Модификация материалов

Неравновесная плазма высокочастотного тлеющего разряда

  • Основные параметры плазмы – концентрация электронов и электронная температура.
  • Параметры плазмы зависят от тока, напряжения, мощности, частоты питающего напряжения, состава газа , давления газа в разрядной камере, от геометрических параметров разрядной камеры, размеров и типов электродов.
  • Высокочастотный тлеющий разряд создается в камере при пониженном давлении при подаче ВЧ напряжения на внешние или внутренние электроды. В объеме образуются электронные лавины. Получается самоподдерживающийся плазменный разряд в газе.
  • Плазменная система состоит из двух подсистем – легкие частицы – электроны и тяжелые частицы – молекулы, атомы, положительные ионы, и возбужденные по разным степеням свободы частицы (радикалы).
  • Средняя энергия электронов ~ 3эВ (около 30 000 К), а температура тяжелых частиц ~ 300 — 500 К.
  • Получается неравновесная неизотермическая плазма.
  • В такой плазме существуют неравновесные концентрации реагентов, промежуточных реакционноспособных соединений и продуктов реакции.
  • В такой плазме существуют неравновесные функции распределения по энергиям различных компонентов реагирующей многокомпонентной плазмы и неравновесные заселенности вращательных, колебательных электронных уровней.

Неравновесные плазмохимические процессы лежат в основе различных способов модификации, функционализации поверхностных свойств материалов : изменения химической активности, адгезии, пористости, смачиваемости, пластичности и др.

Плазмохимические процессы

Процессы ионизации и модификации в неравновесной неизотермической окислительной плазме. Кислород.

В результате неупругих соударений электронов и молекул кислорода образуются электронно – возбужденные состояния.

O₂ (¹Δg); O₂ (¹Σu⁺); O₂ (³Σu⁺); O₂ (b³Σu⁻).
  • O₂ + e → O₂ (¹Δg) + e
  • O₂ + e → O₂ (b³Σu⁻) + e
  • O₂ (b³Σu⁻) + e → O(³p) + O(¹D) образуется атомарный кислород

Метастабильные состояния O₂ (¹Δg) и O₂ (¹Σu⁺) характеризуются высокой химической активностью и долгим временем жизни (секунды, минуты). В активном кислороде велика вероятность образования озона. В плазменном разряде в окислительной среде кислорода происходят следующие процессы

  • O(³p) + O₂ + M → O₃ + M (газофазная молизация)
  • O₂(³Σu⁻) + O₂ → O + O₃ (ударная дезактивация)
  • O₂⁻ + O₂⁺ → O + O₃ (диссоциативная рекомбинация)
  • При взаимодействии с поверхностью материала + (O(³p),O₂(¹Δg),O₃) → происходит модификация, активация поверхности.
  • Материал приобретает новые уникальные свойства.

Плазмохимическая модификация активация.

Гигиенический материал (CELLULOSE + POLYMER) Слева – после плазменной обработки After Plasma modification. Справа – исходный материал Initial materia

Нетканый материал Целлюлоза Слева – нетканый материал целлюлоза после плазменной модификации. Активация. On the left — nonwoven cellulose after plasma modification Справа – обычный. нетканый материал целлюлоза On the right – initial nonwoven cellulos

После плазменной обработки свойства гигиенического материала поглощать, впитывать и удерживать воду, биологические, иные жидкости повышаются в несколько раз.

Плазменная модификация.

Сепаратор (Celgard). Активация. (microporous polypropylene).

Слева – сепаратор Celgard после плазменной модификации. On the left- after plasma modification. Справа – обычный сепаратор Celgard. On the right – initial separator. Электролитоемкость повышается в 1,5-2 раза. The capacity of the electrolyte up to 1,5-2 times.

Уменьшается расход электролитов. Повышается долгосрочность и надежность работы аккумуляторов, суперконденсаторов, ионисторов различных типов.

Плазменная модификация.

Активация. Волокнистые материалы. Шерсть. Шерсть после окрашивания.

Золотое руно. Original vs. Plasma modification. Слева-обычная шерсть после окрашивания. Справа – шерсть окрашена после плазменной обработки. Окрашивание проводится в одинаковых условиях.

Окрашивание проводится в одинаковых условиях. После плазмохимической модификации шерсти:

  • шерсть лучше окрашивается
  • сокращается время, температура, затраты энергии, без специальных химических добавок.
  • повышается сорбционные свойства материала, по всем элементам, металлам, тяжелым металлам.
  • Поглощение (сорбция) золота Au (алювиальное Au) из раствора повышается в 10² -10³ раз.

