WYDZIAŁ CHEMICZNY POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ

Transkrypt

1 WYDZIAŁ CHEMICZNY POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ KATEDRA TECHNOLOGII CHEMICZNEJ Laboratorium PODSTAWY TECHNOLOGII CHEMICZNEJ Intrukcja do ćwiczenia t. MODYFIKACJA POWIERZCHNI W PLAZMIE NIERÓWNOWAGOWEJ Prowadząca: mgr inż. Joanna Worozył

2 Wtę Od wieu at tworzywa ztuczne ą zeroko rozowzechnione w codziennym życiu oraz tanowią jeden z najważniejzych urowców w rzemyśe. Wynika to rzede wzytkim z ich niewiekich koztów i łatwości w ich rzetwarzaniu oraz korzytnym właściwościom fizykochemicznym. Obecnie w technoogii coraz częściej wykorzytuje ię właściwości owierzchniowe, odgrywające dużą roę w roceach rzemyłowych. Modyfikacja owierzchni zewnętrznej toowana jet w ceu zabezieczenia rzed korozją, zwiękzenia wytrzymałości mechanicznej, orawy trwałości złącz adhezyjnych ub uzczenienia. Właściwości owierzchniowe materiałów wykorzytuje ię w różnych roceach rzemyłowych, n. w nanozeniu owłok ochronnych, marowaniu, kejeniu, fotacji, kataizie czy też drukowaniu [1]. Wśród metod łużących do modyfikacji wartwy wierzchniej tworzyw wyróżnia ię: chemiczne, bioogiczne, mechaniczne, eektrochemiczne, azmowe, wykorzytujące romieniowanie X, γ ub utrafioetowe. Każda z wyżej wymienionych technik ma wady i zaety, więc bardzo ważne jet odowiednie dobranie metody. W otatnich atach coraz częściej do modyfikacji owierzchni zewnętrznej tworzyw ztucznych wykorzytuje ię azmę nikotemeraturową. Ta metoda jet tania w ekoatacji, wykorzytuje reaktory o wzgędnie rotej budowie oraz zaicza ię do jednej z najczytzych. Gładka i trudna do zwiżenia owierzchnia tworzyw ztucznych owoduje wytęowanie robemów w kejeniu, aminowaniu, drukowaniu, a także oadzaniu wartw metaicznych. Przyczynia ię do tego także oadzanie na owierzchni tworzywa zanieczyzczeń (wraz z zaadorbowaną arą wodną) oraz migracja kładników oimeru, takich jak środki śizgowe i marujące, atyfikatory, rzeciwuteniacze, na jego owierzchnię [1].

3 W ceu zwiękzenia wytrzymałości, czytości ub wobodnej energii owierzchniowej (SEP), wartwa wierzchnia materiałów jet częto modyfikowana za omocą różnych metod chemicznych i fizycznych. Uzykuje ię to orzez: zmianę truktury owierzchni tworzywa (zwiękzenie chroowatości), uunięcie zanieczyzczeń i migrujących do owierzchni kładników oimeru, zwiękzenie zwiżaności w ceu zwiękzenia SEP, zwiękzenie kohezji wartwy wierzchniej (rocey ieciowania). Metody badań owierzchni tworzyw ztucznych Zotał oracowany zereg metod łużących do okreśania zmian zachodzących na owierzchni tworzyw ztucznych w czaie jej modyfikacji (Tab. 1). W zaeżności od tyu informacji (kład chemiczny, zwiżaność, wobodna energia owierzchniowa, rodzaje wiązań, truktura czy toografia), którą chcemy uzykać, naeży dobrać odowiednią do tego ceu metodę [2]. Korzytając z metody omiarów kąta zwiżania możiwe jet okreśenie zwiżaności badanego materiału oraz wyznaczenie wobodnej energii owierzchniowej (SEP). Za omocą badań metodami FTIR ATR, SEM i ATM można zanaizować gruy funkcyjnych obecne na owierzchni materiału odcza modyfikacji. Czułość tych metod jet dość wyoka, jednak nie ozwaają okreśić zwiżaności róbki ani wobodnej energii owierzchniowej. Korzytne jet zatoowanie obu gru metod badań owierzchni materiałów, aby uzykać ełną informację na temat zmian, które zazły w wyniku modyfikacji wartwy wierzchniej.

