ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ПОТОКА ПЛАЗМЫ ВЧЕ-РАЗРЯДА ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ШЕРСТЯНОГО ВОЛОКНА В ПРОЦЕССЕ ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ ШЕРСТИ

Основы физического взаимодействия плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления с шерстяными волокнами

При обработке плазмой ВЧЕ-разряда пониженного давления шерстяные волокна подвергаются воздействию различных факторов: происходит взаимодействие волокон с активными и неактивными частицами плазмы, которые имеют высокую потенциальную или кинетическую энергию, а также десорбция атомов и молекул с поверхности тела, изменение структуры и фазового состояния волокон. При этом различают физическое и химическое воздействия частиц, однако полностью разделить, какое именно воздействие отвечает за эффект плазменной модификации, невозможно. Каждый из данных процессов несет в себе элемент другого. Результат обработки определяется технологическими параметрами плазмы и находится в зависимости от одновременного воздействия на волокна различных факторов. В реальных процессах плазменной обработки для определения эффективности его протекания выделяют преимущественный механизм [89].

На поверхность волокна в плазме ВЧЕ-разряда пониженного давления поступает импульсно периодический поток электронов и постоянный поток ионов. Электроны на противоположные стороны образца поступают в противофазе. Постоянный скачок ВЧ-потенциала на слое положительного заряда, образующегося у поверхности капиллярно-пористого тела, равен ~ 50 - 60 В, амплитуда скачка потенциала в Л раз больше и составляет величину ~ 70 - 85 В. Максимальная разность потенциалов плазмы с противоположных сторон образца, помещенного в плазму, составляет величину ~ 100 В. Амплитуда напряженности электрического поля, которая создается разностью потенциалов внутри капиллярно-пористого тела при 4 тонине волокна от 18 до 25 мкм, достигает величины (2,5 - 6,5) • 10 В/м. Этого достаточно для пробоя газовых промежутков в капиллярах и порах. Так как пробой газа в ВЧЕ-разряде происходит при значении

Е/Р-103 В/м Па, то напряженность электрического поля, создаваемого внутри капиллярно-пористого тела, достаточна для пробоя газа, который находится в микропорах [147].

В результате воздействия потока плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления в порах и капиллярах возникает пробой с образованием заряженных частиц. При рекомбинации этих частиц на поверхности пор и капилляров выделяется энергия 13,6 - 15,76 эВ, передающаяся поверхностным молекулам кератина. Это приводит к объемной модификации клеток коркового слоя шерстяных волокон. Эффект объемной модификации шерстяных волокон реализуется за счет возникновения разряда в порах. Кератин является основным материалом стенок микропор шерстяных волокон. При учитывании разницы в плотности газовой среды и кератина, считается, что диэлектрическая проницаемость газовой среды (?у ~ 1) много меньше диэлектрической проницаемости микропоры ~3^9). В силу общих свойств диэлектрических сред электрическое поле в газовой среде внутри микропоры в ?’1 раз меньше, чем поле, создаваемое аналогичным зарядом в вакууме, а электрическое поле в стенке микропоры в ?2 раз меньше поля внутри микропоры. Следовательно, распределение электрического поля внутри шерстяного волокна очень неоднородно. Электрическое поле концентрируется

преимущественно в микропорах. Из плазмы на поверхность волокон поступают потоки заряженных частиц: во-первых, непрерывный поток ионов, обладающих средней энергией 30-90 эВ; во-вторых, импульсно-периодический поток электронов (в момент касания электронным облаком поверхности тела) [89].

Внутри микропоры существует газовая среда, основным компонентом которой является используемый плазмообразующий инертный газ (аргон), т.е. создаются условия для возникновения пробоя газа, вследствие того что, во-первых, в газе возникают свободные носители заряда, а следовательно, возникает проводимость, а во-вторых, в микропоре существует электрическое поле, посредством которого данные носители приобретают направленное движение. Основным источником свободных электронов и ионов внутри микропоры является газ, наполняющий ее [147].

Поток ионов, поступающих из плазмы, и вторичные электроны, выбивающиеся ионами со стенок микропор в течение первых нескольких периодов колебаний поверхностных зарядов в электрическом поле, осуществляют первоначальную ионизацию газа. Степень ионизации атомов на данной глубине становится маловероятной. Ионизация газа в закрытых микропорах происходит в моменты наиболее высоких значений электрического поля. Следовательно, при обработке шерстяных волокон в плазме высокочастотного разряда пониженного давления внутри поддерживается несамостоятельный импульсно-периодический разряд.

Ионы, которые возникают внутри микропоры в процессе несамостоятельной ионизации газа, попадая на ее стенки, рекомбинируют с заселяющими ее электронами. При рекомбинации этих частиц на поверхности пор и капилляров выделяется энергия 13,6 - 15,76 эВ, которая передается поверхностным молекулам белка. В результате происходит модификация внутренней поверхности кутикулярной клетки, которая ограничена мембраной со всех сторон. Это означает, что при обработке шерстяных волокон в плазме ВЧЕ-разряда пониженного давления возможно проведение объемной обработки [89].

Различие режимов обработки определяется капиллярнопористой структурой шерстяного волокна. Чем больше удельный объем пор и капилляров, тем сильнее проявляется эффект объемной модификации. Плазменная обработка шерстяного волокна приводит не только к морфологическим изменениям структур, но и одновременно с этим происходит глубокая наноструктурная трансформация шерстяного волокна. Наибольший вклад в модификацию шерстяных волокон вносят ионная бомбардировка и рекомбинация ионов, что доказано на основании проведенного сравнительного анализа элементарных процессов взаимодействия плазмы с поверхностью.

Поверхностная обработка осуществляется за счет бомбардировки низкоэнергетическими ионами поверхности волокон. В потоке плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления шерстяное сырье становится дополнительным электродом, вокруг которого образуется слой положительного разряда (1,5-2 мм) благодаря колебаниям электронов в осциллирующем электрическом поле относительно малоподвижных ионов. Ионы плазмы, приобретая дополнительную энергию (100эВ) за счет ускорения в электрическом поле слоя положительного заряда, бомбардируют поверхность обрабатываемых шерстяных волокон, что приводит к изменению поверхностных свойств. Ионная бомбардировка поверхности волокон с эффектом фокусировки низкоэнергетических ионов в области выступов кутикулы обеспечивает распыление загрязнений, локализованных в окрестности выступов рельефа кутикулы.

Объемная обработка происходит вследствие возникновения в порах и капиллярах несамостоятельного разряда, в результате которого во внутренней полости волокон возникают заряженные частицы - ионы и электроны. Последующая рекомбинация этих частиц на внутренней поверхности пор и капилляров с выделением энергии рекомбинации (13,6 - 15,76 эВ) приводит к

конформационным изменениям молекул, разрыву и образованию новых межмолекулярных связей. Вследствие разрыва и образования поперечных межмолекулярных связей внутри клеток коркового слоя происходит разделение микрофибрилл и фибрилл, увеличение количества нанопор, то есть происходит изменение внутренней наноструктуры шерстяного волокна [123].

Таким образом, плазменное воздействие на шерстяное сырье в процессе первичной обработки шерсти - это метод модификации шерстяных волокон, который за счет поверхностной и объемной обработки способствует изменению показателей физикомеханических и технологических свойств.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >