автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Управление процессом модифицирования поверхности полимерных материалов в плазме высокочастотного разряда

КОВАЛЬЧУК Алексей Владимирович

УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ПЛАЗМЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО

РАЗРЯДА

Специальность:

05.13.06 - автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 НОЯ 2013

Санкт-Петербург 2013

005539147

КОВАЛЬЧУК Алексей Владимирович

УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ПЛАЗМЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО

РАЗРЯДА

Специальность:

05.13.06 — автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2013

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»

Научный руководитель: Юленец Юрий Павлович,

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры системного анализа федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)» Официальные оппоненты: Харазов Виктор Григорьевич,

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры автоматизации процессов химических производств федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»

Грачев Сергей Юльевич, кандидат технических, наук,

доцент кафедры электротехники н электроэнергетики федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров»

Защита состоится 10 дскабря_ 2013 года в 13'° час в ауд. 19 на заседании совета но защите ,диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д212.230.03 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)» по адресу: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке СПбГТЩТУ).

Отзывы и замечания в двух экземплярах, заверенные печатью, направлять на имя ученого секретаря по адресу: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26, Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет). Справки по тел • (812)494-93-75, факс (812)712-77-91, E-mail: dissawetfatechnnloB.edu.ru

Автореферат разослан 8 ноября 2013 г. f

Ученый секретарь диссертационного совета /] ],

Д212.230.03 доктор технических наук, профессор ( А'У Халимон В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Низкотемпературная плазма находит применение в различных областях промышленности. Наибольшее распространение получили процессы плазменного модифицирования поверхности полимерных материалов. Полимерные пленки и волокна характеризуются низкими значениями поверхностной энергии, плохо смачиваются растворителями, практически не склеиваются, обладают плохой адгезией к напыленным слоям металлов. Обработка в плазме пониженного давления позволяет в широких пределах изменять свойства поверхности полимеров и тем самым значительно расширить область их применения.

Однако, несмотря на многочисленность достигнутых положительных эффектов, в целом промышленное применение плазмохимических методов обработки полимеров далеко не соответствует их потенциальным возможностям. Инженерные разработки и их практическая реализация сдерживаются недостаточным пониманием исследователями механизмов физико-химических явлений, обеспечивающих целевой эффект (уменьшение краевого угла смачивания, увеличение работы адгезии), а также неразработанностью методов управления быстро протекающими технологическими процессами этого типа.

Неравновесная плазма высокочастотного емкостного (ВЧЕ) разряда выгодно отличается от других плазмохимических процессов равномерностью и стабильностью горения разряда, неограниченным ресурсом службы. Однако, и этот вид плазменной обработки не получил должного практического применения, не в последнюю очередь, из-за сложности диагностики характеристик разряда на высокой частоте и их зависимости от времени. В таких условиях управление объектами по заранее выбранной временной программе не обеспечивает должной воспроизводимости результатов модифицирования. Еще одним недостатком существующего уровня развития плазменной технологии является нестабильность приобретенных свойств поверхности - плазмообработанные материалы стареют при дальнейшем хранении, и их гидрофильные свойства ухудшаются. Температура материала в разряде не поддается непосредственному измерению. Вместе с тем от значения достигнутой в момент выгрузки из реактора температуры полимера зависят не только вновь приобретенные свойства его поверхности, но и степень их дальнейшей стабильности.

Актуальность работы обусловлена тем, что в настоящее время остаются неразработанными методы управления процессами плазменного модифицирования, от успешной реализации которых непосредственно зависят качественные показатели продукции - смачивание, адгезия к металлам, стабильность свойств поверхности плазмообработанных полимеров.

Цель работы. Разработка способа управления и автоматизированной системы управления процессом модифицирования

поверхности полимерных материалов в плазме высокочастотного разряда, обеспечивающих стабильность приобретенных свойств поверхности.

Методы исследования. При выполнении работы использовались методы математического моделирования, численного решения дифференциальных уравнений, теории автоматического управления, разработки автоматизированных систем управления.

Научная новизна. Разработана математическая модель нагрева газа и материала в нестационарном процессе модифицирования поверхности полимеров в плазме высокочастотного газового разряда пониженного давления. Модель рассматривает плазмохимический реактор как многослойную систему «приэлектродный слой - разрядный промежуток - полимерная пленка -разрядный промежуток - приэлектродный слой» и позволяет рассчитать распределение температуры в незаполненном и заполненном материалом разрядном промежутке в произвольный момент времени.

Разработана методика диагностики характеристик ВЧЕ разряда, предусматривающая автоматизированный контроль мгновенной активной мощности разряда с помощью экстремальной системы регулирования. Показано, что плазмохимический реактор с полимерной пленкой представляет собой сложный в динамическом отношении объект управления, у которого ток и мощность разряда меняются со временем, а время установления этих параметров сравнимо с продолжительностью процесса модифицирования.

Для процесса плазменного модифицирования полиэтилена, поливинилхлорида и политетрафторэтилена определены критические температуры поверхности, обеспечивающие минимизацию эффекта старения плазмообработанных пленок.

Разработан способ управления процессом плазменного модифицирования поверхности полимерных материалов, предусматривающий автоматическое определение момента окончания процесса или его стадии по достигнутой критической температуре материала, определяющей стабильность приобретенных свойств поверхности. Показано, что управление процессом плазменного модифицирования предложенным способом и его реализация с помощью разработанных АСУ обеспечивают устойчивость свойств поверхности плазмообработанных полимерных пленок.

Разработаны алгоритмы и структуры двух автоматизированных систем управления, реализующих одностадийный и двухстадийный (первая стадия - в атмосфере водяного пара, вторая стадия - в атмосфере остаточного воздуха) процессы плазменного модифицирования поверхности полимеров.

Автоматизированная система управления двухстадийным процессом плазменного модифицирования формирует сигнал мгновенной активной мощности разряда и осуществляет функции переключения реактора из стадии в стадию и отключение разряда по значениям достигнутой критической температуры поверхности полимера, рассчитываемой в режиме реального времени.

Практическая ценность. Практическую значимость работы представляют:

- зависимости температуры газового разряда и температуры поверхности полимера от активной мощности разряда;

- использование температуры полимера в плазме как показателя оценки качества свойств поверхности плазмообработанных материалов;

- способ управления процессом модифицирования поверхности полимерных материалов, обеспечивающий устойчивость свойств поверхности плазмобработанных полимерных пленок;

- алгоритмы и структурные схемы автоматизированных систем управления процессами модифицирования поверхности полимерных материалов в плазме высокочастотного газового разряда.