Mg. Ca, V, Cr, Fe, Mn, Zn, Ga, Br, Rb, Y, Zr, Nb, Mo, Pd, Ag, Cs, Ba, La, Ce, Pr, Sm, Eu, Gd ,Er, Au, Pb,Th, U – Сорбция по урановым и трансурановым элементам повышается в 10³ – 10⁵

«Золотое руно» — Это не сказка! Это – плазменная технология! Поглощение (сорбция) золота Au (алювиальное и чешуйчатое золото) из природного раствора в воде и из промышленных вод повышается в 100 -1000 раз. Плазменная модификация волокнистых материалов повышает сорбцию урановых и трансурановых элементов в 10³ – 10⁵ раз. Технология для эффективного сбора тяжелых металлов, урановых и трансурановых элементов из природных вод. Технология для эффективной очистки промышленных стоков, загрязненных и радиоактивных вод.

Плазмохимическая стерилизация.

Плазменная обработка дает возможность проводить полную стерилизацию различных гигиенических, медицинских, биологических и других материалов

На фото показана плазменная обработка стандартного тестового образца бактерий “Bacillus stearothermophilus” производства North American Science Associates, Inc.

Тестовый образец бактерий “Bacillus stearothermophilus” North American Science Associates, Inc.

Обработка тестового образца бактерий в плазме. Газ – O₂ (кислород). Мощность ВЧ генератора 400 Вт. Частота 27 МГц.

Протокол контроля бактерий, спор после обычной стандартной химической + термической стерилизации и после плазменной обработки стерилизации.

На контрольном образце после обычной стерилизации – есть некоторое количество колонии бактерий, споры и их развитие в допустимом количестве (1,1 x 10⁵), После плазменной стерилизации количество бактерий на образце = “0”. Бактерий, спор — нет.

Плазменная стерилизация – это полная стерилизация без применения вредных химических веществ с низкими энергетическими затратами.

Плазмохимическая модификация в среде органических газов.

Метан.

В плазменном разряде в газе метан протекают следующие ионизационные и рекомбинационные процессы.

  • CH₄ + e → CH₃ + H + e
  • CH₄ + e → CH₂ + H₂ + e

В результате ионизации образуются активные радикалы:

  • CH₃ + e → CH₃⁺ + 2e
  • CH₂ + e → CH₂⁺ + 2e

При пониженном давлении основные рекомбинационные процессы в плазменном разряде проходят на поверхности. В результате ионизационных, рекомбинационных и кинетических процессов на поверхности выделяется энергия и появляются центры роста на поверхности материала.

  • E на поверхности + CH₃⁺ → CH₃ + центр роста

Происходит формирование полимерных пленок:

  • Центр роста + CH₃ → полимер. CnHm
  • Центр роста + CH₂ → полимер + центр роста

В результате такой плазменной модификации на материале получаются тонкие (N x 10 nm), объемно-сшитые, газово-плотные, инертные, стойкие в кислотных, щелочных и биологически-активных средах, невидимые, не изменяющие внешний вид предмета, стойкие к ультрафиолетовому излучению покрытия. Полученное покрытие может быть удалено с поверхности материала полностью или частично в нужном месте при необходимости. При этом свойства материала и его внешний вид не изменяются.

Плазменная модификация различных материалов

Примеры

Бумага. Кожа. Картон. Ткань. Гидрофилизация – Гидрофобизация.

Плазмохимическая модификация обычной писчей бумаги.

Верхний образец бумаги – гидрофильная обработка в плазме. Получается аналог фильтровальной бумаги — Высокая смачиваемость и впитываемость. В центре – обычная — необработанная бумага. Внизу образец бумаги – после гидрофобной обработки в плазме. Бумага не смачивается и не впитывает. Все образцы бумаги находятся на горизонтальной поверхности. Жидкость – вода, различные растворы. Внешний вид бумаги не изменяется.

Упаковочный картон. В ванночки из упаковочного картона налита вода.10 дней – 20 дней. Внешний вид картона не изменяется.

Плазмохимическая модификация кожи.

Слева образец — обычная кожа. Смачивается водой. Видны следы впитавшихся, расплывшихся капель воды с чернилами. Справа образец – кожа после плазменной обработки — гидрофобизация. Кожа не смачивается водой. Видны следы капель воды с чернилами после полного высыхания капель.

Плазмохимическая модификация обычной писчей бумаги.

Верхний образец бумаги – гидрофильная обработка в плазме. Получается аналог фильтровальной бумаги — Высокая смачиваемость и впитываемость. В центре – обычная — необработанная бумага. Внизу образец бумаги – после гидрофобной обработки в плазме. Бумага не смачивается и не впитывает воду. Капли воды скатываются, сбегают с гидрофобного образца бумаги. Все образцы бумаги находятся на горизонтальной поверхности. Угол наклона = «0°». Жидкость – вода, различные растворы. Внешний вид бумаги не изменяется.

