5
m)
y (c
n
1.513
n
UC = 10 kV
n
n
UC = 5 kV
ЛАЗЕРНА РЕФРАКТОМЕТРИЯ
 Сравнението на оптичните и електретните характеристики
показа, че електретният заряд основно се отлага на
повърхността на короноелектретите.

Показателят на пречупване (n) за електретните образци е
по-висок от този за незаредените. Дължи се на
повърхностни структурни промени и промени на
диполния момент в РР филмите, настъпили по време на
зареждането в корона.

Показателят на пречупване (n) e по-висок в центъра на
образците и намалява с отдалечаването от него.
Следователно,
в
центъра
настъпват
най-силни
повърхностни изменения.

Разпределението на показателя на пречупване значително
зависи от напрежението, приложено на короната и от
конфигурацията на зареждащата система.
3. Влияние на различни фактори върху стабилността на
електретния заряд.
ВЛАЖНОСТ
НАЛЯГАНЕ
ЛАЗЕРНО ЛЪЧЕНИЕ
3.1. 20 µm РР ЕЛЕКТРЕТНИ ФИЛМИ,
СЪХРАНЯВАНИ ПРИ РАЗЛИЧНА ВЛАЖНОСТ
№ на ексикатора
1
2
3
4
5
Относителна влажност, %
0
32-33
52-55
75-76
98-100
Следователно:
 Съществени се явяват
процесите,
протичащи
на
повърхността на образеца.
Временни зависимости
на повърхностния потенциал Ve
за 5C-образци.
 Значително е влиянието на
влажността, при която се
съхраняват образците и трябва
да се отчита при изучаване
стабилността на електретните
сензори и устройства.
ПЕРКОЛАЦИОНЕН 2D МОДЕЛ
Ve t   Veo 1  P t 
Veo - повърхностен потенциал, измерен след получаването на електрета
P  - плътността на безкрайния кластер, като функция на тази част от
повърхността  , която е покрита със зародиши в момента t .
Кинетика на нарастване на зародишите /адсорбирана фаза/ след
2
t
 t



зареждането, в момент t   0 :  t   1 - q 0 , t exp-   t    v d  dt 
 0

 t

vt   v01 exp- t    v02
q 0 , t  - част от повърхността, оставаща свободна от зародиши в момента на
зареждането;  t  - скорост на образуването на зародиши, зависеща от времето
на релаксация  и константите: v01 , v 02 .
Разработена
е
програма
за
компютърен
анализ
на
експерименталните данни, използваща Flexyplex пакета.
Получени са теоретичните криви и 5те параметъра, характеризиращи
образуването и нарастването на кластерите до един безкраен кластер,
осигуряващ бърза неутрализация на електретните заряди.
3.2. ЕЛЕКТРЕТНИ ФИЛМИ, ПРИ РАЗЛИЧНИ НАЛЯГАНИЯ
1,1
300 Torr
1,0
0,9
Ve / Veo
0,8
0,7
100 Torr
0,6
0,5
0,4
Временна зависимост
на повърхностния потенциал
за РР електрети,
съхранявани при различни
налягания
20 Torr
0,3
0
10
20
30
40
50
60
t, min
Зависимостта на повърхностния потенциал от времето се описва
добре с уравнение аналогично на уравнението за десорбция
d
 k1  k 2 p(1   ) , чието решение е:
  a  be ct ,   Ve / Veo
dt
k2 p
k1
, b
, c  k1  k 2 p
a
k1  k 2 p
k1  k 2 p
Следователно, протича процес на десорбция на заредени
частици от повърхността на образците.
Обобщена крива
1,2
Нормализирано съотношение:
p V0
 p / V0 * 
,
p0 V0*
където: p0= 1 atm,
Positive charged PTFE
1,0
V / Vo
0,8
0,6
V0* =1000V,
0,4
р - налягане,
V0 - начален повърхностен
потенциал.
0,2
0,0
-4
-3
-2
-1
0
1
log (p / Vo)*




Зависи от отношението p/V0;
Различно е за различните знаци на повърхностния заряд;
Различно е за различните материали (PP, РЕТ и PTFE);
Плътната линия на графиката добре се описва с уравнение, аналог.
на ур. на линейна десорбция с повърхностна дифузия:
V
b
 x  c 

 a  1  erf 
  ; x  log p / V0 * ; a, b, c, d - параметри
V0
2
 2d  
ИЗВОДИ
Познаването на зависимостта на повърхностния
потенциал от налягането за тънък полимерен филм от
определен материал и на началния потенциа, до който е
зареден, позволява да се определи налягането, при което
става рязко спадане на повърхностния потенциал.
Съхраняването на електретите при налягане по-ниско от
1 mbar може да се използва като метод за стабилизиране
на електретния заряд.
3.3. Oблъчване с ниско-енергетично лазерно лъчение:
- Импулсен лазер на медни пари (Cu-Br), Рср = 300mV; 510,5 nm, 578 nm
- Квазинепрекъснат CO2 лазер, Рср = 4V, 10,6 mm .
Зависимости на (Virr/V0) от енергията на облъчване за РР филм.
1.0
Virr / V0
0.8
0.6
0.4
Vg = -1000V, (CO2)irr
Vg = +1000V, (CO2)irr
Vg = -1000V, (Cu-Br)irr
Vg = +1000V, (Cu-Br)irr
0.2
0.0
0
500 1000 1500 2000 2500
Vg – напрежение на
решетката
V0 – начален
повърхностен
потенциал;
Virr - повърхностен
потенциал след
облъчване
Е – енергия на
облъчване
E, J
При облъчване с (Cu-Br) лазер е установена слаба
зависимост, докато за CO2 лазера се наблюдава силно
експоненциално спадане на Virr/V0.
XPS резултати показват:
- Нарастване на съдържанието на кислород след
облъчване с Cu-Br лазер 
ТЕРМО-ИНДУЦИРАНО ОКИСЛЯВАНЕ.
- Намаляване на съдържанието на кислород след облъчване
с CО2 лазер 
ЛАЗЕРНА ТЕРМОДЕСОРБЦИЯ:
 V  
 E 
Virr  Virr 
irr
  1  
  exp 
 ,
 