Защищаемые положения:

- математическая модель нагрева газа и материала в процессе модифицирования поверхности полимеров в плазме высокочастотного разряда пониженного давления, позволяющая рассчитать распределение температуры в разрядном промежутке в произвольный момент времени;

- способ управления процессом модифицирования поверхности полимерных материалов в плазме высокочастотного разряда, предусматривающий автоматическое определение момента окончания процесса или его стадии по достигнутой критической температуре материала, определяющей стабильность приобретенных свойств поверхности;

- алгоритмы и структуры АСУ, реализующих одностадийный и двухстадийный процессы плазменного модифицирования поверхности полимеров, предусматривающие автоматическое формирование сигнала мгновенной мощности разряда и расчет температурного поля в материале в режиме реального времени.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов подтверждается согласием теоретических и экспериментальных данных (температура пленки в плазме).

Отдельные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на международной конференции «Ресурсосбережение в химической технологии». - Санкт-Петербург, 30-31 мая 2012 г. - Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет). - СПб: СПбГТЩТУ), а также на научных семинарах кафедры системного анализа Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 научные работы.

Реализация результатов. Предложенный способ управления использован при реализации процесса плазменного модифицирования поверхности полимерных пленок (ООО «Класс-Инжиниринг», г.Санкт-Петербург). На предложенный в диссертации способ управления процессом плазменного модифицирования поверхности полимеров подана заявка на

патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 126 страницах, состоит из четырех глав, содержит 27 рисунков, 23 таблиц, список литературы насчитывает 102 наименования.

В первой главе дан критический анализ состояния вопроса в области исследования и разработки плазмохимических процессов модифицирования полимеров. Отмечается, что инженерные разработки и их практическая реализация сдерживаются из-за недостаточно ясного понимания исследователями механизмов физико-химических процессов, обеспечивающих достигаемый целевой эффект - изменение поверхностных свойств материалов, слабого уровня развития методов диагностики характеристик ВЧЕ разряда, а также неразработанности способов управления плазмохимическими реакторами - сложными в динамическом отношении объектами с распределенными параметрами.

Температура обрабатываемого материала является важнейшим и весьма критичным параметром, оказывающим влияние не только на приобретаемые свойства поверхности полимера, но и на стабильность этих свойств при дальнейшем хранении плазмообработанных пленок. Тем не менее входные параметры процессов модифицирования (мощность разряда, напряженность электрического поля), обеспечивающие минимизацию эффекта старения, остаются не найденными. Строго говоря, эти параметры и не могут быть найдены, так как не являются фиксированными, а зависят сложным образом от площади поверхности обрабатываемого материала. Температура материала в плазме не поддается непосредственному измерению. В подобных условиях для успешной реализации процесса плазменного модифицирования необходимо осуществлять непрерывный контроль мгновенной мощности разряда с одновременным вычислением в режиме реального времени температурного поля в материале. При этом важное значение приобретает исследование влияния температуры поверхности полимера в плазме разряда на последующее старение плазмообработанных пленок. Тогда, если требуемая для минимизации эффекта старения температура поверхности будет известна, можно с помощью автоматизированной системы управления осуществить останов процесса в момент достижения материалом критической (оптимальной) температуры.

На основании проведенного анализа состояния вопроса основные задачи диссертации сформулированы следующим образом:

- исследование реактора для модифицирования поверхности полимерных материалов в плазме высокочастотного разряда как объекта управления;

- разработка математической модели нагрева газа и материала в процессе плазменного модифицирования поверхности полимерных материалов;

- разработка способа управления процессом модифицирования полимеров в плазме высокочастотного разряда, обеспечивающего стабильность приобретенных свойств поверхности;

- разработка автоматизированной системы управления процессом

модифицирования поверхности полимерных материалов в плазме высокочастотного газового разряда.

Вторая глава посвящена исследованию плазмохимического реактора высокочастотного емкостного разряда как объекта управления.

На рисунке 1 показана технологическая схема установки для исследования характеристик плазмы ВЧЕ разряда.

Рисунок 1 - Технологическая схема установки для исследования характеристик плазмы ВЧЕ разряда: 1) ВЧ-генератор; 2) реакгор;3) электроды разрядного конденсатора; 4) вакуум-насос;

5) вентиль; б) вакуумметр; 7), 8), 9) электронные вольтметры

Установка включает в себя ВЧ - генератор 1 (частота генерации / = 29,3 МГц), плазмохимический реактор 2, вспомогательное оборудование и приборы. Внутри реактора размещены дисковые электроды 3 (расстояние между электродами варьировалось в пределах 9-20 мм). Основная трудность диагностики характеристик разрядной цепи заключается в том, что в момент зажигания разряда внутри разрядного конденсатора появляется плазменный проводник. Для определения неизвестной суммарной емкости разрядника С& применялся метод вариации индуктивности.

С этой целью потенциальный электрод подключался к ВЧ-генератору через дополнительный элемент - катушку индуктивности Ь. Путем дискретного перемещения точки подключения вольтметра по виткам катушки находили напряжение £/тіП, соответствующее компенсации емкостного сопротивления Хі индуктивным хі, и далее на основании измерений определяли все характеристики разрядной цепи.

Активное сопротивление плазмы і?р и активная мощность разряда Ра соответственно равны:

1& ¿Л

г иъ

где - ток разряда, определяемый через напряжение £/ь на

кь

безындукционном активном сопротивлении Дь; илс - напряжение на плазме столба; 1/т-т - напряжение между отводом катушки и землей.

Выражение для напряжения на разрядном конденсаторе получено в

виде:

ud = Jui + ui = V^B4 - 2UncUb - vi ,

(2)

где 1/$ - напряжение на приэлектродных слоях; С/вч - напряжение между потенциальным электродом и землей.

Эквивалентная емкость разрядного конденсатора Сл , учитывающая появление в нем плазменного проводника в момент зажигания разряда, и толщина приэлектродного слоя пространственного заряда 4 определяются формулами:

где = ~Rp ' 05 _ угловая частота: со = Infi во - абсолютная

диэлектрическая проницаемость вакуума: е0 = 8,85-Ю"12 Ф/м; S - площадь электрода.

