Обґрунтування методів високоефективної плазмової обробки поверхні діелектричних матеріалів та біологічних об"єктів за умов тиску з використанням високовольтних газових розрядів. Розробка пристроїв генерації плазми й обробки поверхні для цих процесів.
Аннотация к работе
Пристрої, що використовують для генерації плазми газові розряди атмосферного тиску, є одними з найперспективніших, але менш дослідженими, ніж розряди пониженого тиску. 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. Для досягнення поставленої мети в роботі розвязувались 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. 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).При атмосферному тиску основою плазмохімічних процесів у розряді й на поверхні стають радикали, збуджені атоми і молекули. Збільшення товщини суміжного шару плазма/поверхня компенсується високою концентрацією активованих частинок. Створенню генератора плазми на його основі та дослідженню її взаємодії з діелектричними поверхнями і був присвячений другий, основний етап експериментальних досліджень. Форма ізолятору нижнього (донного) електроду та його товщини повинні корелювати не лише з падінням напруги на плазмі й забезпеченням рівномірності щільності струму через оброблювану поверхню по довжині розряду, а й зі зменшенням лінійної швидкості обертання до центру дна, щоб не допустити термічних пошкоджень оброблюваної поверхні. Зміни хімічного складу поверхні за допомогою рентгенівської фотоелектронної спектроскопії показали значне збільшення концентрації кисню й азоту на поверхні полімерів після плазмової обробки при атмосферному тиску до 19?23% та 3.5?5%, відповідно, від загальної кількості атомів хімічного складу поверхні полістирену.Дисертаційна робота присвячена розробці методів високоефективної плазмової обробки поверхні діелектричних матеріалів, яка не викликає термічних пошкоджень, а також біологічних обєктів за умов атмосферного тиску з використанням імпульсних високовольтних газових розрядів і розробці пристроїв генерації плазми й обробки поверхні для цих процесів. Для створення пристроїв, що забезпечували б оптимальну й однорідну плазмову обробку поверхні полімерів для процесів активації, нанесення тонких плівок і стерилізації вперше запропоновані імпульсні високовольтні розряди різних частотних діапазонів з продувом газу, що забезпечують високі швидкості обробки поверхні за рахунок високої щільності енергії та вільних радикалів у потоці плазми і, в той же час, не призводять до термічних або радіаційних пошкоджень оброблюваних матеріалів. 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 барєрного 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).
План
2. Основний зміст роботи
Вывод
Дисертаційна робота присвячена розробці методів високоефективної плазмової обробки поверхні діелектричних матеріалів, яка не викликає термічних пошкоджень, а також біологічних обєктів за умов атмосферного тиску з використанням імпульсних високовольтних газових розрядів і розробці пристроїв генерації плазми й обробки поверхні для цих процесів. Основні результати роботи полягають у нижчезазначеному.
Досліджена взаємодія ряду газових розрядів атмосферного тиску з поверхнею діелектриків та полімерів, а також з мікроорганізмами. Для створення пристроїв, що забезпечували б оптимальну й однорідну плазмову обробку поверхні полімерів для процесів активації, нанесення тонких плівок і стерилізації вперше запропоновані імпульсні високовольтні розряди різних частотних діапазонів з продувом газу, що забезпечують високі швидкості обробки поверхні за рахунок високої щільності енергії та вільних радикалів у потоці плазми і, в той же час, не призводять до термічних або радіаційних пошкоджень оброблюваних матеріалів. На базі високовольтного 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 барєрного 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 барєру (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. Розроблені й впроваджені методи та індустріальні прототипи для стерилізації внутрішніх поверхонь пластикових пляшок з використанням високовольтного ВЧ імпульсного розряду атмосферного тиску продуктивністю до 36000 ПЕТ-пляшок (обємом 1,5 л ) за годину. На базі імпульсних високовольтних електричних газових розрядів атмосферного тиску вперше розроблений метод плазмової генерації струменів активного газу (безструмних і безпотенціальних, зі середньомасовою температурою від 70°C до 350°C), призначених для динамічної активації й очищення поверхні твердого тіла (провідників, діелектриків, напівпровідників, гібридних матеріалів). Результати дисертаційної роботи були напряму використані при розробці й підготовці випуску серійного устаткування атмосферної плазмової обробки в ряді фірм у США, Швейцарії та Германії.
Список литературы
1. P. Koulik, S. Begounov, and S. Goloviatinskii. Atmospheric plasma sterilization and deodorization of dielectric surfaces // Plasma Chemistry and Plasma Processing. -1999. -Vol. 19, No.2. - pp. 311-326.
