ОБРАБОТВАНЕ В КОРОНЕН

РАЗРЯД НА РАЗЛИЧНИ

ПОЛИМЕРНИ ФИЛМИ

Т.А. ЙовчеваПловдивски 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 в корона при холографски запис.

Обработване в коронен разряд на биоразградими полимерни филми.

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.

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.

Изследваните образци са зареждани в коронен разряд.

2. Изследване на измененията на повърхността на

образците след зареждането им в корона по два метода:

РЕНТГЕНОВА ФОТОЕЛЕКТРОННА

СПЕКТРОСКОПИЯ

ЛАЗЕРНА РЕФРАКТОМЕТРИЯ

Зареждането в корона създава високо-енергетични кислородосъдържащи заредени частици, които се ускоряват от електричното поле на короната и взаимодействат с повърхността на полимерния филм.

2.1. XPS на 20 µm РР филми

525 530 535 540 545

532.6O1s

Binding Energy (eV)

1

2

3

4

5

XPS спектри за O1s линии

5 – Заредени образци в положителна корона при 75оС.

4 – Заредени образци в отрицателна корона при 75оС.

3 – Заредени образци в положителна корона при 20оС.

2 – Заредени образци в отрицателна корона при 20оС.

1 – Незаредени образци.

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.

20p

20n

(O/C)

(O/C)

75p

75n

(O/C)

(O/C)

75n

20n

(O/C)

(O/C)

75p

20p

(O/C)

(O/C)

ref

20n

(O/C)

(O/C)

ref

20p

(O/C)

(O/C)

2.40 2.42 1.24 1.25 1.29 0.54

XPS анализ

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).

1.506 1.506

1.5074 1.5074

1.5088 1.5088

1.5102 1.5102

1.5116 1.5116

1.513 1.513

n n

U0 = 910 V

1.5075 1.5075

1.5091 1.5091

1.5107 1.5107

1.5123 1.5123

1.5139 1.5139

1.5155 1.5155

n n

1.506 1.506

1.5074 1.5074

1.5088 1.5088

1.5102 1.5102

1.5116 1.5116

1.513 1.513

n nU0 = 995 V

U0 = 1.4 kV1.5075 1.5075

1.5091 1.5091

1.5107 1.5107

1.5123 1.5123

1.5139 1.5139

1.5155 1.5155

n n

U0 = 1.5 kV

Триелектродна система за зареждане

Двуелектродна система за зареждане

ЛАЗЕРНА РЕФРАКТОМЕТРИЯРазпределението на показателя на пречупване на 20 µm РР

електретни филми в повърхностен слой с дебелина 0,9 µm. UC = 5 kV UC = 10 kV

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.

ЛАЗЕРНА РЕФРАКТОМЕТРИЯ

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

Временни зависимости на повърхностния потенциал Ve за 5C-образци.

Следователно:

Съществени се явяват процесите, протичащи на повърхността на образеца.

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 tPVtV 1 eoe

eoV - 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

зареждането, в момент 0 t :

tvttqtt

t

t

dd -exp , - 1

2

0

0

0201 -exp vtvtv

tq , 0 - част от повърхността, оставаща свободна от зародиши в момента на

зареждането; t - скорост на образуването на зародиши, зависеща от времето

на релаксация и константите: 01v , 02v .

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.

0 10 20 30 40 50 60

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1300 Torr

20 Torr

100 Torr

V

e / V

eo

t, min

3.2. ЕЛЕКТРЕТНИ ФИЛМИ, ПРИ РАЗЛИЧНИ НАЛЯГАНИЯ

Зависимостта на повърхностния потенциал от времето се описва добре с уравнение аналогично на уравнението за десорбция

)1(21 pkk

dt

d, чието решение е: ctbea , eoe VV /

pkk

pka

21

2

,

pkk

kb

21

1

, pkkc 21

Временна зависимостна повърхностния потенциалза РР електрети,съхранявани при различни налягания

Следователно, протича процес на десорбция на заредени частици от повърхността на образците.

-4 -3 -2 -1 0 10,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2V

/ V

o

log (p / Vo)*

Positive charged PTFE

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:

d

cxerf

ba

V

V

21

20

; *0/log Vpx ; dcba ,,, - параметри

Нормализирано съотношение:

*

00

0*0/

Vp

VpVp ,

където: p0= 1 atm,

*0V =1000V,

р - налягане, V0 - начален повърхностен потенциал.

Обобщена крива

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 .

Vg – напрежение на решетката V0 – начален повърхностен потенциал;Virr - повърхностен потенциал след облъчванеЕ – енергия на облъчване

Зависимости на (Virr/V0) от енергията на облъчване за РР филм.

При облъчване с (Cu-Br) лазер е установена слаба зависимост, докато за CO2 лазера се наблюдава силно експоненциално спадане на Virr/V0.

- 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:

E

E

V

V

V

V

V

V

уст

irr

уст

irrirr exp1000

,

където: уст

irr

V

V

0

= 0.54, E - constant

XPS резултати показват:

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. 0 500 1000 1500 2000 2500

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Virr /

V0

E (J)

Vg = -1kV

Tch

= 80oC

Tch

= 20oC

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.

3.3. Oблъчване с лазерно лъчение

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).

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,00,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

DE

(a.

u.)

Exposure (J/cm2)

Samples type 11 - uncharged2 - corona charged

1

2

Аморфни азобензенни полимери

Отрицателно и положително заредени образци.

Фотополимерни материали на базата на акриламиди.

0 100 200 300 400 500 6000,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

Dif

frac

tion

eff

icie

ncy

(%)

Exposure (mJ/cm2)

Uncharged Negatively charged Positively charged

Фотополимерни нанокомпозити на базата на акриламиди, легирани с различна концентрация на ALPO наночастици.

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.

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.

0 10 20 30 40 500,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0 (a)

V /

V0

t (days)

Sample 1.1 Sample 1.5

0 10 20 30 40 50 600,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0 (b)

V /

Vo

t (days)

Sample 1.1 Sample 1.5

Образци: 1.1- PLA; 1.5 – PLDA.

a) отрицателна корона; (b) положителна корона.

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.

5.1. Филми от полимлечна киселина

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.

5.2. Многослойни наноструктури

По

дл

ож

ка 1) Полианион

2) Изплакване

3) Поликатион

4) Изплакване

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.

Поли-L–лизин/ карбоксиметилцелулоза мултислоеве върху полипропиленова подложка.

Необратимото нарастване на мултислоевете се доказва с намаляването на показателя на пречупване, поради по-голямото количество адсорбиран буферен разтвор.

Дисперсионни криви на

показателя на пречупване

Пектин/ хитозан мултислоеве върху различни подложки от полимлечна киселина - PLA, PLDA.