4 Tab. 1. Sooby badania owierzchni tworzyw ztucznych [14]. Metoda Ce badania Głębokość anaizy Wymiary owierzchni anaizy Czułość metody zaeżna od kąt zwiżania zwiżaność, wobodna energia owierzchniowa 3-20 Å 1 mm x 1 mm kładu chemicznego ektrokoia ołabionego całkowitego odbicia w odczerwieni (FTIR ATR) rodzaje wiązań, gruy funkcyjne 1 5 μm 10 μm x 10 μm wyoka kaningowy mikroko eektronowy (SEM) mikrotruktura owierzchni 5 Å 40 Å x 40 Å wyoka mikroko ił atomowych (AFM) toografia owierzchni 250 nm 150 μm x 150 μm wyoka Układ badawczy do modyfikacji tworzyw ztucznych Układ doświadczany łużący do badania modyfikacji owierzchni rurek oietyenowych kładał ię z trzech eementów kładowych: reaktora wyładowania barierowego, układu dorowadzania gazu nośnego, układu zaiania eektrycznego. Reaktor wyładowania barierowego Do rzerowadzenia ćwiczenia użyto reaktora wyładowania barierowego rzytoowany do racy w trybie ciągłym (Ry. 1). Pozwaa na to rzetrzeń wyładowcza o rotym kztałcie rzechodząca rzez całą długość reaktora. Reaktor, racuje w ozycji oziomej i kłada ię z górnej i donej okrywy, dwóch łytek wykonanych z oiwęganu formujących zczeinę wyładowczą, dwóch rzegród dieektrycznych, eektrod wyokonaięciowych i eektrody uziemionej. Wizuaizacja zarojektowanego reaktora zotała rzedtawiona na Ry. 1.

5 Ry. 1. Wizuaizacja rektora racującego w trybie ciągłym: 1 okrywa górna, 2 okrywa dona, 3 eektrody wyokonaięciowe, 4 eektroda uziemiona, 5 rzegrody dieektryczne, 6 łytki oiwęganowe. Układ dorowadzania gazu nośnego Układ dorowadzania gazu nośnego do reaktora rzedtawiono na Ry. 2. Natężenie rzeływu gazów dorowadzanych do reaktora reguowane jet za omocą maowych reguatorów rzeływu. Modyfikacja owierzchni rurek oietyenowych dokonywana w atmoferze miezaniny gazów zawierającej: Ar, CO 2 ub owietrze. Reguator rzeływu MFC1 łużył do reguacji natężenia rzeływu argonu ub owietrza, natomiat reguatory rzeływu MFC2i MFC 3 ozwaały na reguowanie iości dwutenku węga dotarczanego do rzetrzeni wyładowczej. Całkowite natężenie rzeływu gazów dorowadzanych do reaktora wynoiło 20 N/h. Gaz nośny wrowadzano rzez otwór znajdujący ię w rzedniej części reaktora, natęnie łynął orzez kanaik wycięty w łytce oiwęganowej ub uformowany rzez 2 łytki, aby dotrzeć do wyotu znajdującego ię w tynej części reaktora.