На рисунках 2 и 3 приведены примеры полученных характеристик.

Разряд изначально (с наименьших значений плотности тока: j = 7d/S) горел в так называемом аномальном режиме, т.е. заполнял всю площадь электрода. Поэтому найденный в пределах исследованных давлений диапазон плотностей тока может быть полностью использован для реализации процесса плазменного модифицирования полимеров.

С ростом плотности тока толщина приэлектродного слоя ds убывает (рисунок 2). Активная мощность разряда при снижении давления уменьшается (рисунок 3). Это, однако, не свидетельствует о зависимости температуры газа в плазме от давления. С другой стороны, при уменьшении давления возрастает интенсивность процессов образования химически активных веществ. Однако, диапазон давлений, обеспечивающих высокую скорость химической активации поверхности, остается достаточно широким: F = 100 -1000 Па.

Процесс модифицирования поверхности материалов, контактирующих с плазмой, носит нестационарный характер. Сложное динамическое поведение системы плазма - полимер обусловлено влиянием ограничивающей плазмы поверхности («эффект загрузки»), а также выделением из материала газообразных продуктов. Ток и мощность разряда устанавливаются через 2 - 5 с, а иногда через десятки секунд от начала процесса (рисунок 4).

Рисунок 2 - Зависимость толщины приэлектродного слоя пространственного заряда от плотности разрядного тока. Плазмообразующий газ - воздух,/ = 29,3 МГц, 5 = 100 см2: 1) 200 Па, 2)^ = 400 Па, 3)^=500 Па

2 3 4 5 6 7 /, мА/см2

Рисунок 3 - Зависимость активной мощности разряда от плотности разрядного тока.

Плазмообразующий газ - воздух, /= 29,3 МГц, 5= 100 см2: 1) ^= 200 Па, 2) Р= 400 Па, 3) ^= 500 Па

Установившиеся значения мощности оказываются выше первоначально заданных на 20 -25%. Таким образом контролировать мгновенную мощность разряда необходимо в течение всего процесса.

Мгновенная активная мощность Рл (т) не поддается измерению на высокой частоте, но может быть найдена по непрерывно контролируемым напряжениям 17ач и С/ь при условии компенсации емкостного сопротивления индуктивным х^ на протяжении всего технологического цикла. На рисунке 5 представлена система экстремального регулирования (СЭР) шагового типа,

Рисунок 4 - Кривые установления разрядного тока во времени при различных значениях стационарного тока (/= 29,3 МГц): 1) 1А = 0,4 А; 2) 1Л = 0,5 А; 3) 1й = 0,6 А.

Образец - пленка ПЭВД, = 250 мкм

осуществляющая непрерывную автоматическую настройку разрядной цепи в резонанс. Здесь роль перестраиваемой индуктивности £уаг, дополнительно введенной в цепь, выполняет реактивная лампа (пентод). Выходное сопротивление этой лампы имеет чисто индуктивный характер. Изменяя крутизну характеристики лампы при помощи напряжения, подаваемого на ее управляющую сетку, можно регулировать индуктивность.

Показателем качества СЭР является разрядный ток. Автоматический регулятор поддерживает ток в цепи /а =7тах путем поиска экстремума целевой функции I - ^Есм). ГИ своим коротким импульсом (замыканием ключа К1) обеспечивает съем с объекта показателя качества. Значение /„ поступает на элемент сравнения. Одновременно из ЗУ на элемент сравнения подается предыдущее значение показателя качества 1пЛ . Разностный сигнал Д/„=/„- 1п.х со своим знаком поступает на вход сигнум-реле, выдающего знак регулирующего воздействия (± ДС/упр) на п-шаге регулирования. Закон регулирования для шаговой автоколебательной системы имеет вид: Хп = - sign.il,, - 1аЛ) Еп., при /п - /п. 1 > 6,

(4)

Б„ = 2„., при /„ - /п., < 8.

Здесь Еп - знак приращения регулирующего воздействия (С/упр), 5 - зона нечувствительности регулятора, п - номер регулирования.

По сигналу от ГИ знак £„ через ключ К2 поступает на сумматор, осуществляющий сложение предыдущего регулирующего воздействия С/упр „.1 и его приращения с учетом знака 2П. Источник напряжения трансформирует

2П К2 і- п СР

/п

д/п=/п-/п.,

Рисунок 5 - Структурная схема системы автоматической настройки разрядной цепи на максимум разрядного тока: ДТ - датчик тока; К1, К2 - логические ключи; ЗУ - запоминающее устройство; СР - логическое устройство (сигнум-реле); ГИ - генератор импульсов; ИН - источник постоянного напряжения

управляющее напряжение Сущ, п = ^-пр п-і + Л£/Упр 2П в напряжение смещения Е<зл ~ иущ (где к0 - постоянный коэффициент). В результате изменения крутизны характеристики лампы изменяется индуктивность цепи:

г _ СсЯс _ Тс

где Сс, Яс - соответственно емкость и активное сопротивление элементов обратной связи; ^ - крутизна характеристики лампы; тс - постоянная времени цепи обратной связи.

При достижении экстремума (/=/тах) система переходит в автоколебательный режим.

Таким образом для данного безынерционного объекта в любой момент времени осуществляется автоматическая, также безынерционная, настройка

разрядной цепи в резонанс, что обеспечивает возможность формирования сигнала мгновенной активной мощности Р& (т) = [г/вч (т) - 1/ь

КЬ

В заключение главы исследовано влияние мощности разряда и плотности разрядного тока на температуру газового разряда при различных давлениях. Можно видеть (рисунок б), что температура газа в разряде Тц (в центре разряда) достигает значительной величины и практически не зависит от давления. Температура материала, претерпевающего нагрев от газового разряда, может быть найдена на основании рассмотрения задачи нестационарной теплопроводности, г»,"с

зоо ■

250 -

200 -

150 -

100

10 20 30 40 50 Рd< Вт

Рисунок 6 - Зависимости температуры газа в плазме от мощности. Плазмообразующий газ -воздух,/= 29,3 МГц, 5 = 100 см2, d„ = 20 мм, F - 200 - 500 Па ■ - эксперимент; - расчет

В третьей главе рассматривается математическая модель нагрева газа и полимерного материала в плазме высокочастотного разряда.

