Polyester fabric modified with atmospheric dielectric barrier discharge supplied with voltage of different frequencies
Final characteristics of polymers are the compromise between wanted surface and bulk properties. Important change of the polymer use-value can be caused by modification of characteristics of its upper structural units (i.e. in region under the surface deep some tens of nanometers). These changes – a...
Gespeichert in:
| Datum: | 2010 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | English |
| Veröffentlicht: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2010
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17500 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Polyester fabric modified with atmospheric dielectric barrier discharge supplied with voltage of different frequencies / J. Píchal, J. Sláma // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 6. — С. 188-190. — Бібліогр.: 4 назв. — англ. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-17500 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Píchal, J. Sláma, J. 2011-02-26T23:11:40Z 2011-02-26T23:11:40Z 2010 Polyester fabric modified with atmospheric dielectric barrier discharge supplied with voltage of different frequencies / J. Píchal, J. Sláma // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 6. — С. 188-190. — Бібліогр.: 4 назв. — англ. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17500 Final characteristics of polymers are the compromise between wanted surface and bulk properties. Important change of the polymer use-value can be caused by modification of characteristics of its upper structural units (i.e. in region under the surface deep some tens of nanometers). These changes – and modification – can be performed i. a. by treatment with the “cold” plasma and moreover with low costs and minimum environmental impact. Modification of polymer surface characteristics may proceed during functionalization, when plasma particles react with polymer surface molecules and new chemical functional groups are formed on polymer surface. These chemical reactions can be influenced with composition of atmosphere in the plasma reactor, e.g. application of oxygen plasma leads to polymer surface energy and wettability increase. To evaluate the efficiency of this process, we studied connection of the ADBD supply energy/voltage frequency and changes of the polymer surface chemical composition. ADBD was operated in the filamentary regime. Experiments proved that growing supply voltage frequency that produced also reactor input energy increase allowed both substantial reduction of treatment time and more effective modification. Конечные свойства полимеров являются компромиссом между желаемыми поверхностными и глубинными характеристиками. Существенное изменение потребительских свойств полимеров может быть вызвано модификацией характеристик его приповерхностных структурных слоев (т.е. на глубине нескольких десятков нанометров поверхностного слоя). Такая модификация может быть реализована с помощью облучения «холодной» плазмой без дополнительных затрат и минимального влияния на окружающую среду. Модификация поверхностных характеристик полимера может происходить во время обработки, когда компоненты плазмы взаимодействуют с молекулами поверхности полимера, при этом на поверхности полимера образуются новые химические группы. Эти химические реакции могут зависеть от состава газа в плазменном реакторе. Например, применение кислородной плазмы приводит к увеличению прочности поверхности полимера и ее смачиваемости. Чтобы оценить эффективность данного процесса, изучалась зависимость изменения химического состава поверхности полимера от параметров атмосферного диэлектрического газового разряда (ADBD). Эксперименты подтвердили, что увеличение питающей частоты разряда, а также входной энергии реактора приводит к существенному сокращению времени облучения и более эффективной модификации. Кінцеві властивості полімерів є компромісом між бажаними поверхневими і глибинними характеристиками. Істотна зміна споживчих властивостей полімерів може бути викликана модифікацією характеристик його приповерхневих структурних шарів (тобто на глибині декількох десятків нанометрів поверхневого шару). Така модифікація може бути реалізована за допомогою опромінення «холодною» плазмою без додаткових витрат і мінімального впливу на навколишнє середовище. Модифікація поверхневих характеристик полімеру може відбуватися під час обробки, коли компоненти плазми взаємодіють з молекулами поверхні полімеру, при цьому на поверхні полімеру утворюються нові хімічні групи. Ці хімічні реакції можуть залежати від складу газу в плазмовому реакторі. Наприклад, застосування кисневої плазми призводить до збільшення міцності поверхні полімеру і її змочуваності. Щоб оцінити ефективність даного процесу, вивчалася залежність