Fizika plazme

Download Fizika plazme

Post on 21-Oct-2015

197 views

Category:

Documents

8 download

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Modifikacija svojstava tekstilija primjenom plazme

TRANSCRIPT

<ul><li><p>55S. ERCEGOVI RAI, R. UNKO: Modifikacija svojstava tekstilija primjenom plazme,Tekstil 58 (3) 55-74 (2009.)</p><p>1. Uvod</p><p>Zbog sve stroih ekolokih zahtjevakoji se postavljaju u suvremenimprocesima tekstilne tehnologije, svese vee znaenje pridaje obradamaagensima koji su prihvatljivi s eko-lokog stajalita. U tom smislu, svesu prisutnija i istraivanja vezana uzprimjenu plazme kao ekoloki prih-vatljivog fizikalnog agensa. Premdaje poznata od ranije, osobiti interesza primjenu plazma tehnologije upodruju tekstilstva biljei se poslje-dnjih desetak godina, posebno u po-stupcima predobrade i oplemenjivanjatekstilnih materijala sa svrhom do-bivanja viefunkcionalnih tekstilnihproizvoda. U tom smislu naglasaksuvremenih obrada usmjeren je nadobivanje povoljnih efekata (uinaka)modifikacijama povrine vlakana(tekstilija), koje u konanosti prido-</p><p>nose ukupnoj kvaliteti tekstilnog ma-terijala. Povrinske obrade plazmom,ozonom, biopolimerima i sl. koje seu dananje vrijeme istrauju i provodesa svrhom modifikacije svojstavatekstilnih materijala, osim to su eko-loki prihvatljive, i energetski suisplativije u usporedbi s konvencio-nalnim metodama oplemenjivanja.Razvoj i komercijalizacija plazmatehnologije u osmiljavanju i proiz-vodnji suvremenih tekstilnih mate-rijala pridonosi smanjenju uporabekemijskih sredstava, to dobiva svevee znaenje - kako s ekolokog,tako i s ekonomskog gledita. Istraivanja mogunosti postizanjaviefunkcionalnih svojstava tekstilnihmaterijala obradama primjenom pla-zme kao jednom od fizikalnih age-nasa, provode se na TTF-u u okviruznanstvenog projekta Viefunkcio-nalni tekstilni materijali za osobnu</p><p>zatitu (voditelj prof.dr. sc. E. Pezelj).Projekt je financiran od strane Mini-starstva znanosti, obrazovanja i portate je doniranim sredstvima Ministar-stva, sredstvima znanstvenog projektai uz odreenu pomo TTF-a kupljenapotrebna oprema. </p><p>2. Plazma kao fizikalno-kemijsko sredstvo za modifi-kaciju svojstava tekstilija</p><p>2.1. to je plazma?Rije plazma dolazi od grke rijeiplsma, to u slobodnom prijevoduznai samooblikovanje materijala.U fizici se plazma definira kao ioni-zirani (ili parcijalno ionizirani) plin,najveim dijelom sastavljen od slo-bodnih estica nosilaca naboja, kaoto su ioni i elektroni. U sutiniplazma je neutralna i smatra se e-tvrtim agregatnim stanjem tvari. U</p><p>Modifikacija svojstava tekstilija primjenom plazme</p><p>Mr.sc. Sanja Ercegovi Rai, dipl.ing.Prof.dr.sc. Ruica unko, dipl.ing.Tekstilno-tehnoloki fakultet Sveuilita u ZagrebuZavod za materijale, vlakna i ispitivanje tekstilaZagreb, Hrvatskae-mail: sanja.ercegovic@ttf.hrPrispjelo 20.12.2008.</p><p>UDK 677.017: 677.057Pregled</p><p>Dat je pregled objavljenih istraivanja koja se provode u podruju mogunosticiljane promjene (modifikacije) svojstava tekstilnih materijala primjenomraznih vrsta plazma te plazme u kombinaciji s drugim fizikalnim i kemijskimagensima. Naglasak je na svojstvima koja su posljedica karakteristikatekstilnih povrina (hidrofilnost, hidrofobnost, antistatinost, elektrovodljivost,multifunkcionalnost). Nakon objanjenja fenomenologije plazme kao posebnogstanja materije, prikazane su mogunosti tvorbe i dobivanja plazme, prikazanaje klasifikacija plazma prema raznim kriterijima, istaknute su plazmeprikladne za obradu tekstilnih materijala i objanjeni njihovi temeljniparametri bitni za provedbu obrada materijala. Brojna istraivanja o kojimasu objavljeni radovi u posljednjih desetak godina prikazana su prema vrstitekstilnih materijala na kojima su provedena (vlakna i pree, plone tekstilije).Kljune rijei: tekstilni materijali, plazma, obrada plazmom, tekstilnapovrina, modifikacija svojstava, multifunkcionalnost, ekoloki procesi </p></li><li><p>56S. ERCEGOVI RAI, R. UNKO: Modifikacija svojstava tekstilija primjenom plazme,</p><p>Tekstil 58 (3) 55-74 (2009.)