Задача расчета температурного поля в плазме ВЧЕ разряда рассмотрена одновременно для случаев незаполненного и заполненного материалом разрядного промежутка.

Джоулево тепло тока, вызывающее нагрев газа, выделяется только в центральной части разрядного промежутка. Расположенные вблизи электродов темные слои толщиной ds практически не проводят ток. Полимерный материал нагревается от газоразрядной плазмы. Таким образом плазмохимический реактор с материалом можно рассматривать как многослойную систему «приэлектродный слой - разрядный промежуток - образец материала -разрядный промежуток - приэлектродный слой». Диаметр электродов много больше расстояния между ними, температура электродов постоянна (электроды

охлаждаются водой). Мощность разряда изменяется во времени под влиянием загрузки. Распределение температуры Т в каждом слое описывается уравнением нестационарной теплопроводности:

ср,.р,- а«2 ср,.р,-

с начальным и граничными условиями:

Т=Т0 при т = 0 (0 <х<х3), (7)

8Т\

= 0, Т3\ =Т0, (8)

т,=т"' x'lb=xt-*ltr- ПРИ (''=2'3)- (9)

Здесь ~ki, cpi, pi - соответственно теплопроводность, теплоемкость и плотность слоя; i - номер слоя; р — мощность в единице объема; х — текущая координата: х0 = 0, xi = dJ2, х2 = LI2 - ds, хз = LI2, L - расстояние между электродами, d0 — толщина образца обрабатываемого материала; т - время.

Дополнительно учитывались зависимости от температуры параметров К и р. На рисунках 7 и 8 приведены примеры расчета температурного поля в плазме ВЧЕ разряда.

Можно видеть, что присутствие в разрядном промежутке даже тонкого образца материала существенно изменяет картину распределения температуры. Значительная часть выделяемой энергии затрачивается на нагрев образца.

Для оценки адекватности модели реальному процессу использовали данные дистанционного (с помощью ИК-термометра) измерения температуры поверхности образцов материала сразу после отключения разряда и сброса давления, т.е. с запаздыванием. Действительные значения Тпоа в момент отключения разряда восстанавливали с помощью кривых кинетики охлаждения образцов. Расхождение между расчетными и экспериментальными данными не превысило 4,9%.

Исследовано влияние температуры в плазме на стабильность свойств поверхности модифицируемых материалов. Объектами исследования служили образцы пленок полиэтилена высокого давления (ПЭВД) марки 15 - 03 - 20 толщиной 160 мкм, поливинилхлорида (ПВХ) марки Pentaprint толщиной 200 мкм и 250 мкм и политетрафторэтилена (фторопласта-4) толщиной 13 мкм — наиболее распространенного электретного материала. Различные значения конечной температуры поверхности образцов Гпов обеспечивались изменением мощности разряда Pi при т = const. При этом в течение каждого эксперимента заданное значение Рй искусственно поддерживалось постоянным. Температуру Гпов в момент отключения разряда рассчитывали по математической модели (6)-(9).

Изменение свойств поверхности оценивали по значениям краевого угла 9 смачивания водой (бидистиллятом), определяемых гониометрическим

способом на приборе DSA14 по стандартной методике. Работу адгезии поверхности W рассчитывали по формуле Дюпре-Юнга:

W= о(1 + cos 9), (Ю)

где о - поверхностное натяжение рабочей жидкости.

0 1.5 3 4,5 6 7,5 9 *,мм Рисунок 7 - Распределение температуры газа в плазме ВЧЕ разряда. Плазмообразующий газ - воздух (/ = 29,3 МГц, Ь = 9мм, <4 = 1 мм, 5= 36 см2, р2 = 0,6МВт/м3, 1000 Па, т = 10 с): 1) без образца полимера; 2) с образцом полимера (образец - пленка полиэтилена высокого давления марки 158-03-020, ¿0 = 160 мкм, ГКОН = 70°С)

г,°с

220 - 1

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 ж, мм

Рисунок 8 - Распределение температуры газа в плазме ВЧЕ разряда (f= 29,3 МГц, I = 20 мм, 4 = 1 мм, 5= 100 см2, р2 = 0,12 МВт/м3, F= 500 Па, х = 23 с): 1), 2) без образца полимера; 3), 4) с образцом полимера. Плазмообразующий газ : 1), 3) водяной пар; 2), 4) воздух. Образец -пленка ПВХ, d0 = 250 мм, Ткон = 80°С Из представленных данных (таблица 1) следует, что стабильность свойств плазмообработанных пленок существенно зависит от достигнутой конечной температуры. Так, в режимах низкой мощности значения 9 продолжают увеличиваться даже спустя 10 и более суток после обработки. В

более сильных режимах, обеспечивающих разогрев поверхности материалов до 60 - 70°С (ПЭВД) и 70 - 80°С (ПВХ), значения 9 стабилизируются уже через 3-5 суток после обработки. Модифицирование политетрафторэтилена (9исх = Ю8 - 112°) придает пленке гидрофильные свойства (вобр = 20 - 40°) и значительно увеличивает устойчивость положительного гомозаряда электрета.

Таблица 1 - Влияние мощности разряда на свойства поверхности полимера. Плазмообразующий газ - водяной пар: F= 500 Па, / = 29,3 МГц, £=0,01 м2, Г„ = 20°С, х = 15 с. Образец - пленка ПЭВД, йа = 160 мкм, 0ИИ[ = 99°

Pi, Вт Руд> , кВт/м Гкон, °с Показатели Время х] ранения на воздухе, сут.

0 1 2 3 5 7 10 30

4,0 0,4 25 0, град W-103 Дж/м 48 122 50 120 54 116 55 115 57 112 59 110 64 105 66 102

19,0 1,9 40 0, град то3, Дж/м2 49 119 52 118 54 116 56 114 56 114 58 111 61 108 64 105

38,3 3,83 60 б,град W-103 Дж/м2 49 121 51 119 52 118 52 118 53 117 53 117 53 117 53 117

48,1 4,81 70 О,град IV-103, Дж/м* 48 122 51 119 52 118 53 117 53 117 53 117 53 117 53 117

В заключение главы описан способ модифицирования поверхности полимеров в плазме ВЧЕ разряда, осуществляемый в две стадии при различных уровнях вводимой мощности. В первой стадии процесс ведут в атмосфере паров воды при давлениях F = 0,2 - 1 кПа. Вторая стадия процесса осуществляется в атмосфере остаточного воздуха при давлении 5-15 кПа. На примере модифицирования поверхности полиэтилена при искусственном поддержании Рй = const в стадиях и ручном способе переключения установки из стадии в стадию показано, что двухстадийный процесс позволяет в наибольшей степени ослабить эффект старения при условии, что в каждой стадии температура поверхности пленки достигает определенного (критического) значения. Так, для ПЭВД в конце каждой стадии Гкр = 70°С, для ПВХ Гкр = 80°С, для пленки фторопласта - 4 Ткр = 105 - 110°С. При Т = Т^ обеспечивается наибольшая устойчивость поверхностных свойств

8 -О

(сводится к минимуму эффект старения): а = ^•100% = 10-12,5%;

0О

при Т < Ткр а = 18 - 46%; при Т > Гкр возникает опасность коробления пленок.