зміни хімічного складу поверхні полімеру від параметрів атмосферного діелектричного газового розряду (ADBD). Експерименти підтвердили, що збільшення живильної частоти розряду, а також вхідної енергії реактора призводить до істотного скорочення часу опромінення і більш ефективної модифікації. en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Низкотемпературная плазма и плазменные технологии Polyester fabric modified with atmospheric dielectric barrier discharge supplied with voltage of different frequencies Модификация полимерного материала атмосферным диэлектрическим барьерным разрядом различной питающей частоты Модифікація полімерного матеріалу атмосферним діелектричним бар'єрним розрядом різної живильної частоти Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Polyester fabric modified with atmospheric dielectric barrier discharge supplied with voltage of different frequencies |
| spellingShingle |
Polyester fabric modified with atmospheric dielectric barrier discharge supplied with voltage of different frequencies Píchal, J. Sláma, J. Низкотемпературная плазма и плазменные технологии |
| title_short |
Polyester fabric modified with atmospheric dielectric barrier discharge supplied with voltage of different frequencies |
| title_full |
Polyester fabric modified with atmospheric dielectric barrier discharge supplied with voltage of different frequencies |
| title_fullStr |
Polyester fabric modified with atmospheric dielectric barrier discharge supplied with voltage of different frequencies |
| title_full_unstemmed |
Polyester fabric modified with atmospheric dielectric barrier discharge supplied with voltage of different frequencies |
| title_sort |
polyester fabric modified with atmospheric dielectric barrier discharge supplied with voltage of different frequencies |
| author |
Píchal, J. Sláma, J. |
| author_facet |
Píchal, J. Sláma, J. |
| topic |
Низкотемпературная плазма и плазменные технологии |
| topic_facet |
Низкотемпературная плазма и плазменные технологии |
| publishDate |
2010 |
| language |
English |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Модификация полимерного материала атмосферным диэлектрическим барьерным разрядом различной питающей частоты Модифікація полімерного матеріалу атмосферним діелектричним бар'єрним розрядом різної живильної частоти |
| description |
Final characteristics of polymers are the compromise between wanted surface and bulk properties. Important change of the polymer use-value can be caused by modification of characteristics of its upper structural units (i.e. in region under the surface deep some tens of nanometers). These changes – and modification – can be performed i. a. by treatment with the “cold” plasma and moreover with low costs and minimum environmental impact. Modification of polymer surface characteristics may proceed during functionalization, when plasma particles react with polymer surface molecules and new chemical functional groups are formed on polymer surface. These chemical reactions can be influenced with composition of atmosphere in the plasma reactor, e.g. application of oxygen plasma leads to polymer surface energy and wettability increase. To evaluate the efficiency of this process, we studied connection of the ADBD supply energy/voltage frequency and changes of the polymer surface chemical composition. ADBD was operated in the filamentary regime. Experiments proved that growing supply voltage frequency that produced also reactor input energy increase allowed both substantial reduction of treatment time and more effective modification.
Конечные свойства полимеров являются компромиссом между желаемыми поверхностными и глубинными характеристиками. Существенное изменение потребительских свойств полимеров может быть вызвано модификацией характеристик его приповерхностных структурных слоев (т.е. на глубине нескольких десятков нанометров поверхностного слоя). Такая модификация может быть реализована с помощью облучения «холодной» плазмой без дополнительных затрат и минимального влияния на окружающую среду. Модификация поверхностных характеристик полимера может происходить во время обработки, когда компоненты плазмы взаимодействуют с молекулами поверхности полимера, при этом на поверхности полимера образуются новые химические группы. Эти химические реакции могут зависеть от состава газа в плазменном реакторе. Например, применение кислородной плазмы приводит к увеличению прочности поверхности полимера и ее смачиваемости. Чтобы оценить эффективность данного процесса, изучалась зависимость изменения химического состава поверхности полимера от параметров атмосферного диэлектрического газового разряда (ADBD). Эксперименты подтвердили, что увеличение питающей частоты разряда, а также входной энергии реактора приводит к существенному сокращению времени облучения и более эффективной модификации.
