Application of atmospheric dielectric barrier discharge plasma for polyethylene powder modification
Paper refers about a novel plasma reactor exploiting the dielectric barrier discharge (DBD) burning in air at atmospheric pressure by ambient temperature and its usability tests. Test modifications were performed with the high density polyethylene powder Borealis CB 9155-01. Modification effect wa...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Дата: | 2006 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | English |
| Опубліковано: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2006
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/82291 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Application of atmospheric dielectric barrier discharge plasma for polyethylene powder modification / J. Píchal, J. Hladík, P. Špatenka, L. Aubrecht // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 6. — С. 192-194. — Бібліогр.: 3 назв. — англ. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-82291 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Píchal, J. Hladík, J. Špatenka, P. Aubrecht, L. 2015-05-27T14:44:04Z 2015-05-27T14:44:04Z 2006 Application of atmospheric dielectric barrier discharge plasma for polyethylene powder modification / J. Píchal, J. Hladík, P. Špatenka, L. Aubrecht // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 6. — С. 192-194. — Бібліогр.: 3 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 52.80. –s https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/82291 Paper refers about a novel plasma reactor exploiting the dielectric barrier discharge (DBD) burning in air at atmospheric pressure by ambient temperature and its usability tests. Test modifications were performed with the high density polyethylene powder Borealis CB 9155-01. Modification effect was evaluated by means of dynamic capillarity rising measurements. Tests proved significant powder capillarity changes. The existence of powder surface changes was also confirmed by ESCA tests. Modification aging effect was remarkably small, hence modification effect is very time stable. In comparison with other in literature described apparatuses used for this purpose the plasma reactor is of a simple construction and needs no vacuum equipment. Its operation costs are low. Described plasma modification method seems to be an appropriate method for plasma modification of polyethylene powder on the industrial scale. Описан новый плазменный реактор, в котором используется диэлектрический барьерный разряд в воздухе комнатной температуры при атмосферном давлении, и результаты его испытаний. Проверка эффективности реактора была проведена с полиэтиленовым порошком большой плотности типа Borealis CB 9155-01. Эффект модификации оценивался с помощью измерений динамики роста капиллярности. Испытания показали значительные изменения капиллярности порошка. Наличие изменений поверхности порошка было подтверждено данными измерений с помощью метода ESCA. Влияние на скорость старения оказалось необыкновенно слабым, т.е., эффект модификации является стабильным во времени. По сравнению с используемыми для этой цели устройствами, описанными в литературе, предлагаемый плазменный реактор имеет простую конструкцию и не нуждается в вакуумном оборудовании. У него – низкие эксплуатационные расходы. Описанный метод плазменной модификации представляется подходящим для использования плазменной модификации полиэтиленового порошка в промышленных масштабах. Описано новий плазмовий реактор, у якому використовується діелектричний бар'єрний розряд у повітрі кімнатної температури при атмосферному тиску, і результати його іспитів. Перевірка ефективності реактора була проведена з поліетиленовим порошком великої щільності типу Borealis CB 9155-01. Ефект модифікації оцінювався за допомогою вимірів динаміки росту капілярності. Іспити показали значні зміни капілярності порошку. Наявність змін поверхні порошку було підтверджено даними вимірів за допомогою методу ESCA. Вплив на швидкість старіння виявився незвичайно слабким, тобто, ефект модифікації є стабільним у часі. У порівнянні з використовуваними для цієї мети пристроями, описаними в літературі, пропонований плазмовий реактор має просту конструкцію і не має потреби у вакуумному устаткуванні. У нього – низькі експлуатаційні витрати. Описаний метод плазмової модифікації представляється підходящим для використання плазмової модифікації поліетиленового порошку в промислових масштабах. This project was supported by projects of the MSMT 1M0577 en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Low temperature plasma and plasma technologies Application of atmospheric dielectric barrier discharge plasma for polyethylene powder modification Применение плазмы диэлектрического барьерного разряда при атмосферном давлении для модификации полиэтиленового порошка Застосування плазми діелектричного бар'єрного розряду при атмосферному тиску для модифікації поліетиленового порошку Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Application of atmospheric dielectric barrier discharge plasma for polyethylene powder modification |
| spellingShingle |
Application of atmospheric dielectric barrier discharge plasma for polyethylene powder modification Píchal, J. Hladík, J. Špatenka, P. Aubrecht, L. Low temperature plasma and plasma technologies |
| title_short |
Application of atmospheric dielectric barrier discharge plasma for polyethylene powder modification |
| title_full |
Application of atmospheric dielectric barrier discharge plasma for polyethylene powder modification |
| title_fullStr |
Application of atmospheric dielectric barrier discharge plasma for polyethylene powder modification |
| title_full_unstemmed |
Application of atmospheric dielectric barrier discharge plasma for polyethylene powder modification |
| title_sort |
application of atmospheric dielectric barrier discharge plasma for polyethylene powder modification |
| author |
Píchal, J. Hladík, J. Špatenka, P. Aubrecht, L. |
| author_facet |
Píchal, J. Hladík, J. Špatenka, P. Aubrecht, L. |
| topic |
Low temperature plasma and plasma technologies |
| topic_facet |
Low temperature plasma and plasma technologies |
| publishDate |
2006 |
| language |
English |
| container_title |
Вопросы атомной науки и техники |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Применение плазмы диэлектрического барьерного разряда при атмосферном давлении для модификации полиэтиленового порошка Застосування плазми діелектричного бар'єрного розряду при атмосферному тиску для модифікації поліетиленового порошку |
| description |
Paper refers about a novel plasma reactor exploiting the dielectric barrier discharge (DBD) burning in air at
atmospheric pressure by ambient temperature and its usability tests. Test modifications were performed with the high
density polyethylene powder Borealis CB 9155-01. Modification effect was evaluated by means of dynamic capillarity
rising measurements. Tests proved significant powder capillarity changes. The existence of powder surface changes was
also confirmed by ESCA tests. Modification aging effect was remarkably small, hence modification effect is very time
stable. In comparison with other in literature described apparatuses used for this purpose the plasma reactor is of a
simple construction and needs no vacuum equipment. Its operation costs are low. Described plasma modification
method seems to be an appropriate method for plasma modification of polyethylene powder on the industrial scale.