Реализация процесса плазменного модифицирования полимеров, как одностадийного, так и двухстадийного, требует разработки АСУ, которая в числе других операций должна обеспечивать расчет текущей температуры поверхности материала 1(т) в режиме реального времени.

Четвертая глава посвящена разработке автоматизированных систем управления процессом модифицирования поверхности полимеров в плазме высокочастотного разряда.

Как было показано, для успешной реализации процесса плазменного модифицирования необходимо обеспечить отключение разряда (или переключение из стадии в стадию) в точности при достижении поверхностью пленки температуры Т= Т^. В работе предложен способ управления процессом модифицирования поверхности полимерных материалов в плазме высокочастотного разряда при пониженных давлениях среды, заключающийся в том, что производят непрерывное измерение активной мощности разряда, текущее значение которой используют для расчета в режиме реального времени температурного поля в зоне разряда, а момент окончания процесса определяют автоматически - по достижении поверхностью полимерного материала заданной температуры Т^. Практическая реализация предложенного способа управления и оценка его эффективности возможны только на основе разработки АСУ, содержащей в своем составе автоматическое устройство для формирования сигнала мгновенной мощности разряда Рй(у) и вычислительное устройство для расчета в реальном времени температурного поля в зоне разряда 7\х, т).

На рисунке 9 представлена структурная схема одной из двух разработанных систем - АСУ, реализующей двухстадийный процесс плазменного модифицирования поверхности полимеров.

Объект управления включает в себя плазмохимический реактор, между электродами которого размещен обрабатываемый полимерный материал, переменную индуктивность (реактивную лампу) ¿їаг, управляемую источником напряжения ИН1, ВЧ-генератор, регулируемый выпрямитель анодного напряжения Ел (источник напряжения ИН2), вакуум-насос, четыре регулятора давления с запорно - регулирующей арматурой, датчик давления датчик тока, датчик напряжения С/вч (электронный вольтметр).

Оператор вводит исходные данные в микропроцессорный контроллер, производит загрузку реактора полимерной пленкой и осуществляет пуск АСУ. Тогда включаются вакуум-насос и регулятор давления 1. Происходит откачка объема реактора до заданного остаточного давления Рх . При достижении давления ^ по сигналу Ні регулятор давления 1 отключается. Одновременно включается регулятор давления 2 и начинается напуск в реактор паров воды.

При достижении в реакторе заданного давления водяных паров Р2 по сигналу Н2 на входе регулируемого выпрямителя ИН2 через переключатель режимов устанавливается управляющее напряжение Еупр1, соответствующее анодному напряжению Ей\ - в первой стадии процесса реализуется режим повышенного уровня мощности (Здесь: Ел - к Еупр, где к - коэффициент). Происходит включение ВЧ - генератора. Между электродами реактора

Объект

К исполнительным механизмам

запорно-регулирующей арматуры вакуумной линии

л

Оператор

Ввод исходных данных

Загрузка и разгрузка реактора_

ЕТТТ|

Микропроцессорный контроллер

г2 Г, Г< ¿„,. Е,,р1 Еугр1 т. X, с„ Р1 л. ь а, ! г„

\ \ 1 1 ♦ 1 » \ I I I I 1 ♦ ♦ \

Исходные данные

Рисунок 9 - Структурная схема АСУ процессом модифицирования поверхности полимерных материалов в плазме высокочастотного разряда

зажигается плазменный разряд и начинается первая стадия процесса модифицирования. Включенная в цепь разрядного конденсатора реактивная лампа ЬуШ управляется безынерционно от источника постоянного напряжения ИН1. По сигналу от датчика тока экстремальный регулятор ЭР мгновенно настраивает разрядную цепь в резонанс путем изменения напряжения £см на входе реактивной лампы (при резонансе напряжений ток в цепи максимален I= /шах)- Одновременно, также по сигналу Н2 от регулятора давления 2, через логический элемент «ИЛИ» поступает команда «Расчет», запускающая операции вычисления активной мощности разряда Р(т) и расчета температурного поля в материале по математической модели (6) - (9).

Текущее значение температуры Тпов(т) поступает на один из входов компаратора. На втором входе компаратора установлено значение Т^. При достижении поверхностью материала температуры Гпов(т) > 7кр по сигналу «ДА» от компаратора через логический элемент «И» и логический элемент «ИЛИ» путем установки на входе регулируемого выпрямителя ИН2управляющего напряжения Е^ = Еущ, 0 происходит отключение ВЧ-генератора (отключение напряжения анодного питания £а). В этот момент по сигналу от логического элемента «И» регулятор давления 2 отключается, включается регулятор давления 3. С помощью регулятора давления 3 производится откачка объема реактора от водяных паров. При достижении в реакторе заданного давления по сигналу Н3 регулятор 3 отключается. Включается регулятор давления 4, и начинается напуск в реактор сухого воздуха. При достижении давления на входе регулятора давления появляется сигнал Н4. В дальнейшем описанный алгоритм управления объектом повторяется.

В частности, во второй стадии процесса на входе регулируемого выпрямителя ИН2 через переключатель режимов устанавливается управляющее напряжение Еупрг, соответствующее анодному напряжению Ел. В этот момент по сигналу Н4 осуществляется запуск расчетных операций Р(т) и Гпов(т). При достижении поверхностью материала во второй стадии процесса температуры 7пов(т) > Гкр по сигналу от компаратора через второй логический элемент «И» и второй логический элемент «ИЛИ» на входе регулируемого выпрямителя ИН2 появляется управляющее напряжение £упр= Еупр 0. Происходит отключение ВЧ-генератора (отключение напряжения анодного питания £а). Выключается вакуум-насос и осуществляется напуск в реактор атмосферного воздуха. Далее обработанный в плазме полимерный материал выгружается из реактора.