Кінцеві властивості полімерів є компромісом між бажаними поверхневими і глибинними характеристиками. Істотна зміна споживчих властивостей полімерів може бути викликана модифікацією характеристик його приповерхневих структурних шарів (тобто на глибині декількох десятків нанометрів поверхневого шару). Така модифікація може бути реалізована за допомогою опромінення «холодною» плазмою без додаткових витрат і мінімального впливу на навколишнє середовище. Модифікація поверхневих характеристик полімеру може відбуватися під час обробки, коли компоненти плазми взаємодіють з молекулами поверхні полімеру, при цьому на поверхні полімеру утворюються нові хімічні групи. Ці хімічні реакції можуть залежати від складу газу в плазмовому реакторі. Наприклад, застосування кисневої плазми призводить до збільшення міцності поверхні полімеру і її змочуваності. Щоб оцінити ефективність даного процесу, вивчалася залежність зміни хімічного складу поверхні полімеру від параметрів атмосферного діелектричного газового розряду (ADBD). Експерименти підтвердили, що збільшення живильної частоти розряду, а також вхідної енергії реактора призводить до істотного скорочення часу опромінення і більш ефективної модифікації.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17500 |
| citation_txt |
Polyester fabric modified with atmospheric dielectric barrier discharge supplied with voltage of different frequencies / J. Píchal, J. Sláma // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 6. — С. 188-190. — Бібліогр.: 4 назв. — англ. |
| work_keys_str_mv |
AT pichalj polyesterfabricmodifiedwithatmosphericdielectricbarrierdischargesuppliedwithvoltageofdifferentfrequencies AT slamaj polyesterfabricmodifiedwithatmosphericdielectricbarrierdischargesuppliedwithvoltageofdifferentfrequencies AT pichalj modifikaciâpolimernogomaterialaatmosfernymdiélektričeskimbarʹernymrazrâdomrazličnoipitaûŝeičastoty AT slamaj modifikaciâpolimernogomaterialaatmosfernymdiélektričeskimbarʹernymrazrâdomrazličnoipitaûŝeičastoty AT pichalj modifíkacíâpolímernogomateríaluatmosfernimdíelektričnimbarêrnimrozrâdomríznoíživilʹnoíčastoti AT slamaj modifíkacíâpolímernogomateríaluatmosfernimdíelektričnimbarêrnimrozrâdomríznoíživilʹnoíčastoti |
| first_indexed |
2025-11-27T04:49:46Z |
| last_indexed |
2025-11-27T04:49:46Z |
| _version_ |
1850800732716924928 |
| fulltext |
188 PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2010. № 6.
Series: Plasma Physics (16), p. 188-190.
POLYESTER FABRIC MODIFIED WITH ATMOSPHERIC DIELECTRIC
BARRIER DISCHARGE SUPPLIED WITH VOLTAGE
OF DIFFERENT FREQUENCIES
J. Píchal1,2, J. Sláma1
1Czech Technical University in Prague, Faculty of Electrical Engineering,
Department of Physics, Technická 2, 166 27 Prague, Czech Republic;
2Technical University of Liberec, Studentská 2, 461 17 Liberec, Czech Republic
E-mail: pichal@fel.cvut.cz
Final characteristics of polymers are the compromise between wanted surface and bulk properties. Important change
of the polymer use-value can be caused by modification of characteristics of its upper structural units (i.e. in region
under the surface deep some tens of nanometers). These changes – and modification – can be performed i. a. by
treatment with the “cold” plasma and moreover with low costs and minimum environmental impact. Modification of
polymer surface characteristics may proceed during functionalization, when plasma particles react with polymer surface
molecules and new chemical functional groups are formed on polymer surface. These chemical reactions can be
influenced with composition of atmosphere in the plasma reactor, e.g. application of oxygen plasma leads to polymer
surface energy and wettability increase. To evaluate the efficiency of this process, we studied connection of the ADBD
supply energy/voltage frequency and changes of the polymer surface chemical composition. ADBD was operated in the
filamentary regime. Experiments proved that growing supply voltage frequency that produced also reactor input energy
increase allowed both substantial reduction of treatment time and more effective modification.
PACS: 52.40.Hf , 52.77.-j , 81.65.-b
1. INTRODUCTION
Polymer surface properties like wettability and
adhesion can be modified without changing polymer bulk
properties by use of methods employing low temperature
(“cold”) plasma treatment. For survey of these methods
see e.g. [1].
Probably the easiest way to get the low temperature
plasma at atmospheric pressure is the application of an
atmospheric dielectric barrier discharge (ADBD).
ADBDs have proven to be applicable to various purposes;
in addition they are also scalable to very large systems.
The goal of in this paper described experiments is study
of connection between the discharge supply
energy/voltage frequency and changes of functional
groups at polyester fabric surface caused by modification.
2. EXPERIMENTAL
For experiments polyester fabric was used. Tested
fabric was cut in pieces 100×100 mm (fibre average
sectional diameter about 300 µm, mesh size
about 250×250 µm, textile thickness about 0.5 mm).
Before modification all test samples were properly
cleaned.
Experimental reactor (Fig. 1) consisted of two plane
iron electrodes put into open cylindrical vessel
(diameter 153 mm, height 146 mm). Both flat round
electrodes were 45 mm in diameter and 10 mm thick.
The barrier composed 83×83 mm and 3 mm thick glass
table stuck to the higher placed electrode. Distance
between electrodes was adjustable and during
all experiments was held at 9 mm. All tests were
performed with samples placed on the lower electrode
connected to the ground during all experiments.
Tests were carried out in air at room conditions
(pressure about 1.00791 bar (756 Torr), temperature about
20 ºC and humidity about 30%. To hold the composition
of the atmosphere (air) in reactor constant during
the measurements, air from the reactor was continually
exhausted with a compressor (air flow speed 0.04 m3s-1).
