PL234557B1 - Reaktor do modyfikacji porowatych tworzyw polimerowych - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest reaktor do modyfikacji porowatych tworzyw polimerowych z zastosowaniem plazmy wyładowań elektrycznych w obecności bariery dielektrycznej, w którym w komorze wyładowczej (5) umieszczone są dwie elektrody: wysokonapięciowa (3) pokryta materiałem dielektrycznym (4) i niskonapięciowa, a przestrzeń między nimi tworzy szczelinę wyładowczą (6), charakteryzuje się tym, że elektroda niskonapięciowa jest przepuszczalna dla gazów i składa się z korpusu (9) i umieszczonej na nim warstwy porowatej (8), przy czym elektroda wysokonapięciowa (3) jest połączona z wlotem gazu (2), a elektroda niskonapięciowa jest połączona z wylotem gazu (10).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest reaktor do modyfikacji porowatych tworzyw polimerowych, zwłaszcza włóknin polimerowych, w całej ich objętości, za pomocą wyładowań elektrycznych.

W wielu dziedzinach współczesnej techniki wykorzystuje się procesy elektroplazmowe. Jedną z nich jest przetwórstwo tworzyw sztucznych. Metodami elektroplazmowymi można modyfikować lub wytwarzać cienkie powłoki na powierzchni tworzyw w celu nadania im odpowiednich właściwości.

Przedmiotem intensywnych badań jest nowy, słabo jeszcze poznany sposób modyfikacji powierzchni materiałów niejednorodnych, polegający na zastosowaniu plazmy wyładowań elektrycznych wytwarzanych pod ciśnieniem atmosferycznym (lub zbliżonym), w obecności bariery dielektrycznej (DBD), dzięki której uzyskuje się rozproszoną postać wyładowania. W procesie nie stosuje się urządzeń wielkiej częstotliwości, gdyż dogodną postać wyładowań można uzyskać przy niskiej lub średniej częstotliwości (1-10 kHz). Znane są także procesy, w których otrzymano wyładowanie barierowe przy częstotliwości sieci (50 Hz). W doniesieniach literaturowych (A. Van Deynse, N. De Geyter, C. Leys, R. Morent, Influence of Water Vapor Addition on the Surface Modification of Polyethylene in an Argon Dielectric Barrier Discharge, Plasma Process. Polim. 11, 117-125, 2014; I. Novak, [et al.]: Surface Modification of Polyethylene by Diffuse Barrier, Polym. Eng. Sci. 53(3), 516-523, 2013; A. S. Chiper, A. V. Nastuta, G. B. Rusu, G. Popa, On surface elementary processes and polymer surface modifications induced by double pulsed dielectric barieer discharge, Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B, 267, 313-316, 2009; V. Śvorcik [et al.], Modification of surface properties ofhigh andlowdensitypolyethylene by Ar plasma discharge, Polym. Degrad. Stab. 91,1219-1225, 2006) prezentowane są badania wpływu parametrów procesowych na właściwości warstwy wierzchniej folii polimerowych tj. zwilżalność, chropowatość, szczelność, w odniesieniu do gazów lub pary wodnej. Niewiele prac poświęcono modyfikacji włóknin i tkanin, w celu uzyskania na powierzchni poszczególnych włókien pożądanych właściwości.

Proces modyfikacji powierzchni i wytwarzania powłok w skali przemysłowej powinien być poprzedzony etapem ustalenia parametrów procesu dla konkretnego produktu finalnego. Ze względu na dużą liczbę czynników wpływających na parametry modyfikowanej warstwy wierzchniej nie można prowadzić procesu bez wstępnego ustalenia warunków jego prowadzenia. Uruchomienie procesu ciągłego musiałoby być przerywane w celu zbadania własności materiału, a straty surowcowe, powstałe do czasu uzyskania warunków optymalnych są zbyt kosztowne.

Zasadniczą rolę przy ustalaniu parametrów modyfikacji powierzchni odgrywa rodzaj i konstrukcja zastosowanego reaktora, od niej zależy bowiem zakres możliwych do stosowania parametrów procesowych, jak i ich niezmienność w czasie. Najkorzystniej jest prowadzić badania w reaktorze zbudowanym podobnie do reaktora przemysłowego. Oczywiście takie rozwiązanie w warunkach laboratoryjnych jest kłopotliwe i wymaga stosowania skomplikowanego reaktora. Dlatego też w większości prac laboratoryjnych ich autorzy posługują się reaktorami periodycznymi. Proces plazmowej modyfikacji warstwy wierzchniej polimerów prowadzony jest na pojedynczych próbkach, umieszczanych w reaktorze na jednej z dwu nieruchomych elektrod.

W znanych sposobach modyfikacji powierzchni lub wytwarzania cienkich powłok wykorzystuje się wyładowania wysokiej częstotliwości w gazach pod zmniejszonym ciśnieniem (0,1-100 hPa). Wysoka częstotliwość oraz konieczność stosowania aparatury próżniowej sprawiają, że tak prowadzony proces jest kosztowny. Poszukuje się zatem nowych rozwiązań.