Эффективность применения АСУ в процессе плазменного модифицирования поверхности полимеров оценивали сопоставлением с процессом, реализуемым по наперед заданной временной программе.

Установлено, что наибольшее ослабление нежелательного старения плазмообработанных пленок обеспечивает применение АСУ в двухстадийном процессе плазменного модифицирования - рисунок 10.

Устойчивость плазмообработанной пленки полиэтилена к дальнейшему

хранению повышается за счет точного поддержания в процессе модифицирования критической температуры поверхности (Гкр = 70°С). Можно предположить, что образованные в первой стадии процесса полярные группы не подвергаются переориентации в глубь полимера, а удерживаются на поверхности за счет стабилизирующего действия достигнутой в разряде во второй стадии процесса оптимальной температуры. В результате уже через 3 суток после плазменной обработки значения контактного угла смачивания перестают изменяться.

Є, град

45 -

40 ■] I I I I г' | ' | | | ' ' | 1 | ■ ■ ■ I | I I | | ■ | | ' | I I ' '

О .5 10 15 20 25 30 Х'СуГ

Рисунок 10 - Зависимость краевого угла смачивания 9 от времени хранения тхр полимера, модифицированного в плазме высокочастотного разряда. Материал - полиэтилен высокого

давления марки 158-03-020 (¿0 - 160 мкм,/= 29,3 МГц, 1 = 9 мм, ^ = 1 мм): 1) без применения АСУ, плазмообразующий газ - воздух, 0,5 кПа, рср = 0,6 МВт/м3, г = 25 с;

2) двухстадийный процесс с применением АСУ, /м - 0,5 кПа (плазмообразующий газ -водяной пар), р\ = 0,55 МВт/м3, Т^ = 70°С; = 5 кПа (плазмообразующий газ - воздух),

р2 = 0,33 МВт/м3, Г^ = 70°С

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана методика диагностики характеристик плазмы высокочастотного емкостного разряда пониженного давления, предусматривающая в том числе автоматизированный контроль мгновенной активной мощности разряда.

2. Проведено исследование ялазмохимического реактора с полимерным материалом как объекта управления. Показано, что ток и мощность разряда не являются фиксированными во времени параметрами, а зависят сложным образом от площади поверхности обрабатываемого материала; время установления этих параметров сравнимо с продолжительностью процесса модифицирования.

3. Исследовано влияние температуры полимерного материала в плазме разряда на свойства его поверхности и их стабильность при дальнейшем хранении. Определены критические температуры поверхности полиэтилена, поливинилхлорида и политетрафторэтилена, обеспечивающие минимизацию эффекта старения плазмообрабстанных пленок.

4. Разработана математическая модель нагрева газа и полимерного материала в процессе плазменного модифицирования поверхности полимеров. Математическая модель позволяет рассчитать поле температур в разрядном промежутке (с материалом и без материала) в произвольный момент времени.

5. Предложен способ управления процессом модифицирования поверхности полимерных материалов в плазме высокочастотного емкостного разряда, предусматривающий автоматическое определение момента окончания процесса или его стадии по достигнутой температуре материала, определяющей стабильность приобретенных свойств поверхности.

6. Разработаны алгоритмы и структуры двух автоматизированных систем управления, реализующих одностадийный и двухстадийный процессы модифицирования поверхности полимеров в плазме высокочастотного разряда пониженного давления. Автоматизированная система управления двухстадийным процессом модифицирования (первая стадия реализуется в атмосфере насыщенного водяного пара, вторая стадия - в атмосфере остаточного воздуха) формирует сигнал мгновенной мощности разряда и осуществляет функции переключения реактора из стадии в стадию и останов процесса по значениям достигнутой критической температуры поверхности полимера, рассчитываемой микроконтроллером в режиме реального времени.

7. Дана оценка эффективности применения АСУ в процессе плазменного модифицирования полимеров. Показано, что устойчивость плазмообработанных полимерных материалов к дальнейшему хранению на воздухе значительно увеличивается при соблюдении режима нагрева пленки до критической температуры поверхности.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах

1. Ковальчук, A.B. Диагностика характеристик плазмохимических процессов высокочастотного емкостного разряда /А.В .Ковальчук, А.Г.Самсонов, Ю.П.Юленец //Фундаментальные проблемы техники и технологии, 2012. - № 6. -С.91-97.

2. Марков, A.B. Расчет температурного поля в плазмохимических процессах высокочастотного газового разряда /А.В.Марков, А.В .Ковальчук, Ю.П.Юленец //Материалы межд. конф. «Ресурсосбережение в химической технологии». -СПб, 30-31 мая 2012 г. - Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет). - СПб: СП6ГТИ(ТУ), 2012.-С.68-70.

3. Ковальчук, A.B. Автоматизированная система управления процессом модифицирования поверхности полимерных материалов в плазме высокочастотного разряда /А.В.Ковальчук, Ю.П.Юленец //Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2013. - № 7. - С. 1-5.

Отпечатано с оригинал-макета. Формат 60х90'/хб Объем 1,0 печ.л. Тираж 90 экз. Зак. № 178.

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»

190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26 Типография издательства СПбГТИ (ТУ), тел. 49-49-365

^201 453930

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт

(технический университет)»

На правах рукописи

Ковальчук Алексей Владимирович

УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ПЛАЗМЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО РАЗРЯДА

05.13.06 - автоматизация и управление технологическими процессами и

производствами (промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Юленец Ю.П.