ADBD was supplied either at [14.7 kV, 50 Hz,
modification time 360 s, reactor input energy about
0.5 W] or [11.5 kV, 2.5 kHz, modification time 30 s,
reactor input energy about 40 W]. Supply voltage values
were chosen to be maximum permissible values in regard
to supply voltage source characteristics and risk of ADBD
transition to spark or arc discharge. ADBD was operated
in the filamentary regime. Hydrophilicity was evaluated
by means of the drop test [2].
Fig. 1. Cross-section of the reactor
Chemical composition of the fabric surface was
analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)
performed with Omicron Nanotechnology system
incorporating Al Kα radiation (hν = 1486.7 eV) and
operating at 15 kV, 5.2 mA. The pressure in the chamber
was maintained at 2×10-10 mbar. Spectra were acquired at
the take-off angle of 85° relatively to the sample surface
and all binding energies were given in reference to carbon
line (C1s) at 285 eV.
189
3. RESULTS
Modification effectivity and aging
Modification effectivity (i.e. wettability changes) is
expressed by means of the area of feathering time
evolution (Fig. 2). Tests were performed after
modification and on the 3rd, 7th and 20th day after
treatment. Sorption of modified PES fabric had improved
and hydrophilicity of all samples expressed by the area of
feathering time evolution had increased. Use of supply
voltage of higher frequency (2.5 kHz) reflected in
important increase of reactor input energy and it had also
manifested in rise of modification effectivity (about
100%) in comparison with the 50 Hz supply voltage.
Modification effect time stability and reduction
(aging), i.e. stability of acquired surface changes is an
important aspect for practical application of plasma
methods. Aging process of DBD treated polyester fabric
surface consists in its hydrophilicity reduction and
recovery of textile hydrophobicity, both in times after
treatment, due to transformation of created hydrophilous
functional groups on the surface of fabric. Transformation
is caused by chemical reactions of appropriate functional
groups with air components. During aging backwards
changes of dipoles orientation into their primary position
might be also expected. Speed of these changes can be
connected with characteristics of the surrounding, e.g.
moisture content in air (higher moisture content in air is
connected with faster reduction of the hydrophilicity
degree).
Fig. 2. Hydrophilicity of the fabric expressed by the area
of feathering time evolution
We tested the modification effect time stability by
measurements of hydrophilicity changes expressed by
means of the wetting area time evolution in different
times after modification (see Fig. 2). Modified fibres were
stocked in darkness in air at atmospheric pressure and
room temperature between tests. In case of 50 Hz voltage
supply frequency hydrophilicity remained almost stable in
the first twenty days after treatment. In case of 2.5 kHz
voltage supply the recovery of hydrophobicity started to
proceed immediately; hydrophilicity reduction was about
25% after 6 days and about 40% after 20 days.
Chemical analysis
The decrease of water-absorption time can be attributed to
increased roughness of the fiber surfaces due to plasma
etching and introduction of more polar groups due to
plasma chemical modification. To ascertain polyester
fabric chemical changes caused by modification, we
provided ESCA tests. Results of ESCA tests of untreated
and treated fabric are summarized in Tables 1 and 2.
Table 1. Relative chemical composition
and atomic ratios determined by ESCA tests
Sample C [%] O [%] O/C
2.5 kHz; 11.5 kV;
30 s
64.98 33.63 0.517466
50 Hz; 14.7 kV;
360 s
65.02 34.02 0.523163
unmodified 75.01 24.15 0.321974
Table 2. Atomic percentage
of the different chemical groups on polyester fabric
Sample C-C,
H
C-
charged
C-O C=
O
C=O,
OH
2.5kHz;
11,5 kV; 30 s
46.40 26.01 17.79 9.81 0
50 Hz;
14.7 kV;
360 s
66.48 11.19 14.74 7.59 0
unmodified 75.83 11.21 7.39 5.57 0
After modification the O/C value has increased
1.62 times in case of 50 Hz voltage supply and 1.61 times
in case of 2.5 kHz voltage supply. These values are lower
than those referred in [3], obtained by modification with
the atmospheric pressure plasma jet (APPJ). It is obvious
that rise of supply voltage frequency (and reactor input
power) allows significant reduction of treatment time.
ESCA scans proved increase of number of methylene
carbons singly bonded to oxygen. The carbon radicals,
formed by the abstraction of hydrogen atoms from the
polymer chains recombine with oxygen atoms generated
by the electron impact dissociation [4]. This process
results in formation of the oxygen-containing polar
groups on the fabric surface.