</p><p>prirodi je plazma najzastupljenije fi-zikalno stanje u kojem se nalazi ak99% vidljive materije u svemiru, akao poznati primjeri plazme moguse navesti: Aurora Borealis (Sjevernazora), Aurora Australis, Van AllenBelt (zone radijacije), Sunce, zvijezde,Zemljin omota, ionosfera i dr. Me-utim, prirodnu plazmu na dananjemstupnju razvoja tehnike nije mogueiskoristiti. Za primjenu u istraiva-njima, tehnici i industriji, plazmu jepotrebno proizvesti, to se u praviluradi elektrinim izbijanjem (pranje-njem) plina.Sastav plazme ovisi o plinu koji sekoristi u stvaranju plazme i o kemij-skim reakcijama pri nastajanju pla-zme, pri emu nastaju slobodni elek-troni, ioni, molekule, atomi, UV fo-toni, metastabilne estice, radikali,tj. ekscitirane neutralne i naelektri-zirane estice koje ujedno sudjelujuu tim reakcijama. Dakako da takveestice pri obradi plazmom moguizazvati modifikaciju povrine sup-strata [1, 2].Poznato je da su materijali sastavljeniod atoma i molekula i da s povea-njem temperature mijenjaju stanje izkrutog u tekue i dalje do plinovitogstanja, to je shematski prikazano nasl.1. Pojednostavnjeno uzevi, moese rei da s poveanjem temperaturekrutih materijala dolazi do sve in-tenzivnijeg gibanja dijelova molekula,tako da u jednom trenutku poinjunaputati svoje mjesto odreeno po-tencijalnom energijom, razara se te-meljna struktura i dolazi do prijelazau tekue stanje. Daljnjim zagrijava-njem materijala, kinetika energijamolekula postaje vea od njihovepotencijalne energije i one postajuslobodnije, to dovodi do razdvajanjana atome i meusobnih sudara teprijelaza u plinovito stanje. S pove-anjem temperature na vie od ne-koliko tisua stupnjeva sudari atomapostaju sve intenzivniji, pa se izatomske strukture oslobaaju i elek-troni, posljedica ega je nastajanjeestica koje su nosioci naboja - ne-gativno nabijeni elektroni i pozitivnonabijeni ioni, odnosno razaranjem</p><p>molekula nastaju pozitivne i negativneatomske skupine. Elektriki nabijeneestice u gibanju stvaraju elektrinai magnetska polja ime se dobivaenergija potrebna za daljnju ionizacijuatoma, tj. nastaje stanje gotovo pot-puno ionizirane tvari - plazma. Op-enito se moe rei da plazma nastajedovoenjem energije plinu [2].</p><p>Sl.1 Shematski prikaz prijelaza stanja materije [2] </p><p>2.2. Oblici i vrste plazmiOblici i vrste plazmi su vrlo brojnite se plazme mogu klasificirati premavie kriterija. Plazme koje dolaze uprirodi u prvom se redu razlikuju pogustoi (red veliina vie od 10 po-tencija), a sukladno tome ekstremnesu i razlike u fizikalnim svojstvima.Kljuni parametar za razlikovanjetehnikih plazmi je tlak neutralnogplina u kojem se kreu ioniziraneestice u odnosu na atmosferski tlak.Prema tom kriteriju plazme se svr-stavaju u niskotlane, visokotlane iplazme atmosferskog tlaka (atmos-ferske plazme). </p><p>Prema temperaturi pri kojoj se pri-mjenjuju, plazme se dijele na hladne(engl. cold plasma) i vrue (engl.hot plasma), sl.2. Niskotlana plazma je primjer hladneili niskotemperaturne plazme, kojaje ujedno i primjer neravnotene pla-zme (engl. cold plasma, low-tempe-rature plasma, non-equilibrium pla-sma), to znai da elektroni u plazmiimaju mnogo viu temperaturu odtemperature teih ionskih estica uplazmi. Odgovarajuom vanjskompobudom plina pri takvoj je plazmimogue ostvariti uvjete pri kojimaje temperatura plina priblina sobnojtemperaturi, a da je istovremeno efek-tivna temperatura i kinetika energijaelektrona znatno via i dovoljnovelika da moe odravati plazmu iinicirati plazma - kemijske reakcije[4]. Temperatura elektrona Te je redaveliine 104 do 105 K, dok je tempe-ratura tekih estica iona i drugihestica molekula, atoma i slobodnihradikala priblina sobnoj temperaturi,tako