Санкт-Петербург 2013

ВВЕДЕНИЕ........................................................................ 4

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА..................................................... 12

2 ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО РЕАКТОРА ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЕМКОСТНОГО РАЗРЯДА КАК ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ................................................... 39

2.1 Диагностика характеристик плазмы высокочастотного емкостного разряда......................................................... 39

2.2 Плазмохимический реактор для модифицирования поверхности полимерных материалов как объект управления.................... 52

3 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ НАГРЕВА ГАЗА И ПОЛИМЕРНОГО МАТЕРИАЛА В ПЛАЗМЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО РАЗРЯДА......................................................................... 61

3.1 Математическая модель нагрева газа и материала в процессе плазменного модифицирования поверхности полимерных ' * пленок.......................................................................... 61

3.2 Распределение температуры в плазме высокочастотного емкостного разряда......................................................... 63

3.3 Влияние температуры на стабильность свойств поверхности модифицируемых в плазме полимерных пленок.................... 68

4 РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ПОЛИМЕРОВ В ПЛАЗМЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО РАЗРЯДА...........................................................................77

4.1 Способ управления процессом модифицирования поверхности полимеров в плазме высокочастотного разряда........................77

4.2 Разработка автоматизированных систем управления процессом модифицирования поверхности полимерных материалов в плазме высокочастотного разряда........................................ 79

4.3 Эффективность применения АСУ в процессе плазменного

модифицирования поверхности полимерных материалов.......... 90

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................... 97

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.................................................. 99

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................102

ПРИЛОЖЕНИЕ А Исследование плазмохимического реактора как объекта управления и проверка адекватности математической

модели реальному процессу.................................................114

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Сведения о практической реализации

результатов диссертации....................................................125

Многие производственные задачи предъявляют к материалам разнообразные требования, часто несовместимые друг с другом. К таковым относится соотношение объемных и поверхностных свойств. Рациональный путь решения проблемы в современных условиях заключается не в разработке нового материала, удовлетворяющего одновременно требуемым поверхностным и объемным свойствам, а в модифицировании поверхностных свойств материала при условии сохранения необходимых его объемных свойств.

Полимерные синтетические материалы, как правило, обладают превосходными объемными свойствами при совершенно неудовлетворительных с технологической и потребительской точки зрения поверхностных свойствах [1]. Для модифицирования поверхности полимеров применяются химические методы изменения состава поверхностного слоя (травление, осаждение нового слоя из газовой или жидкой фазы), а также физический метод обработки газоразрядной плазмой.

Полимерные пленки и волокна характеризуются низкими значениями поверхностной энергии, плохо смачиваются растворителями, практически не склеиваются, обладают низкой адгезией к напыленным слоям металлов. Обработка в плазме пониженного давления, отличающейся невысокой температурой газа, позволяет в широких пределах изменять свойства поверхности полимеров и тем самым значительно расширить сферу их применения. В [1] отмечается, что важнейшей особенностью «холодной» неравновесной плазмы является значительный отрыв средней энергии электронов от энергии тяжелых частиц, вследствие чего эффективное образование различных активных частиц приводит к очень высокой химической активности газа, подвергнутого действию плазмы, при

сравнительно низкой его температуре. Тем самым создаются условия для реализации очень быстрых гетерогенных процессов, сопровождающихся незначительным нагревом обрабатываемых материалов.

Мы не совсем согласны с таким утверждением. Температура газа в плазме, в том числе в плазме высокочастотного емкостного (ВЧЕ) разряда, может быть значительной; ее величина определяется мощностью разряда и давлением среды. Разогрев газа в плазме, обусловленный выделением джоулева тепла тока, происходит практически мгновенно. Обрабатываемый материал, в том числе тонкая пленка, нагревается от разреженной газоразрядной плазмы сравнительно медленно. Вопросы прямого и косвенного контроля температуры газового разряда и температуры обрабатываемого материала будут подробно рассмотрены в данном исследовании.

Нельзя не отметить, что несмотря на целый ряд достигнутых положительных эффектов, к том числе реализованных на практике, потенциальные возможности плазмохимических методов обработки материалов остаются использованными не в полной мере. Причины такого состояния вопроса связаны с недостаточной изученностью механизма явлений, сопровождающих изменения свойств полимеров под действием плазмы, с повышенной сложностью экспериментирования с высокочастотными емкостными разрядами, а также с практическим отсутствием методов управления быстропротекающими процессами этого класса. Здесь уместно пояснить: неравновесная плазма высокочастотного емкостного (ВЧЕ) разряда выгодно отличается от других плазмохимических процессов равномерностью обработки, стабильностью горения разряда, неограниченным ресурсом службы.

Дополнительную сложность управления процессами плазменного модифицирования обусловливает зависимость параметров разряда от времени. В таких условиях управление процессом по заданной временной программе не обеспечивает должной воспроизводимости результатов модифицирования. Еще одним недостатком существующего уровня развития плазменной технологии

является нестабильность приобретенных свойств поверхности -плазмообработанные материалы стареют при дальнейшем хранении на воздухе, и их гидрофильные свойства ухудшаются. Температура поверхности полимерного материала в разряде является весьма критичным параметром, определяющим не только достигнутые в момент выгрузки из реактора свойства поверхности, но и степень их дальнейшей стабильности.

Цель работы. Разработка способа управления и автоматизированной системы управления процессом модифицирования поверхности полимерных материалов в плазме высокочастотного разряда, обеспечивающих ослабление эффекта старения.

Методы исследования. При выполнении работы использовались методы математического моделирования, численного решения дифференциальных уравнений, теории автоматического управления, синтеза автоматизированных систем управления.

В первой главе дан критический анализ состояния вопроса в области исследования и разработки плазмохимических процессов модифицирования полимеров. Отмечается, что инженерные разработки и их практическая реализация сдерживаются из-за недостаточно ясного понимания исследователями механизмов физико-химических процессов, обеспечивающих достигаемый целевой эффект - изменение поверхностных свойств материалов, слабого уровня развития методов диагностики характеристик ВЧЕ разряда, а также неразработанности способов управления плазмохимическими реакторами — сложными в динамическом отношении объектами с распределенными параметрами.

Температура обрабатываемого материала является важнейшим и весьма критичным параметром, оказывающим влияние не только на приобретаемые свойства поверхности полимера, но и на стабильность этих свойств при дальнейшем хранении плазмообработанных пленок. Тем не менее входные параметры процессов модифицирования (мощность разряда, напряженность

электрического поля), обеспечивающие минимизацию эффекта старения, остаются не найденными. Строго говоря, эти параметры и не могут быть найдены, так как не являются фиксированными, а зависят сложным образом от площади поверхности обрабатываемого материала. Температура материала в плазме не поддается непосредственному измерению. В подобных условиях для успешной реализации процесса плазменной обработки необходимо осуществлять непрерывный контроль мгновенной мощности разряда с одновременным вычислением в режиме реального времени температурного поля в материале. При этом важное значение приобретает предварительное исследование влияния температуры поверхности полимера на последующее старение плазмообработанных пленок. Тогда, если требуемая для минимизации эффекта старения температура поверхности будет известна, можно с помощью автоматизированной системы управления осуществить останов процесса в момент достижения материалом критической (оптимальной) температуры.

