Плазмова обробка поверхні виробів імпульсними високовольтними газовими розрядами за умов атмосферного тиску

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

Київський політехнічний інститут

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.03.07 - процеси фізико-технічної обробки

Плазмова обробка поверхні виробів імпульсними високовольтними газовими розрядами за умов атмосферного тиску

Головятинський Сергій

Київ 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі інформатики та обчислювальної техніки Черкаського інституту пожежної безпеки ім. Героїв Чорнобиля.

Науковий керівник - доктор фізико-математичних наук, професор Акіньшин Валерій Дмитрович, Черкаський інститут пожежної безпеки ім. Героїв Чорнобиля, завідувач кафедри інформатики та обчислювальної техніки.

Офіціні опоненти:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Крівцун Ігор Віталійович, Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, завідувач відділом фізики газового розряду та техніки плазми;

кандидат технічних наук Пономаренко Андрій Михайлович, Черкаський державний технологічний університет, доцент кафедри “Автомобілі та технології їх експлуатації”.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради Д26.002.15, д.т.н., професор Головко Л.Ф.

Анотація

Головятинський С.А. Плазмова обробка поверхні виробів імпульсними високовольтними газовими розрядами за умов атмосферному тиску. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.07 - процеси фізико-технічної обробки. Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", Київ, 2006. Дисертаційна робота присвячена розробці методів високоефективної плазмової обробки поверхні діелектричних матеріалів, яка не викликає термічних пошкоджень, а також біологічних об'єктів за умов атмосферного тиску з використанням імпульсних високовольтних газових розрядів і розробці пристроїв генерації плазми й обробки поверхні для цих процесів.

Створені методи й експериментальні пристрої, які мають однаковий фізичний принцип, створюють імпульсний довгомірний високовольтний ВЧ розряд атмосферного тиску ємнісного типу та розрізняються за застосуваннями, для швидкої (одиниці - десятки мілісекунд) плазмової обробки великих діелектричних поверхонь і поверхонь складної форми.

В роботі вперше розроблені: на базі високовольтного ВЧ газового розряду атмосферного тиску метод створення імпульсної плазми великої довжини та малого поперечного перерізу уздовж поверхні діелектричних матеріалів, у тому числі й всередині напівзакритих каверн великої глибини; метод просторової стабілізації “плазмової струни” атмосферного тиску на рухливій поверхні діелектрика поздовжнім зовнішнім боковим електродом з рівномірним розподілом щільності струмів зміщення крізь поверхню по довжині газового розряду; метод, дозволяючий подовжити імпульсний газовий розряд в діелектричній трубці до 10 метрів за умов атмосферного тиску в аргоні та порівняно низької пікової електричної напруги, що не перевищує 15 кВ; метод плазмового нанесення тонких плівок оксиду кремнію за умов атмосферного тиску на поверхню полімерів з коефіцієнтом бар'єру (газової проникності) по кисню більше 20 (в тому числі на внутрішні поверхні діелектричних контейнерів). Результати наукових досліджень і створені експериментальні пристрої використані в розробці індустріальних прототипів та серійного обладнання атмосферної плазмової обробки в ряді фірм у США, Швейцарії й Германії.

Ключові слова: плазма атмосферного тиску, високочастотний, високовольтний газовий розряд, імпульсна обробка поверхні, діелектрик, активація, поверхнева енергія, бар'єр, газова проникність, тонка плівка, стерилізація, дезодорація.

Аннотация

Головятинский С.А. Плазменная обработка поверхности материалов импульсными высоковольтными газовыми разрядами при атмосферном давлении. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.07 - Процессы физико-технической обработки. - Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", Киев, 2006. Диссертация посвящена исследованию разработке методов и устройств высокоэффективной плазменной обработки поверхности диэлектрических материалов, а также биологических объектов, с использованием импульсных высоковольтных газовых разрядов при атмосферном давлении.

В рамках диссертационной работы был создан ряд методов и имеющих общий физический принцип экспериментальных устройств, использующих импульсный длинномерный высоковольтный высокочастотный разряд атмосферного давления емкостного типа, и различающихся по применениям, для быстрой (единицы-десятки мс) плазменной обработки больших диэлектрических плоских поверхностей и поверхностей сложной формы.

