Способ обработки поверхности материалов для обеспечения смачивания в водных растворах

 

Изобретение относится к технологическим процессам, в частности к способам обработки поверхности для обеспечения смачивания материалов в водосодержащих средах. Сущность изобретения: в способе применен активный агент, обеспечивающий смачивание в водных растворах, в качестве которого использован поток высокоэнтальпийной плазмы инертного и/или нейтрального газа при атмосферных условиях путем высокоскоростного взаимного пересечения поверхности материала с плазменным потоком со скоростью V<Dq/Q, где D - диаметр плазменного потока в зоне пересечения; M (10^-2-10^-1) ; q - средняя плотность теплового потока на границе твердое тело - плазма (q≥ 10⁷Вт/м²) ; Q - плотность энергии, необходимая для обеспечения смачиваемости поверхности (Q~ 10⁵-10⁷Дж/м²) , причем в плазменный поток предварительно до его пересечения с материалом вводят кислород, азот и/или хладон. 2 табл.

Изобретение относится к технологическим процессам, в частности к способам обработки поверхности для обеспечения смачивания материалов, и может быть использовано для подготовки различных деталей к работе в водосодержащих средах.

Известен способ обеспечения смачивания поверхности металлических деталей путем обработки в щелочных электролитических ваннах (операция обезжиривания). Указанный способ применим лишь к металлическим поверхностям и требует значительных затрат для нейтрализации экологически вредных реактивов.

Более распространенным способом увеличения смачивания поверхности твердых тел является обработка ее поверхностно-активными веществами (ПАВ), вводимыми в рабочие растворы на основе воды.

Однако этот способ требует подбора ПАВ к конкретной паре жидкость-твердое тело и, как правило, приводит к необходимости последующей очистки поверхности детали от ПАВ, а также экологически небезопасен.

Существующие способы увеличения смачивания водой поверхности полимерных твердых тел и покрытий основаны на воздействии на поверхность сильных жидких окислителей и последующей обработке ее в плазме тлеющего разряда.

Распространен способ увеличения смачиваемости поверхности полиимидной пленки путем обработки ее в горячих растворах едкого калия, хромовой смеси на основе азотной и серной кислот с последующим термическим отжигом в инертной среде и обработкой в плазме тлеющего разряда. Однако этот способ имеет ряд недостатков, основными из которых являются: недостаточная эффективность, большая длительность обработки и экологическая вредность технологических процессов. Кроме того, указанный способ требует значительных затрат на химические реактивы и на утилизацию экологически вредных отходов. Воздействие одного лишь тлеющего разряда недостаточно.

Известно, что по характеру взаимодействия существуют две основные группы: с преобладанием молекулярных сил (физическое или обратимое смачивание); с преобладанием сил химического взаимодействия (химическое или необратимое смачивание).

Первая группа процессов реализуется для твердых тел, имеющих высокоэнергетическую поверхность (удельная свободная поверхностная энергия порядка сотен или тысяч кДж/м²). В нее входят металлы, оксиды и другие неорганические вещества.

Вторая группа характерна для твердых тел с низкоэнергетической поверхностью (уд. св. энергия до 100 кДж/м²). Эта группа объединяет органические вещества, полимеры и др.

Технический результат данного изобретения заключается в увеличении смачивания как неорганических, так и полимерных поверхностей. Технический результат достигается тем, что в способе обработки поверхности, в котором поверхность обрабатывают активным агентом, согласно изобретению, в качестве последнего используют поток высокоэнтальпийной плазмы инертного и/или нейтрального газа при атмосферных условиях, а обработку проводят перед погружением в водную водосодержащую среду, путем высокоскоростного взаимного пересечения поверхности материалов с плазменным потоком, со скоростью W< Dq/Q, где D - диаметр плазменного потока в зоне пересечения, М (10^-2-10^-1); q - средняя плотность теплового потока на границе твердое тело-плазма (q ≥10⁷ Вт/м²); Q - плотность энергии, необходимая для обеспечения смачиваемости поверхности (Q ≈ 10⁵-10⁷ Дж/м²), с добавкой в поток кислорода, азота или хладона.

Плазменный поток с такими параметрами может быть получен, например, с помощью электродуговых генераторов плазмы.

Сущность заявляемого технического решения в следующем.

1. В случае физического смачивания, характеризуемого краевым углом смачивания Θ, процесс описывается известным соотношением cosΘ_o = ( σ_тг - σ _тж)/σ _жг , (1) где Θ_о - равновесный угол смачивания; σ_тг, σ _тж, σ _жг - поверхностные натяжения на границах: твердое тело - газ, твердое тело - жидкость и жидкость - газ.

