CC BY
47
УДК 677:533.9
И. Ш. Абдуллин, Э. Ф. Вознесенский, И. В. Красина,
А. Ю. Иванников, М. А. Вельбой
ЧИСЛЕННАЯ МОДЕЛЬ МОДИФИКАЦИИ РЕЛЬЕФА КУТИКУЛЫ ВОЛОСА ПОД ДЕЙСТВИЕМ
СФОКУСИРОВАННОГО НИЗКОЭНЕРГЕТИЧНОГО ИОННОГО ПОТОКА
Ключевые слова: шерсть, микроструктура, ВЧплазма, модификация, модель, кутикула, травление, рельеф.
Предложена двумерная модель изменения рельефа кутикулы шерстяного волокна под действием сфокусированного низкоэнергетичного ионного потока в низкотемпературной плазме высокочастотного разряда. Проведено несколько циклов моделирования, при каждом происходило изменение геометрии мишени, изменяющийся рельеф приводил к новому распределению электростатических сил.
Keywords: wool, microstructure, RF-plasma, modification, model, cuticula, etching, relief.
The two-dimensional model of change of a relief of a woollen fibre cuticula under the influence offocused low-energy ionic stream in low-temperature plasma of radio-frequency discharge is offered. Some cycles of modelling are spent, at everyone there was a change of geometry of the target, the changing relief led to new distribution of electrostatic forces.
В работах [1-4] экспериментально установлены эффекты модификации волокон натуральной шерсти и волосяного покрова меха при обработке в условиях плазмы высокочастотного разряда пониженного давления. Модификация поверхности кутикулы и внутреннего коркового слоя способствует комплексному изменению свойств волокон. Установлены пять характерных режимов, вызывающих в материале существенные изменения, табл. 1. Показано, что модификация поверхности волокон связана с травлением поверхностных слоев, фокусирующимся в области рельефа низкоэнергетичным ионным потоком.
Таблица 1 - Параметры плазменной обработки при модификации натурального кератинсодержащего материала (энергия рекомбинации (2п) составляет для используемого аргона составляет 15,76 эВ)
Параметры разряда Режим
I II III IV V
Е-, -Ч ^ Я я II ^ Н СП ^ a, Cj И ^ 1 н" ^ -У ~ m Я ^2 о" ^ 1 н" 'L ^ ^ 1 Пт ^2 о" ^ 1 н" 'L ^ ^ 1 II т ^2i k" i i ° Н" \ <N ^ 1 Пт ^2 о"
Кинетическая энергия ионов (ОХ эВ 69 71 75 92 100
Плотность ионного тока (Л А/м2 0,37 0,38 0,40 0,56 0,7
Время обработки (т), с 180 300 300 300 1200
Для приближенной оценки изменения рельефа кутикулы волосяного покрова под действием сфокусированного ионного потока предложена численная модель, содержащая следующие допущения:
- ионный поток моделируется совокупностью отдельных детерминированных частиц;
- с целью упрощения для качественной оценки процесса рассмотрен двумерный случай;
- плотность ионного потока составляла
4 мкм-2;
- значения кинетической энергии ионов принимались постоянными - 90 эВ, потенциальная энергия рекомбинации - 15,76 эВ;
- продолжительность эксперимента определялась количеством циклов исполнения модели; исследовано 60 циклов, что сопоставлено с 10 мин НТП обработки; таким образом, 1 цикл модели описывает 30-1010 периодов столкновений частиц с поверхностью.
Для моделирования изменений геометрии кутикулы волоса при травлении низкоэнергетичным ионным потоком построена двумерная модель профиля кутикулы. На модели мишени задавался равномерно распределенный отрицательный заряд с плотностью 25 е-1-мкм-2. Траектории ионов определялись исходя из суперпозиции электростатических сил мишени. Стартовые положения ионов задавались на расстоянии 70 мкм от мишени, что соответствует значениям толщины двойного слоя.