6 Ar CO 2 CO 2 MFC1 MFC2 MFC3 R Ry. 2. Schemat układu dorowadzania gazu nośnego: MFC1, MFC2, MFC3 reguatory rzeływu gazu, R reaktor. Układ zaiania eektrycznego Układ eektryczny zaiano rądem rzemiennym, ieciowym o czętotiwości 50 Hz i naięciu 230 V. Naięcie rądu odnozone jet za omocą tranformatora wyokiego naięcia do ok. 9 kv. Przed tranformatorem zaintaowano układ omiarowy nikiego naięcia kładający ię z ameromierza, wotomierza oraz watomierza (Ry. 3). Charakterytykę rądowo naięciową układu zaiania eektrycznego naeży zmierzyć za omocą ocyokou z ondami: rądowa A r i naięciowa V r. Za omocą ondy rądowej A r, którą zainano na rzewodzie uziemionym badany jet rzebieg zmian natężenia rądu, natomiat za omocą ondy naięciowej V r, którą odłączano do rzewodu od wyokim naięciem rzebieg zmian naięcia rądu eektrycznego dotarczanego do reaktora. Taka konfiguracja zatoowanego układu omiarowego umożiwiało omiar rawności układu zaiania oraz mocy wyładowania odcza rzerowadzania modyfikacji. V A W PC TWN O V r A r Ry. 3. Schemat układu zaiania eektrycznego: V wotomierz, A ameromierz, W watomierz, PC rzemiennik czętotiwości, TWN tranformator wyokiego naięcia, O ocyoko, V r onda naięciowa, A r onda rądowa. Przykładowa charakterytyka rądowo - naięciowa otrzymanego wyładowania barierowego zotała rzedtawiona na Ry. 4. Niebieka inia rzedtawia rzebieg natężenia rądu eektrycznego, żółta inia rzebieg naięcia, natomiat czerwona rzebieg mocy

7 otrzymanego wyładowania. Dzięki temu, że mnożnik ondy wyokonaięciowej wynoi 1000, wartości naięcia i mocy odczytywane z ocyogramu naeży omnożyć rzez Ry. 4. Przykładowa charakterytyka rądowo naięciowa wyładowania. Z owyżzego ocyogramu można odczytać natęujące arametry wyładowania: naięcie: ok. 9 kv, natężenie rądu: ok ma, czętotiwość zmian naięcia: 6,8 khz, moc wyładowania: 23,3 W. Srawność układu iczono na odtawie wzoru: energia dotarczona do reaktora energia obrana z ieci 23,3 W 0, W moc rzetworzona moc dotarczona Przerowadzenie doświadczeń Jedną z odtawowych cech charakteryzujących owierzchnię materiałów, m. in. tworzyw ztucznych jet zwiżaność. Jej matematyczną miarą jet kąt zwiżania, który najowzechniej wyznacza ię za omocą metody oadzanej kroi. Podtawowymi zaetami tego oobu wyznaczania kąta zwiżania ą: niewiekie kozty, łatwość w rzerowadzeniu

8 oraz tounkowo duża czułość. Jednakże jego wyznaczenie nie daje nam bezośredniej informacji na temat zwiżaności owierzchni rzez ciecze o kładzie i naięciu owierzchniowym różnym od cieczy omiarowych. W tym ceu wyznacza ię wartość wobodnej energii owierzchniowej (SEP). Modyfikacja wartwy wierzchniej tworzyw ztucznych rzerowadzona będzie w reaktorze azmowym generującym wyładowanie barierowe. Wyznaczyć naeży wływ arametrów wyładowania barierowego na wobodną energię owierzchniową owierzchni rurek oietyenowych. W trakcie badań naeży zmierzyć kąt zwiżania urowej róbki, natęnie wyznaczyć kąt zwiżania da róbki zmodyfikowanej. Cieczami omiarowymi toowanymi rzy wyznaczaniu kąta zwiżania będą woda detyowana oraz dijodometan. Powierzchnie zewnętrzne modyfikowanych rurek naeży zbadać także za omocą metody FTIR-ATR w ceu okreśenia zmian zachodzących w wartwie wierzchniej. Metodyka omiarów kąta zwiżania Kątem zwiżania definiuje ię kąt, który tworzy ię omiędzy łaką owierzchnią ciała tałego a łazczyzną tyczną do owierzchni cieczy graniczącej z ciałem tałym (Ry. 5). W zaeżności od naięcia owierzchniowego cieczy oraz wobodnej energii owierzchniowej ciała tałego kroa może rzybierać różny kztałt. Aby wyznaczyć wartość wobodnej energii owierzchniowej naeży zmierzyć kąt zwiżania da co najmniej dwóch cieczy wyraźnie różniących ię między obą właściwościami.