2. С.А. Головятинский. Модификация поверхности полимеров импульсной плазмой атмосферного давления // Вісник Харківського університету. Серії фізична: Ядра, частинки, поля.-2004. - № 628. - Выпуск 2 (24). - С. 80-86.
3. С.А. Головятинский. Динамическая плазменная обработка и нестационарный нагрев поверхности при взаимодействии с импульсной атмосферной плазмой // Вісник НАУ. -2005. - № 1 (23). - С. 84-87.
4. С.А. Головятинский, В.Д. Акиньшин. Нанесение барьерных тонких пленок на поверхность полимеров импульсной плазмой атмосферного давления // Промислова гідравліка і пневматика. - 2005. - № 1 (7). - С. 56-61.
5. С.А. Головятинский, В.Д. Акиньшин. Плазменная струна: импульсный высоковольтный газовый разряд атмосферного давления большой длины для плазменной обработки поверхности диэлектриков // Вестник национального технического университета Украины “Киевский политехнический институт” / Машиностроение. - 2004. - № 45. - С. 160-161.
6. Пат. WO01/50495, МКИ H01J 37/32, H05H 1/24. Method and device for treating a threadlike body surface / Goloviatinskii S., Begounov S., Konavko R., Konavko A.; TEPLA AG (DE). - Заявл. 06.01.00; Опубл. 12.07.01, PCT/CH01/00010.
7. Пат. WO98/51608, МКИ B67C 7/00, A61L 2/14, B08B 9/00, B65B 55/04. Method and device for surface treatment / Goloviatinskii S., Koulik P., Begounov S.; IST SA (CH). - Заявл. 12.05.97; Опубл. 19.11.98, PCT/CH98/00196.
8. Пат. WO97/18343, МКИ C23C 16/04, A61L 2/14. Plasma jet reactor / P. Koulik, S. Goloviatinskii, et all.; IST SA (CH).- Заявл. 13.11.95; Опубл. 22.05.97, PCT/CH96/00406.
9. Пат. WO/18694, МКИ H05H 1/44, H01J 37/32. Method and device for sterilising, deodorising and protecting the inner surfaces of containers and tubes / P.Koulik, V.Enguelcht, S.Goloviatinskii, et all.; IST SA (CH). - Заявл. 13.11.95; Опубл. 22.05.97, PCT/CH96/00405.
10. Пат. 6423924B1 США, МКИ B23K 10/00. Method for treating the surface of a material or an object and implementing device / Goloviatinskii S., Begounov S; TEPLA AG (DE). - Заявл. 10.03.99; Опубл. 23.07.02.
11. Пат. DE10303402 Германия, МКИ H05H 1/26. Vorrichtung zum Erzeugen eines breiten Aktivgasstrahls auf Basis eines Gasentladungsplasmas/ Goloviatinskii S., Konavko R., Konavko A., Schmid H.; TEPLA AG (DE). - Заявл. 24.01.03; Опубл. 12.08.04.
12. С.А. Головятинский, Н.А. Гуральник, К.Э. Дубровский. Преимущества применения метода ДПО в современной технологии производства СБИС, БИС и СПП. // Физические основы высоких технологий. Научные труды. - Т.3.- Черкассы: НПО Ротор. -1990. - С. 3-10.
13. С.А. Головятинский, Н.А. Гуральник, К.Э. Дубровский. Метод ДПО в технологии приборов на поверхностно-акустических волнах // Физические основы высоких технологий. Научные труды. - Т. 3.- Черкассы: НПО Ротор. -1990. - С. 11-14.
14. С.А. Головятинский, Н.А. Гуральник, К.Э. Дубровский. Влияние динамической плазменной обработки на поверхность ниобата лития // Физические основы высоких технологий. Научные труды. - Т. 3.- Черкассы: НПО Ротор. -1990. - С. 15-21.
15. В.К. Глущенко, С.А. Головятинский, Д.М. Краснов. Диагностика технологических процессов динамической плазменной обработки с помощью дистанционного датчика теплового потока и температуры // Физические основы высоких технологий. Научные труды. - Т. 3. - Черкассы: НПО Ротор. -1990. - С. 27-30.
16. О.В. Синягин, В.И. Волохов, С.А. Головятинский. Применение динамической плазменной обработки в технологии акустоэлектронных приборов // Материалы конференции “Акустоэлектронные устройства обработки информации на поверхностных акустических волнах”. - Москва: ВИНИТИ. - 1990. - С. 379-381.
17. С.А. Головятинский, Д.М. Краснов, В.К. Глущенко. Система вимірювання температурного поля при динамічній плазмовій обробці // Науково-технічна конф. “Метрологічне забеспечення температурних та теплофізичних вимірювань. - Харків, Метрологія. - 1994. С. 55-57.