da se plin gotovo ne zagrijavai zadrava sobnu temperaturu. Stogaje takva plazma osobito prikladnaza obradu termiki osjetljivih mate-rijala kao to je veina tekstilnih ma-terijala. Kod ravnotenih plazmi postoji ter-mika ravnotea, tj. temperatura elek-trona i teih ionskih estica je jednakai u pravilu visoka te je kinetika ene-rgija svih estica velika. U primjeniza povrinske obrade, takve bi plazmebile znatno efikasnije u poizvodnjiradikala i samom protoku iona kojidolaze na povrinu materijala. Me-</p><p>Sl.2 Temeljna klasifikacija plazmi [1, 3]</p></li><li><p>57S. ERCEGOVI RAI, R. UNKO: Modifikacija svojstava tekstilija primjenom plazme,Tekstil 58 (3) 55-74 (2009.)</p><p>utim, kako se kod njih zbog visokogstupnja ionizacije razvija i visokatemperatura, vrlo je teko kontroliratienergiju estica i samim tim optimiratiuvjete proizvodnje specifinih radikala,te je nemogue obraivati termikinestabilne materijale [4]. Takva vruaplazma nije prikladna za tekstilnuprimjenu, ve se koristi u postupcimazavarivanja, toplinskog rasprivanja,rezanja metala te kao metoda za utvr-ivanje metala pri analizi vode.Za tekstilnu primjenu prikladna jehladna plazma, kako niskotlana(engl. low-pressure plasma) tako iatmosferska plazma (engl. atmos-pheric plasma). Niskotlane plazmedobivaju se u razrijeenom plinu ijije tlak znaajno manji od atmosfer-skog, dok se atmosferska plazmaproizvodi kod normalnog atmosfer-skog tlaka. Stoga za dobivanje at-mosferske plazme nije potrebna va-kuumska komora ili vakuum crpka,kao to je takva oprema neophodnapri proizvodnji niskotlane plazme.</p><p>Na sl.3 shematski su prikazana ovadva osnovna sustava plazme. Obasustava imaju iroko podruje pri-mjene i mogu se koristiti za modifi-kaciju povrinskih svojstava organskihi anorganskih supstrata (polimera,papira, drva, folija, pjena, netkanogi tkanog tekstila), bilo da se radi opredobradi materijala ili o obradi ukombinaciji s razliitim drugim sred-stvima (krutim anorganskim i organ-skim esticama) [3, 7]. Do plazme pri atmosferskom tlaku</p><p>moe se doi na nekoliko naina.Prvi nain je pranjenje koronom(engl. corona discharge), kod kojegaje elektrino pranjenje uzrokovanoelektrinim poljem visoke frekvencijeili napona, a povrina obraivanogsupstrata izloena je izravnom dje-lovanju korone. Obrada koronom jenajstarija i najee koritena tehnikapovrinske obrade materijala pla-zmom koja djeluje pri atmosferskomtlaku i uz okolni zrak kao radni plin.Ovaj sustav u naelu po svojim zna-ajkama zadovoljava i za primjenuu djelatnosti tekstilne industrije (irina,brzina, temperatura), ali tip proizve-dene plazme ipak ne moe osiguratispektar zahtjeva na funkcionalnasvojstva kakva su potrebna kod su-vremenih tekstilnih materijala. Osimtoga mali razmak izmeu elektroda(do oko 1 mm) ini sustav nepri-kladnim za obradu debljih materijala,a ne moe ni osigurati dostatnu jed-nolinost obrade [8]. Stoga mu jeprimjena ograniena.</p><p>Pored pranjenja koronom, u svrhudobivanja atmosferske plazme u pri-mjeni su jo dva naina pranjenja.To su: dielektrino barijerno pra-njenje (engl. dielectric barrier dis-charge, DBD; silent discharge, SD),shematski je prikazan na sl.3a i pra-njenje tinjanjem (engl. glow dischar-ge, APGD). Pranjenje tinjanjem pri atmosferskomtlaku karakterizirano je kao jednoli-an, homogen i stabilan tip pranjenja,najee primjenjivan u plinovima</p><p>kao to su helij (He) i argon (Ar), aponekad i duik (N2). Ovakav nainpranjenja predstavlja alternativnijednolini izvor hladne plazme, kojiima i prednost u odnosu na niskotla-nu plazmu jer djeluje bez vakuuma,tj. pri atmosferskom tlaku. Sva trinaina pranjenja pri atmosferskomtlaku mogu se koristiti za obradutekstilnih materijala [3-6].Niskotlani plazma sustav je sastav-ljen od vakuumske komore (sl.3b) ukojoj je smjetena elektroda i nosaiovisno o vrsti uzorka, budui da seradi o diskontinuiranoj obradi mate-rijala (veliina uzorka odreena