9 kroa cieczy α ciało tałe Ry. 5. Wyznaczanie kąta zwiżania owierzchni ciała tałego. Do wyznaczenia kątów zwiżania rurek wykonanych z oietyenu o wyokiej gętości touje ię metodę goniometryczną (Ry. 6). Próbka o modyfikacji była umiezczana jet na toiku goniometru, a natęnie nanoi ię na nią kroę cieczy omiarowej Ry. 6. Schemat goniometru: 1 kamera, 2 obiektyw, 3 toik omiarowy, 4 róbka, 5 źródło światła. Swobodna energia owierzchniowa Swobodną energię owierzchniową (SEP) definiuje ię jako racę otrzebną do utworzenia nowej jednotki owierzchni odcza rozdziału dwóch faz znajdujących ię w równowadze w odwracanym roceie izotermicznym [3]. Jej wartość ozwaa ocenić

10 efekty modyfikacji wartwy wierzchniej materiału oraz orównać wyniki z danymi iteraturowymi. Itnieje zereg metod bezośrednich łużących do wyznaczania SEP cieczy, jednak nie wytęują da ciał tałych. Z tego owodu naeży toować ooby ośrednie. Swobodną energię owierzchniową można wyznaczyć natęującymi metodami [1]: Owena Wendta, van Oa Chauhury ego Gooda, Fowkea, Zimana, Neumanna, oartą na omiarach hiterezy kąta zwiżania. Metoda Owena Wendta charakteryzuje ię wyoką dokładnością wyznaczania wobodnej energii owierzchniowej, tounkowo niekomikowanymi obiczeniami matematycznymi oraz dotęnością danych iteraturowych. Oiera ię ona na założeniu, że wobodna energia owierzchniowa tanowi umę 2 kładowych: dyeryjnej ( ) i oarnej ( ). d Równanie Owena Wendta ma otać: (1) d (2) d d d 0,5 0,5 0,5 1 co (3) gdzie: - SEP ciała tałego, d d, - kładowe dyeryjne da ciała tałego i cieczy,, - kładowe oarne da ciała tałego i cieczy, - kąt zwiżania ciała tałego da wybranej cieczy omiarowej. W wyniku rzekztałcenia równania (3) i uzmiennienia arametrów x = ( ) 0,5, y = ( ) 0,5 d otrzymujemy: x a y b 1 co ) (4) ( i W ceu wyznaczenia wobodnej energii owierzchniowej naeży obiczyć kładową oarną i dyeryjną da ciała tałego. Aby tego dokonać mierzy ię kąty zwiżania da dwóch cieczy różniących ię właściwościami oraz wyznacza rozwiązanie układu równań [2]:

11 x a y b (1 co1) (5) x c y d (1 co 2 ) Cieczami omiarowymi używanymi w badaniu ą: woda detyowana i dijodometan. Są one toowane ze wzgędu na znaczące różnice wartości ich kładowych oarnych i dyeryjnych, a także łatwą dotęność danych iteraturowych (Tab. 2). Tabea 2. Wartości kładowej dyeryjnej i oarnej cieczy omiarowych zatoowanych w badaniach. Parametr Woda Dijodometan mj Składowa dyeryjna 2 m mj Składowa oarna 2 m 21,8 48,5 51 2,3 Soób oracowania i anaiza wyników 1. Na odtawie uzykanych wyników omiarów kąta zwiżania naeży obiczyć kładowe oarną i dyeryjną oraz SEP rurek rze i o modyfikacji. 2. Wykonać wykre zaeżności SEP od mocy czynnej wyładowania (wyrażonej w W). 3. Na odtawie anaizy FTIR Wykazać jakie zmiany zazły na owierzchni rurek 4. Przedtawić zaeżność mocy czynnej wyrażonej w W od mocy ozornej (w VA). Bibiografia: [1] M. Żenkiewicz, Adhezja i modyfikowanie wartwy wierzchniej tworzyw wiekocząteczkowych, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warzawa [2] M. Żenkiewicz, Anaiza głównych metod badania wobodnej energii owierzchniowej materiałów oimerowych, Poimery, 10, , [3] P. W. Atkin, Chemia fizyczna, PWN, Warzawa 2001.