V0  V0  уст   V0  уст 
 E 


 Virr 
 = 0.54, E - constant
 V0  уст
където: 
3.3. Oблъчване с лазерно лъчение
1.0
Vg = -1kV
0.8
Tch= 80 C
Virr / V0
o
o
Tch= 20 C
0.6
0.4
0.2
0
500 1000 1500 2000 2500
Установени са различните
стойности на Virr/V0 за РР
образци, заредени в корона
при различни температури,
след облъчване с CO2 лазер.
Приложение – оптичен
запис и съхранение на
информация.
E (J)


Стойностите на Virr/V0 за РР образци при облъчване с He-Ne
или Cu-Br лазери почти не се изменят.
Приложение – четене на информация, записана и
съхранявана от електростатично поле.
DE (a.u.)
4. Влияние на зареждането в корона при холографски запис.
Холографският запис на Брегови решетки се комбинира
със зареждане на плаката в коронен разряд.
Допълнително индуцираната поляризуемост при
зареждането в корона води до подобряване на
холографските характеристики – повишава се
дифракционната ефективност (DE).
 Аморфни азобензенни полимери
1,2 Samples type 1
1,0 1 - uncharged
2 - corona charged
0,8
2
1
0,6
0,4
0,2
0,0
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0
2
Exposure (J/cm )
Отрицателно и положително заредени образци.
Diffraction efficiency (%)
Фотополимерни материали на базата на акриламиди.
0,7
Uncharged
Negatively charged
Positively charged
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
0
100
200
300
400
500
2
Exposure (mJ/cm )
600
Фотополимерни нанокомпозити на базата на акриламиди,
легирани с различна концентрация на ALPO наночастици.
0 wt.%
2.5 wt.%
5 wt.%
10 wt.%
0,7
0,6
0,5
2.5%
5%
0,4
10%
0,3
0,2
0%
0,1
0,0
0
0,8
Uncharged samples
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
2
Exposure (mJ/cm )
Diffraction efficiency (%)
Diffraction efficiency (%)
0,8
0 wt.%
2.5 wt.%
5 wt.%
10 wt.%
0,7
0,6
Negative charge 2.5%
5%
0,5
0%
0,4
0,3
0,2
10%
0,1
0,0
0
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
2
Exposure (mJ/cm )
Приблизително еднакво нарастване на DE с около 3 пъти
при вкарване на 10wt.% ALPO в чист полимер или при
зареждане на чистия полимер в корона.
Най-добра DE (нараства с около 7 пъти) при вкарване на
2.5wt.% ALPO в отрицателно заредена полимерна матрица.
С вкарване на зеолитни наночастици и зареждане в корона
може да се управлява нарастването на DE от 1.4 до 7 пъти.


5. 1. Филми от полимлечна киселина
Успешно беше разработена технология за получаване на
стабилни електретни филми от полимлечна киселина,
съдържащи различен процент кристална и аморфна фаза.
Резултатите показват тенденция на стабилизиране на
повърхностния потенциал при съхранение с времето.
1,0
(b)
Sample 1.1
Sample 1.5
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
1,0
V / Vo
0,8
V / V0
(a)
Sample 1.1
Sample 1.5
0,6
0,4
0,2
0
10
20
30
t (days)
40
50
0,0
0
10
20
30
t (days)
Образци: 1.1- PLA; 1.5 – PLDA.
a) отрицателна корона; (b) положителна корона.
40
50
60
5.1. Филми от полимлечна киселина
Изследвани бяха структурните и термични свойства,
оптичните и електретните характеристики.
Резултатите показаха, че могат да се получават заредени
филми от полимлечна киселина с предварително зададени
стойности на показателя на пречупване и на
повърхностния потенциал, чрез изменение на степента на
кристалност, условията на зареждане в корона и
съхранение при различни понижени налягания.
Подложка
5.2. Многослойни наноструктури
Получаване на многослойни структури по метода на
електростатично самоподреждане: последователна адсорбция
на полианиони и поликатиони от полиелектролитни водни
разтвори върху твърда заредена в корона подложка.
1) Полианион
3) Поликатион
2) Изплакване
4) Изплакване
Поли-L–лизин/ карбоксиметилцелулоза мултислоеве
върху полипропиленова подложка.
В спектрите на пропускане в близката инфрачервена област
се наблюдават допълнителни линии на адсорбция при
3060 nm и 3125 nm, които доказват нарастване на
количеството адсорбирано вещество.
Transmittance (%)
100
90
(0)
80
70
60
50
(4)
0 layers
4 layers
10 layers
16 layers
(10)
(16)
40
1000 1500 2000 2500 3000 3500
Wavelength (nm)
Пектин/ хитозан мултислоеве върху различни подложки
от полимлечна киселина - PLA, PLDA.

Необратимото нарастване на мултислоевете се доказва с
намаляването на показателя на пречупване, поради поголямото количество адсорбиран буферен разтвор.
Дисперсионни криви на
показателя на пречупване