4. SUMMARY
We studied connection of the atmospheric dielectric
barrier discharge (ADBD) supply energy/voltage
frequency (50 Hz and 2.5 kHz respectively) and changes
of the polymer surface chemical composition during
functionalization, when plasma particles react with
polymer surface molecules and new chemical functional
groups are formed on polymer surface. ADBD was
operated in air at room conditions in the filamentary
regime. Effectivity of the modification process was
determined with hydrophilicity measurements and ESCA
scans.
190
Test indicated, that growing supply voltage frequency
(and coexistent reactor input energy increase) allowed
substantial reduction of treatment time. In case of 50 Hz
voltage supply frequency hydrophilicity remained almost
stable in the first twenty days after treatment. In case of
2.5 kHz voltage supply the recovery of hydrophobicity
started to proceed immediately; about hydrophilicity
reduction was about 25% after 6 days and 40% after 20
days.
ACKNOWLEDGEMENTS
This research has been supported by the Czech
Technical University in Prague grant
No. SGS10/266/OHK3/3T/13.
REFERENCES
1. N. De Geyter, et al.// Surface and Coatings
Technology. 2008, v. 202, p. 3000–3010.
2. J. Píchal, Y. Klenko // The European Physical
Journal D. 2009, v. 54, N 2, p. 271-279.
3. C.X. Wang, Y. Liu, H.L. Xu, Y. Ren, Y.P. Qiu //
Applied Surface Science. 2008, v. 254, p. 2499.
4. F. Ferrero, et al.// Polymer testing. 2003, v. 22(5),
p. 571.
Article received 13.09.10
МОДИФИКАЦИЯ ПОЛИМЕРНОГО МАТЕРИАЛА АТМОСФЕРНЫМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМ
БАРЬЕРНЫМ РАЗРЯДОМ РАЗЛИЧНОЙ ПИТАЮЩЕЙ ЧАСТОТЫ
J. Píchal, J. Sláma
Конечные свойства полимеров являются компромиссом между желаемыми поверхностными и глубинными
характеристиками. Существенное изменение потребительских свойств полимеров может быть вызвано
модификацией характеристик его приповерхностных структурных слоев (т.е. на глубине нескольких десятков
нанометров поверхностного слоя). Такая модификация может быть реализована с помощью облучения
«холодной» плазмой без дополнительных затрат и минимального влияния на окружающую среду.
Модификация поверхностных характеристик полимера может происходить во время обработки, когда
компоненты плазмы взаимодействуют с молекулами поверхности полимера, при этом на поверхности полимера
образуются новые химические группы. Эти химические реакции могут зависеть от состава газа в плазменном
реакторе. Например, применение кислородной плазмы приводит к увеличению прочности поверхности
полимера и ее смачиваемости. Чтобы оценить эффективность данного процесса, изучалась зависимость
изменения химического состава поверхности полимера от параметров атмосферного диэлектрического газового
разряда (ADBD). Эксперименты подтвердили, что увеличение питающей частоты разряда, а также входной
энергии реактора приводит к существенному сокращению времени облучения и более эффективной
модификации.
МОДИФІКАЦІЯ ПОЛІМЕРНОГО МАТЕРІАЛУ АТМОСФЕРНИМ ДІЕЛЕКТРИЧНИМ БАР'ЄРНИМ
РОЗРЯДОМ РІЗНОЇ ЖИВИЛЬНОЇ ЧАСТОТИ
J. Píchal, J. Sláma
Кінцеві властивості полімерів є компромісом між бажаними поверхневими і глибинними характеристиками.
Істотна зміна споживчих властивостей полімерів може бути викликана модифікацією характеристик його
приповерхневих структурних шарів (тобто на глибині декількох десятків нанометрів поверхневого шару). Така
модифікація може бути реалізована за допомогою опромінення «холодною» плазмою без додаткових витрат і
мінімального впливу на навколишнє середовище. Модифікація поверхневих характеристик полімеру може
відбуватися під час обробки, коли компоненти плазми взаємодіють з молекулами поверхні полімеру, при цьому
на поверхні полімеру утворюються нові хімічні групи. Ці хімічні реакції можуть залежати від складу газу в
плазмовому реакторі. Наприклад, застосування кисневої плазми призводить до збільшення міцності поверхні
полімеру і її змочуваності. Щоб оцінити ефективність даного процесу, вивчалася залежність зміни хімічного
складу поверхні полімеру від параметрів атмосферного діелектричного газового розряду (ADBD).
Експерименти підтвердили, що збільшення живильної частоти розряду, а також вхідної енергії реактора
призводить до істотного скорочення часу опромінення і більш ефективної модифікації.
|