jeveliinom nosaa) [2, 7]. Opisuje sekao kontrolirana i reproducibilna teh-nika za obradu plazmom koji, zarazliku od atmosferske plazme, zah-tijeva vakuumsku crpku za postizanjeniskih tlakova koji se kreu od 0,01do 1 mbar. Pobuda elektromagnetskimpoljem pri niskom tlaku unutar va-kuumske komore, uzrokuje akcele-raciju slobodnih elektrona i kad je</p><p>njihova kinetika energija dovoljnovelika za odvijanje plazma reakcijakao to su ionizacija, fragmentacijai ekscitacija tvari, dolazi do stvaranjaplazme. To stanje se primijeuje popojavi svjetla (od svjetloplave doljubiaste boje). Atomi i molekulesu ionizirane, ekscitirane i fragmen-tirane i tvore vrlo reaktivnu smjesuplinova koja pri obradi materijala fi-zikalno-kemijski reagira s uzorkom,posljedica ega su promjene svojstavapovrine obraivanog materijala.</p><p>a) atmosferska plazma (Dielectric barrier discharge) b) niskotlana plazma </p><p>Sl.3 Shematski prikaz sustava plazme [7]</p></li><li><p>Vrste promjena i dobiveni uinci uprvom redu ovise o procesnom plinui njegovim fizikalno-kemijskim svoj-stvima, ali i o karakteristikama sup-strata te uvjetima obrade. </p><p>2.3. Reakcije i mehanizam djelovanja plazme</p><p>Da bi dolo do nastajanja plazme,potrebno je osigurati prijenos energijeiz vanjskog izvora, pri emu se osno-vno sudaranje meu elektronimamoe opisati reakcijama prikazanimu tab.1 [2].</p><p>Plazma utjee kemijski i fizikalnona povrinu supstrata, pri emu reak-cije izmeu plazme i povrine oviseo vrsti upotrijebljenog plina i njihovimkemijskim svojstvima. Tekstilni ma-terijali izloeni takvim obradamaprolaze kemijske i fizikalne trans-formacije vezane uz kemijske pro-mjene u povrinskom sloju, promjenestrukture povrinskog sloja i promjenefizikalnih svojstava povrinskog sloja.Plazmom se stvara velika gustoaslobodnih radikala tijekom disocijacijemolekula prilikom sudaranja elektronai fotokemijskih procesa. To uzrokujerazaranje kemijskih veza u polimernojpovrini vlakna koje rezultiraju stva-ranjem novih kemijskih vrsta. Dje-lovanje plazme na povrinu vlakanai polimera rezultira stvaranjem novihfunkcionalnih skupina kao to suOH, C=O, COOH, a koje utjeuna poboljanje sposobnosti kvaenjatkanina (hidrofilni efekt), a mogubiti i aktivni centri za graft-polime-rizaciju (nacjepljivanje) razliitih mo-lekula [3].Prema tome plazma se u prvom redukoristi za povrinsku obradu materi-jala, jer se njenim djelovanjem mo-</p><p>dificiraju samo povrinska svojstvado debljine sloja od svega nekolikodesetaka nanometara, ime osnovnasvojstva materijala ostaju gotovo ne-promijenjena. Na ovaj se nain postieselektivna modifikacija svojstava vla-kana, npr. moe se utjecati na spo-sobnost kvaenja i bojadisanja, ad-hezijske karakteristike i dr., a to seteko moe ostvariti klasinim ke-mijskim postupcima bez posljedicana osnovna svojstva tako obraenihvlakana [4]. Openito se djelovanjeplazme na povrinu tekstilnog mate-</p><p>rijala moe grubo opisati kroz etiriskupine procesa, sl.4. [3, 7]:- ienje povrine (engl. plasma</p><p>cleaning),- nagrizanje povrine (engl. plasma</p><p>ablation or etching),- aktivacija i modifikacija povrine</p><p>(engl. activation, plasma modifi-cation),</p><p>- nanoenje odn. polimerizacija(engl. deposition, plasma polime-risation).</p><p>Na sl.4 shematski su, u usporedbi sneobraenom povrinom materijala,prikazane ove etiri vrste djelovanjai njihovi uinci.ienje i nagrizanje povrine pri-mjenom plazme najee se koristiu elektronici, poluvodikoj industriji,optikoj industriji te kod ienjametala i keramike [1, 7]. Mehanizam djelovanja plazme je uuklanjanju tankog organskog sloja sobraivanih povrina. Djelovanjemplazme tijekom ienja i nagrizanjapovrine polimernih materijala dolazido kidanja kovalentnih veza na poli-mernom lancu. Ovakva povrinskaobrada plazmom u podruju tekstila</p><p>koristi se za sterilizaciju i odkrob-ljavanje tekstilnih proizvoda, posebnoprimje...</p></li></ul>