W reaktorach, w których wykorzystuje się plazmę nierównowagową do modyfikacji powierzchni są stosowane wyładowania barierowe lub koronowe. Reaktor taki jest wyposażony w elektrody: wysokonapięciową i niskonapięciową, a przestrzeń między nimi tworzy szczelinę wyładowczą. Elektroda wysokonapięciowa jest pokryta materiałem dielektrycznym. Zazwyczaj modyfikowany materiał jest przesuwany pomiędzy elektrodami lub umieszcza się go na elektrodzie obrotowej. Strumień gazu, w którym generowane jest wyładowanie, omywa próbkę. W wyniku omywania materiału przez s trumień gazu uzyskuje się powierzchniową modyfikację, podczas gdy niejednokrotnie pożądane jest zmodyfikowanie warstwy w całej jej objętości, tak aby uzyskać modyfikację całych włókien lub wewnętrznej powierzchni porów.

Celem wynalazku było opracowanie reaktora do modyfikacji porowatych tworzyw polimerowych, zwłaszcza włóknin polimerowych, w całej ich objętości.

Reaktor do modyfikacji porowatych tworzyw polimerowych z zastosowaniem plazmy wyładowań elektrycznych w obecności bariery dielektrycznej, w którym w komorze wyładowczej umieszczone są dwie elektrody: wysokonapięciowa pokryta materiałem dielektrycznym i niskonapięciowa, a przestrzeń

PL 234 557 B1 między nimi tworzy szczelinę wyładowczą, według wynalazku charakteryzuje się tym, że elektroda niskonapięciowa jest przepuszczalna dla gazów i składa się z korpusu i umieszczonej na nim warstwy porowatej, przy czym elektroda wysokonapięciowa jest połączona z wlotem gazu, a elektroda niskonapięciowa jest połączona z wylotem gazu.

Elektrody są wykonane z metalu lub dowolnego innego materiału przewodzącego prąd elektryczny, korzystnie ze stali, miedzi lub jej stopów, tytanu. Warstwa porowata elektrody niskonapięciowej korzystnie ma formę siatki, płyty porowatej lub gąbki.

Reaktor może mieć kształt cylindryczny lub prostopadłościenny. W przypadku reaktora o kształcie prostopadłościennym możliwe jest zastosowanie mechanicznego przesuwu tworzywa i prowadzenie modyfikacji w sposób ciągły, co pozwala prowadzić proces w sposób bardziej zbliżony do zastosowań przemysłowych.

Reaktor według wynalazku jest przeznaczony przede wszystkim do ustalania parametrów modyfikacji powierzchni porowatych tworzyw polimerowych, zwłaszcza włóknin. Elektroda niskonapięciowa jest przepuszczalna dla gazów i jest przeznaczona do umieszczania na niej modyfikowanego materiału. Dzięki konstrukcji reaktora według wynalazku cały wprowadzany gaz przechodzi przez badany materiał, a zachodzące w nim wyładowanie obejmuje całą objętość materiału, co umożliwia zmodyfikowanie powierzchni poszczególnych włókien włókniny lub wewnętrznej powierzchni porów materiału porowatego, a nie tylko ich powierzchni zewnętrznej. Jako gaz wprowadzany do reaktora stosuje się powietrze, gazy szlachetne, wodór, dwutlenek węgla lub ich mieszaniny. Wyładowanie w komorze wyładowczej prowadzi się zakresie ciśnień 0,01-0,6 MPa.

Tworzywo po modyfikacji w plazmie poddaje się badaniu znanymi metodami pod kątem właściwości chemicznych i fizycznych.

Zgodnie z wynalazkiem badany materiał umieszcza się w szczelinie wyładowczej bezpośrednio na elektrodzie niskonapięciowej. Grubość warstwy materiału nie może przekroczyć szerokości szczeliny wyładowczej. Po zamknięciu reaktora i ustaleniu przepływu gazu, w którym generowana jest plazma wyładowania barierowego, przykłada się napięcie do elektrody wysokonapięciowej. W przypadku stosowania reaktora okresowego napięcie włącza się na odpowiedni czas. Po tym czasie wyłącza się wyładowanie i wyjmuje się z reaktora zmodyfikowany materiał. W reaktorze można stosować zmienne parametry, takie jak: rodzaj zastosowanego gazu, jego natężenie przepływu i ciśnienie, moc wyładowania oraz czas trwania wyładowania.

Reaktor plazmowy według wynalazku został w przykładzie wykonania przedstawiony schematycznie na rysunku.

