Физико-химические закономерности взаимодействия низкотемпературной плазмы кислорода с полиэтилентерефталатом

• Автор: Масловская, Елена Анатольевна
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Иваново
• Количество страниц: 147 с. : ил.

Оглавление
Глава 1. Обзор литературы
1.1 Прикладные аспекты плазменной обработки материалов на основе ПЭТФ
1.1.1 Модификация поверхности полимерных материалов на основе ПЭТФ в плазме
1.1.2 Основные закономерности травления ПЭТФ в кислородной плазме
1.2 Физико-химические аспекты плазменного травления полимеров на основе ПЭТФ
1.2.1 Гетерогенные процессы на поверхности ПЭТФ. Газообразные продукты деструкции
1.3 Механизмы плазменной деструкции ПЭТФ
1.3.1 Закономерности фото- и фотоокислительной деструкции полиэтилентерефталата
1.3.2 Особенности термодеструкции полиэтилентерефталата
1.3.3 Механизм плазменного травления ПЭТФ в
1.4 Активные частицы плазмы кислорода и их участие в плазменном травлении полимеров
1.4.1 Молекулы кислорода в основном состоянии 02(Х3Е8~, У=0), колебательно-возбужденные молекулы кислорода О2(Х3Её~,У*0)
1.4.2 Атомы кислорода в основном состоянии 0(3Р), возбужденные атомы в метастабильных состояниях 0(0) иО(!8)
1.4.3 Возбужденные молекулы в метастабильных состояниях и
02(Ъ%+)
1.4.4 Озон
1.4.5 Положительные и отрицательные ионы
1.4.6 Оптическое излучение плазмы кислорода
1.4.7 Заключение
Выводы. Постановка задачи
Глава 2. Методики измерений и расчетов
2.1 Экспериментальная установка
2.2 Измерения напряженности продольного электрического поля и потока положительных ионов на стенку реактора
2.3 Методика измерений интенсивностей линий и полос
2.4 Определение температуры газа
2.5 Методики масс-спектральных измерений
2.5.1 Определение парциальных давлений (мольных долей) стабильных компонентов газовой смеси
2.5.2 Определение скоростей образования газообразных продуктов при плазменном воздействии
2.6 Объекты исследования
2.7 Заключение
Глава 3. Расчеты потоков активных частиц на поверхность материала
3.1 Постановка задачи
3.2 Уравнение Больцмана
3.3 Уравнения колебательной кинетики основного состояния 02(Х3£8)
3.4 Уравнения баланса заряженных частиц
Глава 4. Результаты расчетов. Сравнение с экспериментом
Глава 5. Основные результаты измерений. Кинетика взаимодействия активных частиц плазмы кислорода с полиэтилентерефталатом
5.1 Экспериментальные данные о кинетических закономерностях воздействия плазмы кислорода на пленку ПЭТФ
5.2 Экспериментальные данные о кинетических закономерностях воздействия плазмы кислорода на ткань из волокон ПЭТФ
5.3 Экспериментальные данные о кинетических закономерностях воздействия послесвечения плазмы кислорода на пленку и ткань из ПЭТФ
Глава 6. Обсуждение экспериментальных данных
6.1 Плазмоокислительная деструкция полимерных материалов из ПЭТФ в плазме
6.2 Окислительная деструкция полимерных материалов из ПЭТФ
в послесвечении плазмы кислорода
6.3 Определение эффективной площади тканого образца
6.4 Гипотеза о возможных механизмах плазмоокислительной деструкции
Глава 7. Оптико-спектральный метод контроля процесса травления полимерных
материалов на основе ПЭТФ
Основные результаты и выводы
Список использованных источников
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. Специфический характер воздействия низкотемпературной плазмы на различные материалы определил ее широкое применение для решения различных технологических задач и в практике научных исследований. Эта специфика заключается в сочетании высокой химической активности с низкой газовой температурой, что делает плазму привлекательным инструментом для воздействия на полимерные материалы. Дополнительным преимуществом плазменного воздействия является то, что оно редко затрагивает глубины, превышающие несколько микрометров, сохраняя объемные свойства материала без изменений. Таким образом, плазменная обработка фактически превращает полимер в новый композиционный материал.
В области технологического использования “холодной” плазмы сложилась такая ситуация, когда значительный накопленный объем экспериментальных фактов позволяет делать качественные прогнозы относительно результатов воздействия плазмы на самые разные материалы, и даже подбирать приемлемые условия проведения этих процессов. Уже созданы образцы промышленного оборудования и реализованы отдельные технологии модифицирования различных полимерных и текстильных материалов. Очевидно, что выбираемые таким образом режимы далеки от оптимальных. Построение же теории процессов в неравновесной плазме осложнено тем, что плазма, как самоорганизующаяся система, не является независимым и контролируемым с помощью внешних параметров источником активных частиц, а целевой плазменный процесс всегда является многостадийным и многоканальным.
В связи с этим, выяснение механизмов протекающих в плазме процессов, а также выявление кинетических закономерностей ее воздействия на полимерные материалы и установление взаимосвязи между процессами в плазме и на поверхности является актуальной задачей.
Работа выполнялась в рамках научно-технической программы “Университеты России” (1995-1997г.г.), а также пользовалась поддержкой грантов С.-Петербургского конкурсного центра (1992-93 гг.) и Министерства общего и профессионального образования по направлению “Химические технологии” (1997г.).