На базе высоковольтного высокочастотного газового разряда впервые разработан метод генерации импульсной плазмы атмосферного давления со струнной геометрией, способного создавать плазму вдоль поверхности диэлектрических материалов, в том числе и внутри полузакрытых каверн большой глубины в диэлектрических материалах. Относительная степень неравновесности и активности такой плазмы значительно увеличены по сравнению с применением дуговых сильнотоковых разрядов, а плотности энергии на единицу поверхности значительно превышают возможные значения при применениях коронного и барьерного разрядов. Впервые разработан метод пространственной стабилизации “плазменной струны” атмосферного давления на движущейся поверхности диэлектрика продольным наружным боковым электродом с равномерным распределением плотности токов смещения сквозь поверхность по длине газового разряда. Впервые разработан метод удлинения импульсного сверхдлинного газового разряда в диэлектрической трубке (до 10 м) при атмосферном давлении и сравнительно низком пиковом электрическом напряжении, не превышающем 15 кВ. Впервые разработан метод плазменного нанесения тонких пленок оксида кремния (~20 нм) при атмосферном давлении на поверхность полимеров с коэффициентом барьера (газовой проницаемости) по кислороду свыше 20 (в том числе на внутренние поверхности диэлектрических контейнеров).

На базе импульсных высоковольтных электрических газовых разрядов атмосферного давления разработан метод плазменной генерации струй активного газа (безтоковых и безпотенциальных), предназначенных для активации и очистки поверхности твердого тела (проводников, диэлектриков, полупроводников, гибридных материалов) с использованием и дальнейшим развитием метода динамической плазменной обработки. Применение атмосферной плазмы, высоковольтных импульсных разрядов позволило создать методы и приборы, реализующие однородную и высокоэффективную активацию (свыше 100 мN/м для большинства материалов) поверхности полимеров с большими скоростями относительного перемещения плазма-поверхность (до нескольких метров в секунду). При введении в данные электрические газовые разряды дополнительных газов или паров металлоорганических соединений реализуется осаждение на поверхность диэлектриков оксидных пленок или химическая модификация поверхности.

С применением высоковольтного импульсного ВЧ-разряда получена эффективная однородная стерилизация и дезодорация диэлектрических поверхностей за экстремально короткие времена (десятки, сотни миллисекунд), травление поверхности полимеров, дезодорация полимеров; обработка внутренних поверхностей контейнеров, бутылок, трубок. Разработан индустриальный прототип для стерилизации внутренних поверхностей пластиковых бутылок с использованием плазмы атмосферного давления с производительностью до 36000 полиэтилен-терифталатовых бутылок (объемом 1,5 л) в час. Приводятся результаты экспериментальных исследований свойств плазмы (электрических, тепловых, оптических, химических) и поверхности до и после обработки (нагрев, изменение морфологии, химического состава, смачиваемость, качественные и количественные микробиологические исследования), а также количественные оценки токового канала в газовом разряде и сравнение с его “следами” на обрабатываемой поверхности. Результаты научных исследований и созданные экспериментальные устройства были напрямую использованы при разработке серийного оборудования атмосферной плазменной обработки.

Ключевые слова: плазма атмосферного давления, высокочастотный, высоковольтный газовый разряд, импульсная обработка поверхности, диэлектрик, активация, поверхностная энергия, барьер, газовая проницаемость, тонкая пленка, стерилизация, дезодорация.

Annotation

Goloviatinski S.A. Pulsed high voltage gas discharges for atmospheric pressure plasma processing.- Manuscript.

The dissertation for the degree of candidate in technical sciences by speciality 05.03.07 - physical-technical Material Processing. - National Technical University of Ukraine “Kiev Politechnical Institute“, Kiev, 2006. The dissertation focuses on the development of high effective plasma processing (methods and devices) of dielectric materials and biological objects at atmospheric pressure by using of the high voltage pulsed RF gas discharges in the form of a long string and of the high voltage plasma jet.

Process times are in 0,01-0,1 sec range. Following high effective plasma processing's are obtained: surface sterilization and deodorization; surface activation and cleaning; gas barrier coating (SiOx on plastic). The dynamic plasma operation method, the plasma equilibrium and the plasma surface heating are discussed. Results were used to prepare the serial production of plasma j industrial devices.

Key words: atmospheric pressure plasma, high-frequency, high voltage gas discharge, pulsed surface treatment, dielectric, activation, surface energy, barrier, gas permeability, thin film, sterilization, deodorization.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Дослідження процесів взаємодії плазми з поверхнею твердого тіла є важливою задачею для розуміння фізики плазмових процесів і пристроїв, що їх реалізують. Використання плазмових технологій дозволяє отримувати якісно нові матеріали та створювати пристрої на їх основі, зменшувати хімічні забруднення навколишнього середовища. Пристрої, що використовують для генерації плазми газові розряди атмосферного тиску, є одними з найперспективніших, але менш дослідженими, ніж розряди пониженого тиску.