Reaktor w przykładzie wykonania ma kształt prostopadłościenny. W komorze wyładowczej 5 znajdują się dwie elektrody: elektroda wysokonapięciowa 3 i elektroda niskonapięciowa, składająca się z korpusu 9, na którym umieszczona jest przegroda porowata 8. Elektroda wysokonapięciowa 3 jest wykonana ze stali lub mosiądzu i jest połączona z przegrodą dielektryczną 4 wykonaną ze szkła oraz z wlotem 2 doprowadzającym gaz, zakończonym króćcem 1. Stalowy korpus 9 elektrody niskonapięciowej jest połączony z porowatą przegrodą 8, wykonaną z siatki stalowej. Elektroda niskonapięciowa jest połączona z wylotem gazu 10. Przestrzeń pomiędzy elektrodami tworzy szczelinę wyładowczą 6. Porowaty materiał polimerowy 7 umieszcza się na warstwie 8 elektrody niskonapięciowej.

Rozwiązanie według wynalazku zostało bliżej przedstawione w przykładach.

P r z y k ł a d 1

W reaktorze przedstawionym na rysunku, na warstwie porowatej 8 elektrody niskonapięciowej umieszczono włókninę polipropylenową. Doprowadzono powietrze o natężeniu przepływu 3,5 l/h. Moc wyładowania barierowego wynosiła 20 W. W wyniku modyfikacji przez 6 minut pod ciśnieniem atmosferycznym i szczelinie wyładowczej sięgającej 4 mm, nastąpiła zmiana hydrofilowości włókniny. Badanie zmodyfikowanych włóknin metodą FTIR - ATR wykazało obecność grup hydroksylowych i karbonylowych.

P r z y k ł a d 2

W reaktorze przedstawionym na rysunku, na warstwie porowatej 8 elektrody niskonapięciowej umieszczono włókninę polietylenową. Doprowadzono dwutlenek węgla o natężeniu przepływu 3,5 l/h. Moc wyładowania barierowego wynosiła 20 W. W wyniku modyfikacji przez 6 minut pod ciśnieniem atmosferycznym i szczelinie wyładowczej sięgającej 4 mm, nastąpiła zmiana hydrofilowości włókniny. Badanie zmodyfikowanych włóknin metodą FTIR - ATR wykazało obecność grup hydroksylowych, karbonylowych i karboksylowych.

PL 234 557 Β1

Przykład 3

W reaktorze przedstawionym na rysunku, na warstwie porowatej 8 elektrody niskonapięciowej umieszczono włókninę polipropylenową. Doprowadzono powietrze o natężeniu przepływu 3,5 l/h. Moc wyładowania barierowego wynosiła 20 W. W wyniku modyfikacji przez 15 minut pod ciśnieniem 520 mm Hg i szczelinie wyładowczej sięgającej 4 mm, nastąpiła zmiana hydrofilowości włókniny. Badanie zmodyfikowanych włóknin metodą FTIR - ATR wykazało obecność grup hydroksylowych i karbonylowych.

Przykład 4

W reaktorze przedstawionym na rysunku, na warstwie porowatej 8 elektrody niskonapięciowej umieszczono włókninę polietylenową. Doprowadzono argon o natężeniu przepływu 3,5 l/h. Moc wyładowania barierowego wynosiła 20 W. W wyniku modyfikacji przez 15 minut pod ciśnieniem 0,1 MPa i szczelinie wyładowczej sięgającej 4 mm, nastąpiła zmiana hydrofilowości włókniny. Badanie zmodyfikowanych włóknin metodą SEM wykazało zmianę topografii powierzchni.

Przykład 5

W reaktorze przedstawionym na rysunku, na warstwie porowatej 8 elektrody niskonapięciowej umieszczono włókninę polipropylenową. Doprowadzono dwutlenek węgla o natężeniu przepływu 3,5 l/h. Moc wyładowania barierowego wynosiła 20 W. W wyniku modyfikacji przez 15 minut pod ciśnieniem atmosferycznym i szczelinie wyładowczej sięgającej 4 mm, nastąpiła zmiana hydrofilowości włókniny. Badanie zmodyfikowanych włóknin metodą FTIR - ATR wykazało obecność grup hydroksylowych, karbonylowych i karboksylowych.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Reaktor do modyfikacji porowatych tworzyw polimerowych z zastosowaniem plazmy wyładowań elektrycznych w obecności bariery dielektrycznej, w którym w komorze wyładowczej (5) umieszczone są dwie elektrody: wysokonapięciowa (3) pokryta materiałem dielektrycznym (4) i niskonapięciowa, a przestrzeń między nimi tworzy szczelinę wyładowczą (6), znamienny tym, że elektroda niskonapięciowa jest przepuszczalna dla gazów i składa się z korpusu (9) i umieszczonej na nim warstwy porowatej (8), przy czym elektroda wysokonapięciowa (3) jest połączona z wlotem gazu (2), a elektroda niskonapięciowa jest połączona z wylotem gazu (10).
2. 2. Reaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwa porowata (8) ma formę siatki, płyty porowatej lub gąbki.
3. 3. Reaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że ma kształt cylindryczny lub prostopadłościenny.