Траектории низкоэнергетичного ионного потока фокусируются в области выступов мишени (рис. 1), что ранее подтверждено на основе пространственной модели [5].
90 100 ПО 120 130 140 150 160 170
Рис. 1 - Траектории низкоэнергетичного ионного потока вблизи мишени (двумерная модель)
Для установления динамических изменений кутикулы волоса при низкоэнергетичном ионном травлении на мишени фиксируются деформации поверхности при каждом столкновении; в качестве элементарной деформации принято снижение рельефа на
0,05 мкм на площади 0,25 мкм2. Проведено 60 циклов моделирования, при каждом происходило изменение геометрии мишени, изменяющийся рельеф мишени приводил к новому распределению электростатических сил. Результаты моделирования приведены на рис. 2, зафиксированы изменения при 12, 24, 36, 48, 60-м циклах исполнения модели, что сопоставлено с поверхностными изменениями материала в режимах с I по V (см. табл. 1).
Результаты численного исследования (рис. 2) свидетельствуют о том, что травление поверхности фокусирующимся низкоэнергетичным потоком ионов приводит к сглаживанию рельефа кутикулы. При 60-ти кратном исполнении модели показано удаление 12 мкм материала поверхности модели, что соответствует V режиму модификации, при этом рельефность сократилась в ~2 раза.
1 IS 130 I2S 130 I3S
б
Рис. 2 - Результаты моделирования изменения рельефа кутикулы волоса при низкоэнергетичном ионном травлении (значения осей в мкм)
Полученные результаты свидетельствуют о снижении рельефности кутикулы в 2 раза, однако абсолютного сглаживания рельефа, даже при использовании V режима (режим деструкции), не наблюдается вплоть до полного удаления кутикулы.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по соглашению 14.В37.21.2061 от 14 ноября 2012г.
Литература
1. Абдуллин, И.Ш. Модификация поверхности волокон шерсти в низкотемпературной плазме ВЧ разряда / И.Ш. Абдуллин и др. // Известия высших учебных заведений. Технология легкой промышленности. - 2010. -№ 2. - С. 11-14.
2. Вознесенский, Э.Ф. Исследование эффектов ВЧ-
плазменной модификации волосяного покрова меха методом СЗМ-микроскопии / Э.Ф. Вознесенский,
Ф.С. Шарифуллин, И.Ш. Абдуллин, В.С. Желтухин,
И.В. Красина // Вестник Казанского технологического университета. - 2011, № 15. - С. 328-331.
3. Вознесенский, Э.Ф. Структурные аспекты модификации натурального кератинсодержащего материала в плазме ВЧ-разряда пониженного давления / Э.Ф. Вознесенский, Ф.С. Шарифуллин, И.В. Красина, И.Ш. Абдуллин // Вестник Казанского технологического университета. -2009, № 5. - С. 426-429.
4. Вознесенский, Э. Ф. Теоретические основы структурной
модификации материалов кожевенно-меховой промышленности в плазме высокочастотного разряда пониженного давления / Э. Ф. Вознесенский,
Ф.С. Шарифуллин, И.Ш. Абдуллин. - Казань: Изд-во
Казан. гос. технол. ун-та, 2011. - 364 с.
5. Voznesensky, E. The numerical model of distribution of low-energetic ion stream on a surface of woolen fibers during modification in the radiofrequency gas discharge / E. Voznesensky, L. Dzhanbekova, I. Abdullin // the 14th annual conference of the Israel Plasma Science and Technology Association (IPSTA). Israel. - 2012. - P. 42.
© И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, [email protected]; Э. Ф. Вознесенский - д-р техн. наук, доц. той же кафедры; И. В. Красина - д-р техн. наук, зав. каф. технологии химических, натуральных волокон и изделий КНИТУ, [email protected]; А. Ю. Иванников - канд. техн. наук, ст. науч. сотр. Ин-та металлургии и материаловедения им. Байкова РАН; М. А. Вельбой - магистр Ивановского госуд. химико-технол. ун-та.