При этом (1) справедливо в случае, если адсорбция на поверхности твердого тела Г отсутствует. При наличии же адсорбированных молекул справедливо соотношение cosΘ_o= - RT Гdl(пр)- /σ_жг (2) где p - парциальное давление пара; R - универсальная газовая постоянная; Т - температура, К.

Сравнение (1) и (2) показывает, что способом повышения смачивания (понижения краевого угла смачивания) является снижение адсорбции на поверхности твердого тела. При этом существенно не только удаление пленок органических загрязнений, но также и десорбция газов и паров (N₂, CO₂, H₂O и др. ).

Десорбция с поверхности твердых тел обеспечивается воздействием высокоэнтальпийного потока плазмы с q > 10⁷ Вт/м².

2. Повышение смачивания в случае полимерных тел (снижение краевого угла смачивания) достигается вследствие химического взаимодействия полярных функциональных групп и ненасыщенных связей на поверхности полимерной пленки с молекулами воды.

При взаимодействии с потоком плазмы на поверхности полимера идет процесс образования перекисных радикалов (R-O-O), карбоксильных (-С=О-, С=О-) групп, аминогрупп (R-NH₂), диазогрупп (RH₂-OH). Кроме того, существенное влияние на увеличение смачивания оказывает удаление с поверхности полимера адсорбированных загрязнений, низкомолекулярных фракций, продуктов деструкции, а также десорбции газов и паров.

Наличие химически активных групп на поверхности полимера фиксируется на их спектрах, снятых в области длин волн 2,5-400 мкм.

Все вышеуказанные химические превращения на поверхности полимера обеспечиваются воздействием на него высокоэнтальпийного плазменного потока при атмосферном давлении.

Пример конкретного выполнения.

В качестве экспериментальных образцов неорганических твердых тел использовали пластины металлов, керамики (Al₂O₃); стекла (оптическое) и ситалла, размером ≈40х40 мм, толщиной 0,1-1,0 мм, а также диски легированного монокристаллического кремния (КДБ-10) диаметром 100 мм, толщиной 0,1 мм.

Поверхность образцов имела различное качество механической обработки (см. табл. 1). Обработку плазмой производили на установке ДПО-100.

Контроль смачивания поверхности дистиллированной водой производили по углу смачивания, который определяли по высоте и диаметру капли с помощью оптического микроскопа. В табл. 1 приведены три градации, соответствующие трем значениям краевого угла 8: не смачивается (нс) - Θ 60^о;
смачивается (с) Θ10^о;
частично смачивается (чс) - 60^о > Θ >10^о.

Результаты экспериментов приведены в табл. 1.

Результаты, приведенные в табл. 1, позволяют сделать следующие выводы:
вследствие адсорбционной природы эффекта продолжительность смачивания различна (от 5-10 мин до нескольких часов);
в соответствии с существующими представлениями эффект смачивания зависит от степени обработки поверхности (для шероховатых поверхностей более устойчив).

2. Воздействие активного агента на поверхность полимера изучали на образцах полиимида, а плазменный поток инертного газа с необходимыми для обработки технологическими параметрами получали с помощью генераторов плазмы (5) на установке ДПО-100.

Результаты экспериментов с различными добавками приведены в табл. 2.

Результаты, приведенные в табл. 2, позволяют сделать вывод: эффект смачивания зависит от места пересечения образца с потоком плазмы. Это говорит о том, что по длине плазменного потока имеются области, в которых реакции взаимодействия полиимид - плазма идут наиболее интенсивно.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет осуществлять экспрессную обработку поверхности любых материалов в автоматическом режиме работы.

Формула изобретения

СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СМАЧИВАНИЯ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ путем обработки поверхности активным агентом, отличающийся тем, что в качестве активного агента используют поток высокоэнтальпийной низкотемпературной плазмы инертного и/или нейтрального газа при атмосферных условиях, а обработку проводят путем высокоскоростного взаимного пересечения поверхности материалов с плазменным потоком со скоростью v < Dq/Q, где D - диаметр плазменного потока в зоне пересечения, 10^-2 - 10^-1 М; q - средняя плотность теплового потока на границе твердое тело - плазма, q ≥ 10⁷ Вт/м²; Q - плотность энергии, необходимая для обеспечения смачиваемости поверхности, Q ~ 10⁵ - 10⁷ Дж/м², причем в плазменный поток предварительно до его пересечения с материалом вводят кислород, азот и/или хладон.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3