способ обработки поверхности материалов для обеспечения смачивания в водных растворах
Классы МПК: | B05D3/10 другими химическими средствами |
Автор(ы): | Иванов В.В., Кулик П.П., Новиков С.Н., Павлов Г.Я., Фомичев А.В. |
Патентообладатель(и): | Инженерный центр "Плазмодинамика" |
Приоритеты: |
подача заявки:
1992-03-05 публикация патента:
15.07.1994 |
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.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

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
Описание изобретения к патенту
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



cos








cos






(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

не смачивается (нс) -

смачивается (с)

частично смачивается (чс) - 60о >

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.
Класс B05D3/10 другими химическими средствами