За умов атмосферного тиску основою плазмохімічних процесів у газовому розряді й на поверхні є в основному радикали, збуджені атоми й молекули. Існує велика кількість видів газових розрядів атмосферного тиску, більшість з яких, за виключенням усталених електродугових розрядів, може мати нерівноважні властивості, схожі з плазмою низького тиску. Час взаємодії атмосферної плазми з поверхнею може бути на порядки меншим, ніж при плазмі низького тиску, для отримання схожої ефективності обробки поверхні. Перехід від вакуумної плазми до газового розряду атмосферного тиску в більшості випадків потребує використання більших електричних напруг і відповідної техніки. Проте установлення й обслуговування обладнання атмосферної плазми значно простіші та дешевші.

Створення нових високоефективних методів і пристроїв плазмової обробки поверхні є дуже актуальним. Результати наукових досліджень в цій області мають велике практичне значення, яке підтверджується швидким промисловим впровадженням у таких галузях, як мікроелектроніка, мікротехніка, оптика, авіація, автомобілебудування, виробництво полімерних матеріалів та виробів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась у Черкаському інституті пожежної безпеки ім. Героїв Чорнобиля в рамках комерційних міжнародних наукових проектів “Ster-Bio”, 1993-1995 (Swiss Confederation, Nestle, Sulzer Metco, Switzerland; МИЕТ, Росія), “Atmospheric pressure plasma sterilization of plastic containers inner surface”, 1996-2000 (IST SA, Switzerland; O+H AG, Germany), “Atmospheric plasma barrier coating”, 1998-2002 (IST SA, Switzerland; PVATePla, Germany; SIPA SpA, Italy), “Atmospheric pressure plasma jet”, 2000-2004 (PVATePla, Germany; Metroline, USA), 2004-2005 “MonoJet” (Global Plasma Solutions, Switzerland).

Мета дисертаційної роботи - наукове обгрунтування й розробка методів високоефективної плазмової нетермічної обробки поверхні діелектричних матеріалів, а також біологічних об'єктів за умов атмосферного тиску з використанням імпульсних високовольтних газових розрядів та розробка пристроїв генерації плазми й обробки поверхні для цих процесів.

Для досягнення поставленої мети в роботі розв'язувались такі задачі:

створення спеціалізованих пристроїв з використанням різних типів газових розрядів атмосферного тиску, які забезпечували б оптимальну й однорідну плазмову обробку поверхні полімерів для процесів активації, нанесення тонких плівок та стерилізації. Отримання потоку плазми, що має високу щільність енергії, для забезпечення високої швидкості обробки поверхні (процес не повинен призводити до термічних або радіаційних пошкоджень оброблюваних матеріалів);

розробка і створення необхідного експериментального обладнання для плазмової обробки за умов атмосферного тиску плоских поверхонь та поверхонь складної тривимірної форми, зокрема, внутрішньої поверхні напіввідкритих каверн з діелектричного матеріалу, розробка системи контролю основних параметрів плазмових процесів;

розробка й наукове обгрунтування методології досліджень та вимірювань властивостей плазми (електричних, теплових, оптичних, хімічних) і поверхні перед та після обробки (нагрівання, зміна морфології, хімічного складу, змочуваність, якісні й кількісні мікробіологічні дослідження);

експериментальне дослідження загальних закономірностей плазмової обробки поверхні з використанням пристроїв, створених в рамках даної роботи, проведення науково-обгрунтованих кількісних оцінок та розрахунків, визначення керуючих факторів для кожного з технологічних процесів, оцінивши їх вагу для розробки методів плазмової активації, нанесення тонких плівок і стерилізації поверхні діелектриків та подальшого контролю промислових технології й обладнання;

розробка умов, що дозволяють мінімізувати необхідний час взаємодії плазми атмосферного тиску з поверхнею полімерів (не більше декількох сотень мілісекунд) для отримання високоефективних методів нанесення тонких плівок, включаючи бар'єрні газонепроникні покриття, активації поверхні й плазмового очищення, стерилізації поверхні та дезодорації (видалення ароматичних молекул) за умов мінімально можливого нагрівання поверхні, яка обробляється.

Об'єкт дослідження - технологічні процеси та пристрої плазмової обробки поверхні діелектричних матеріалів, а також біологічних об'єктів, за умов атмосферного тиску з використанням імпульсних високовольтних газових розрядів.

Предмет дослідження - плазмові стерилізація поверхонь, нанесення тонких шарів, модифікація та активація поверхонь діелектричних матеріалів.