методом КАРС измерить заселенность колебательных уровней 02(Х3£ё”) с нулевого по второй включительно (давления 62-625 Па, токи 5-80 мА, реактор из пирекса диаметром 16 мм). Авторы показали, что заселенности этих уровней можно описать больцмановской зависимостью с соответствующей колебательной температурой Ту. Оказалось, что колебательные температуры невелики и имеют один порядок величины с газовыми, растут с ростом тока разряда, уменьшаются с ростом давления и увеличиваются с увеличением расхода газа. Авторы высказали предположение, что зависимость Ту от расхода газа связана с поведением атомарного кислорода. Когда время жизни атомов становится соизмеримым с характерным временем их уноса потоком, концентрация атомов начинает уменьшаться, а поскольку на последних происходит эффективная У-Т релаксация колебательно-возбужденных молекул (КВМ) [77], то это приводит к росту Ту. Эта гипотеза действительно нашла подтверждение в ряде расчетных работ.
Известно несколько работ, в которых распределения КВМ по уровням были найдены расчетным путем. Расчеты показали, что концентрация КВМ может составлять 1% (~1014см'3) от концентрации молекулярного кислорода [78,79]. В ходе построения самосогласованной модели тлеющего разряда кислорода, опираясь на данные литературы, авторы [80] показали, что возбуждение колебательных уровней молекул 02 происходит прямым электронным ударом, при этом возбуждаются нижние колебательные уровни (е-У процесс). Далее с большими скоростями идут процессы перераспределения энергии между колебательными уровнями (У-У процесс) и У-Т релаксация КВМ на атомах 0(3Р), приводящая к нагреву газа. В силу больших частот У-Т процессов по сравнению с частотами У-У обмена заселенности верхних колебательных уровней оказываются малыми. Подавляющая часть молекул 02(Х3Её~) сосредоточена на нулевом уровне. Следствием этого являются низкие эффективные колебательные температуры (близкие к газовым) и пренебрежимо малый вклад КВМ с уровней У>0 в скорости процессов с участием электронов (диссоциацию, ионизацию, диссоциативное прилипание), но 02(Х,У=5,6) могут, с большой вероятностью, участвовать в тушении метастабильного состояния 02(а1Дё):
02(Д) +02(Х,У=5,6) 202(Х,У)
Таким образом, можно полагать, что молекулы кислорода 02(Х3Её~) если и принимают участие в реакциях с полимерами, то преимущественно в основном колебательном состоянии.