Во второй главе рассмотрены методы диагностики характеристик ВЧЕ разряда. Разработана методика определения входных параметров процесса -тока и мощности разряда, разрядного напряжения, емкости и толщины приэлектродных слоев пространственного заряда, активного сопротивления плазмы. Предложен способ автоматизированного контроля текущей мощности разряда. Приведены результаты непосредственного измерения установившейся температуры газового разряда в различных режимах.

Показано, что температура газа в разряде достигает значительной величины и не зависит от давления. Температура материала, претерпевающего нагрев от газоразрядной плазмы, может быть найдена расчетным путем.

Третья глава диссертации посвящена исследованию влияния

температуры, приобретаемой модифицируемым полимерным материалом в плазме, на свойства его поверхности. Разработана математическая модель теплового процесса в плазме высокочастотного разряда, рассматривающая плазмохимический реактор с материалом как многослойную систему

«приэлектродный слой — разрядный промежуток - полимерная пленка -разрядный промежуток - приэлектродный слой». Рассчитано температурное поле в плазме ВЧЕ разряда в нестационарном процессе модифицирования поверхности полимерных материалов. Экспериментальным и расчетным путем исследовано влияние температуры, приобретаемой обрабатываемым материалом в плазме, на свойства его поверхности и последующую их стабильность при хранении плазмообработанных пленок. В качестве объектов исследования использовались пленки полиэтилена высокого давления, поливинилхлорида и политетрафторэтилена - широко распространенного электретного материала. Показано существенное улучшение адгезионных свойств поверхности всех исследованных материалов. Дополнительно установлено, что обработка политетрафторэтилена в плазме ВЧЕ разряда значительно увеличивает устойчивость положительного гомозаряда электрета.

Четвертая глава посвящена разработке и исследованию автоматизированных систем управления процессом плазменного модифицирования поверхности полимеров. Рассмотрены две автоматизированные системы управления. Обе реализуют предложенный и рассмотренный в главе способ управления, основанный на автоматическом определении момента окончания стадии или процесса по достижении поверхностью материала критической (оптимальной) температуры. Автоматизированная система управления двухстадийным процессом плазменного модифицирования поверхности полимерных материалов осуществляет переключение реактора из стадии в стадию по значениям достигнутой критической температуры поверхности материала, рассчитываемой в режиме реального времени. Дана оценка эффективности разработанных АСУ. Показано, что применение АСУ обеспечивает существенное ослабление старения плазмообработанных пленок.

Научная новизна. Разработана математическая модель нагрева газа и материала в нестационарном процессе модифицирования поверхности

полимеров в плазме высокочастотного газового разряда пониженного давления. Модель рассматривает плазмохимический реактор как многослойную систему «приэлектродный слой - разрядный промежуток - полимерная пленка -разрядный промежуток - приэлектродный слой» и позволяет рассчитать распределение температуры в незаполненном и заполненном материалом разрядном промежутке в произвольный момент времени.

Разработана методика диагностики характеристик ВЧЕ разряда, предусматривающая автоматизированный контроль мгновенной активной мощности разряда с помощью экстремальной системы регулирования. Показано, что плазмохимический реактор с полимерной пленкой представляет собой сложный в динамическом отношении объект управления, у которого ток и мощность разряда меняются со временем, а время установления этих параметров сравнимо с продолжительностью процесса модифицирования.

Для процесса плазменного модифицирования полиэтилена, поливинилхлорида и политетрафторэтилена определены критические температуры поверхности, обеспечивающие минимизацию эффекта старения плазмообработанных пленок.

Разработан способ управления процессом плазменного модифицирования поверхности полимерных материалов, предусматривающий автоматическое определение момента окончания процесса или его стадии по достигнутой критической температуре материала, определяющей стабильность приобретенных свойств поверхности. Показано, что управление процессом плазменного модифицирования предложенным способом и его реализация с помощью разработанных АСУ обеспечивают устойчивость свойств поверхности плазмообработанных полимерных пленок.

Разработаны алгоритмы и структуры двух автоматизированных систем управления, реализующих одностадийный и двухстадийный (первая стадия - в атмосфере водяного пара, вторая стадия - в атмосфере остаточного воздуха) процессы плазменного модифицирования поверхности полимеров.

Автоматизированная система управления двухстадийным процессом плазменного модифицирования формирует сигнал мгновенной активной мощности разряда и осуществляет функции переключения реактора из стадии в стадию и отключение разряда по значениям достигнутой критической температуры поверхности полимера, рассчитываемой в режиме реального времени.

Практическая ценность. Практическую значимость работы представляют:

- зависимости температуры газового разряда и температуры поверхности полимера от активной мощности разряда;

- использование температуры полимера в плазме как показателя оценки качества свойств поверхности плазмообработанных материалов;

- способ управления процессом модифицирования поверхности полимерных материалов, обеспечивающий устойчивость свойств поверхности плазмобработанных полимерных пленок;

- алгоритмы и структурные схемы автоматизированных систем управления процессами модифицирования поверхности полимерных материалов в плазме высокочастотного газового разряда.

Положения, выносимые на защиту:

- математическая модель нагрева газа и материала в процессе модифицирования поверхности полимеров в плазме высокочастотного разряда пониженного давления, позволяющая рассчитать распределение температуры в разрядном промежутке в произвольный момент времени;

- способ управления процессом модифицирования поверхности полимерных материалов в плазме высокочастотного разряда, предусматривающий автоматическое определение момента окончания процесса или его стадии по достигнутой критической температуре материала, определяющей стабильность приобретенных свойств поверхности;

- алгоритмы и структуры АСУ, реализующих одностадийный и двухстадийный процессы плазменного модифицирования поверхности полимеров, предусматривающие автоматическое формирование сигнала мгновенной мощности разряда и расчет температурного поля в материале в режиме реального времени.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов подтверждается согласием теоретических и экспериментальных данных (температура пленки в плазме).

Отдельные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на международной конференции «Ресурсосбережение в химической технологии». - Санкт-Петербург, 30-31 мая 2012 г. - Санкт-Петербургский государственный технологи