Применение.

Микрофотографии капли воды на поверхности газетной бумаги.

капля воды на не обработанной бумаге.

капля воды на обработанной в плазме бумаге сразу после нанесения капли (гидрофобизация).

капля воды на обработанной в плазме бумаге через 30 мин. после нанесения капли. (гидрофобизация)

В результате такой плазменной модификации на предмете получаются тонкие (N x 10 nm), объемно-сшитые, газово-плотные, инертные, стойкие в кислотных, щелочных и биологически-активных средах, невидимые, не изменяющие внешний вид предмета, стойкие к ультрафиолетовому излучению покрытия. Полученное покрытие может быть удалено с поверхности полностью или частично в нужном месте при необходимости для проведения реставрации раритета. При этом свойства материала предмета и его внешний вид не изменяются.

Плазменная технология обработки, очистки, стерилизации, гидрофобизации — уникальная технология для защиты и сохранности архивных, исторических, культурных ценностей из бумаги, папируса, кости, камня, керамики, дерева, металла, ткани, живописи, картин и из других материалов.

Плазменная модификация металла галлия

Новый галлий

T₀ ~ 30 °C; T₁ ~ 15- 20 °C;

Галлий при нормальных условиях имеет температуру фазового перехода «металл» -«жидкость» T₀ ~ 30 °C; Плазменная модификация галлия существенно понижает температуру фазового перехода до T₁ ~ 15- 20 °C; Новые уникальные свойства Галлия в виде жидкости после плазменной модификации сохраняются длительное время (проверка проводилась в течение 1 года = 365 дней ) в условиях открытой атмосферы.

Материалы с новыми физико — механическими, температурными свойствами (Галлий и другие) полученными по уникальным плазменным технологиям – хорошие теплоносители для МГД двигателей. Охладители (теплоносители) для охлаждающих контуров атомных реакторов.

Плазмохимическая модификация металлов.

Гидрофилизация. Алюминий (Al).

Обычный Алюминий. Угол скатывания воды ~ 30°.
Initial material. Limited angle ~ 30°

После плазменной модификации (гидрофобизации) Алюминия угол скатывания воды ~10°.
after plasma modification. Limited angle ~ 10° Hydrophobicity.

Технология плазменной модификации металлов — технология защиты, сохранения металлов от воды, от обледенения, от коррозии.

Плазмохимическая модификация.

Наноцеллюлоза.

В стакане с водой слева — необработанная, обычная наноцеллюлоза. В стакане с водой справа – раствор — Наноцеллюлоза после плазмохимической модификации (активации).Высокая скоростная растворимость. Стабильная однородная суспензия раствора сохраняется долгое время. Плазма: ВЧ тлеющий разряд.

Технология плазменной модификации нанопорошков (наноцеллюлоза и другие) – позволяет создавать новый класс быстрорастворимых высоко эффективных лекарственных препаратов, лекарств, гелей с адресной доставкой.

Плазмохимическая модификация.

Нанокремний, наноалмазы.

Nano silica Ǿ~10-15nm

Nano Diamonds

Плазменная технология модификации нанопорошков ( наноцеллюлоза, нанокремний, наноалмазы, нанотрубки и другие материалы – уникальная технология для создания новых солнечных элементов, для новой электроники, для топливных элементов, для новых элементов хранения и преобразования электроэнергии, для новых суперпрочных материалов, сплавов.

Возможности плазменной модификации органических и неорганических материалов.

  • Активация поверхности
  • Пассивация, инактивация поверхности
  • Защита от кислот, щелочей, УФ излучения, биологических жидкостей
  • Гидрофобизация поверхности
  • Гидрофилизация поверхности
  • Изменение пористой структуры материала, наноматериалов в соотношениях микро- мезо-нано- поры.
  • «Пришивка» внедрение новых атомов, молекул в структуру материала
  • Модификация органическими и неорганическими соединениями
  • «Пришивка» , модификация биологическими соединениями
  • Модификация биологических материалов

Предлагается

  • Проведение исследовательских работ по заказам
  • Проведение совместных научно-исследовательских работ
  • Разработка различных типов, видов модификации, функционализации материалов
  • Разработка и изготовление лабораторного, опытного, промышленного оборудования для плазменной модификации материалов по согласованным параметрам
  • Организация новых производств для плазменной модификации материалов

https://topspyapps.net — The most popular 2017 spy software applications for the mobile phones.