Методи дослідження. Основні наукові положення, висновки й аргументації, сформульовані в дисертації, отримані з використанням:

експериментальних методів вивчення характеристик плазми з комп'ютерною реєстрацією даних та їх аналізом: вимірювання електричних параметрів; оптична оптоволоконна спектроскопія випромінювання плазми; швидкісний цифровий відеозапис;

аналітичних методів дослідження поверхні матеріалів: інфрачервона спектроскопія, рентгенівська фотоелектронна спектроскопія, растрова електронна мікроскопія, газова хроматографія, скануюча атомно-силова мікроскопія, вимірювання газопроникності полімерів, вимірювання величини крайового кута змочування, безконтактне швидкісне вимірювання температури поверхні;

методів кількісного урахування мікроорганізмів: чашковий метод Коха, нефелометрія (за розсіюванням світла);

методу Тагучі для планування експериментів на макетах і прототипах, комп'ютерних розрахунків та кількісних оцінок параметрів.

Наукова новизна роботи полягає в тому, що:

на базі високовольтного високочастотного (ВЧ) газового розряду атмосферного тиску вперше розроблений метод створення імпульсної плазми великої довжини та малого поперечного перерізу уздовж поверхні діелектричних матеріалів, у тому числі й всередині напівзакритих каверн великої глибини, (“плазмової струни”). Відносна міра нерівноважності й активності такої плазми значно збільшені порівняно із застосуванням дугових сильнострумових розрядів, а щільності енергії на одиницю поверхні значно перевищують можливі значення при застосуванні коронного і бар'єрного розрядів;

отриманий подальший розвиток методу імпульсної обробки поверхні діелектриків газовим розрядом атмосферного тиску типу “плазмової струни”, що дозволяє за рахунок регулювання часу взаємодії плазми з поверхнею обробляти полімери, чутливі до термічного або ультрафіолетового впливу. Цей метод дозволяє проводити високоефективну плазмову обробку поверхні діелектричних матеріалів (модифікація поверхні, активація й очищення, стерилізація й дезодорація) протягом дуже короткого часу взаємодії плазми з поверхнею (десятки мілісекунд). Термічна й ультрафіолетова складові плазмової дії на поверхню матеріалів значно зменшені порівняно із застосуванням дугових сильнострумових розрядів;

вперше розроблений метод просторової стабілізації “плазмової струни” атмосферного тиску на рухливій поверхні діелектрика поздовжнім зовнішнім боковим електродом з рівномірним розподілом щільності струмів зміщення крізь поверхню по довжині газового розряду за рахунок спеціальної форми електроду та нерівномірної товщини діелектрика, що його покриває;

вперше розроблений метод, дозволяючий подовжити імпульсний газовий розряд в діелектричній трубці до 10 метрів за умов атмосферного тиску в аргоні та порівняно низької пікової електричної напруги, що не перевищує 15 кВ;

вперше розроблений метод плазмового нанесення тонких плівок оксиду кремнію за умов атмосферного тиску на поверхню полімерів з коефіцієнтом бар'єру (газової проникності) по кисню більше 20 (в тому числі на внутрішні поверхні діелектричних контейнерів);

на базі імпульсних високовольтних електричних газових розрядів атмосферного тиску розроблений метод плазмової генерації струменів активного газу (безструмових і безпотенціальних), призначених для активації й очищення поверхні твердого тіла (провідників, діелектриків, напівпровідників, гібридних матеріалів) з використанням і подальшим розвитком методу динамічної плазмової обробки.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

1. Результати наукових досліджень даної роботи і створені експериментальні пристрої були напряму використані при розробці індустріальних прототипів і серійного обладнання атмосферної плазмової обробки:

- PlasmaPen Version 1.0, 2.1 і 2.2, “MonoJet”, однострумні генератори атмосферної плазми, серійно випускаються фірмами TePla America, USA, та PVATePla, Germany, і в Global Plasma Solutions, Switzerland;

- PPX, багатострумний лінійний ВЧ генератор атмосферної плазми - серійний випуск готується фірмою PVATePla, Feldkirchen bei Munchen, Germany.

2. Розроблений метод та індустріальний прототип для стерилізації внутрішніх поверхонь пластикових пляшок з використанням високовольтного ВЧ імпульсного розряду атмосферного тиску продуктивністю до 36000 пляшок за годину.

3. Розроблений метод і створений прототип для нанесення бар'єрних газонепроникних плівок оксиду кремнію на поверхню полімерів з використанням плазми атмосферного тиску (в тому числі на внутрішню поверхню упаковок).

4. Розроблені пристрої плазмової генерації струменів активного газу для активації й очищення поверхні твердого тіла, які мають широкий спектр індустріальних застосувань. Пристрої генерації плазмових струменів впроваджені в серійне виробництво.

Особистий внесок здобувача полягає у виконанні теоретичної й експериментальної частин роботи, а також інтерпретації отриманих результатів. Автору належать:

концепція створення високовольтної імпульсної "плазмової струни" атмосферного тиску та методу обробки нею поверхні діелектриків;

розробка експериментальних установок і методики дослідження властивостей газового розряду і поверхні твердого тіла, що взаємодіє з плазмою;