Описан новый плазменный реактор, в котором используется диэлектрический барьерный разряд в воздухе комнатной температуры при атмосферном давлении, и результаты его испытаний. Проверка эффективности реактора была проведена с полиэтиленовым порошком большой плотности типа Borealis CB 9155-01. Эффект модификации оценивался с помощью измерений динамики роста капиллярности. Испытания показали значительные изменения капиллярности порошка. Наличие изменений поверхности порошка было подтверждено данными измерений с помощью метода ESCA. Влияние на скорость старения оказалось необыкновенно слабым, т.е., эффект модификации является стабильным во времени. По сравнению с используемыми для этой цели устройствами, описанными в литературе, предлагаемый плазменный реактор имеет простую конструкцию и не нуждается в вакуумном оборудовании. У него – низкие эксплуатационные расходы. Описанный метод плазменной модификации представляется подходящим для использования плазменной модификации полиэтиленового порошка в промышленных масштабах.
Описано новий плазмовий реактор, у якому використовується діелектричний бар'єрний розряд у повітрі кімнатної температури при атмосферному тиску, і результати його іспитів. Перевірка ефективності реактора була проведена з поліетиленовим порошком великої щільності типу Borealis CB 9155-01. Ефект модифікації оцінювався за допомогою вимірів динаміки росту капілярності. Іспити показали значні зміни капілярності порошку. Наявність змін поверхні порошку було підтверджено даними вимірів за допомогою методу ESCA. Вплив на швидкість старіння виявився незвичайно слабким, тобто, ефект модифікації є стабільним у часі. У порівнянні з використовуваними для цієї мети пристроями, описаними в літературі, пропонований плазмовий реактор має просту конструкцію і не має потреби у вакуумному устаткуванні. У нього – низькі експлуатаційні витрати. Описаний метод плазмової модифікації представляється підходящим для використання плазмової модифікації поліетиленового порошку в промислових масштабах.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/82291 |
| citation_txt |
Application of atmospheric dielectric barrier discharge plasma for polyethylene powder modification / J. Píchal, J. Hladík, P. Špatenka, L. Aubrecht // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 6. — С. 192-194. — Бібліогр.: 3 назв. — англ. |
| work_keys_str_mv |
AT pichalj applicationofatmosphericdielectricbarrierdischargeplasmaforpolyethylenepowdermodification AT hladikj applicationofatmosphericdielectricbarrierdischargeplasmaforpolyethylenepowdermodification AT spatenkap applicationofatmosphericdielectricbarrierdischargeplasmaforpolyethylenepowdermodification AT aubrechtl applicationofatmosphericdielectricbarrierdischargeplasmaforpolyethylenepowdermodification AT pichalj primenenieplazmydiélektričeskogobarʹernogorazrâdapriatmosfernomdavleniidlâmodifikaciipoliétilenovogoporoška AT hladikj primenenieplazmydiélektričeskogobarʹernogorazrâdapriatmosfernomdavleniidlâmodifikaciipoliétilenovogoporoška AT spatenkap primenenieplazmydiélektričeskogobarʹernogorazrâdapriatmosfernomdavleniidlâmodifikaciipoliétilenovogoporoška AT aubrechtl primenenieplazmydiélektričeskogobarʹernogorazrâdapriatmosfernomdavleniidlâmodifikaciipoliétilenovogoporoška AT pichalj zastosuvannâplazmidíelektričnogobarêrnogorozrâdupriatmosfernomutiskudlâmodifíkacíípolíetilenovogoporošku AT hladikj zastosuvannâplazmidíelektričnogobarêrnogorozrâdupriatmosfernomutiskudlâmodifíkacíípolíetilenovogoporošku AT spatenkap zastosuvannâplazmidíelektričnogobarêrnogorozrâdupriatmosfernomutiskudlâmodifíkacíípolíetilenovogoporošku AT aubrechtl zastosuvannâplazmidíelektričnogobarêrnogorozrâdupriatmosfernomutiskudlâmodifíkacíípolíetilenovogoporošku |
| first_indexed |
2025-11-26T01:42:32Z |
| last_indexed |
2025-11-26T01:42:32Z |
| _version_ |
1850602009701384192 |
| fulltext |
APPLICATION OF ATMOSPHERIC DIELECTRIC BARRIER DISCHARGE
PLASMA FOR POLYETHYLENE POWDER MODIFICATION
J. Píchal1,2, J. Hladík2, P. Špatenka2,3, L. Aubrecht1,
1Czech Technical University, Faculty of Electrical Engineering, Department of Physics,
Technická 2, 166 27 Prague 6, Czech Republic;
2Technical University of Liberec, Faculty of Mechanical Engineering,
Department of Material Science, Hálkova 6, 461 17 Liberec, Czech Republic;
3University of South Bohemia, Pedagogical faculty,
Jeronýmova 10, 371 15 České Budějovice, Czech Republic
Paper refers about a novel plasma reactor exploiting the dielectric barrier discharge (DBD) burning in air at
atmospheric pressure by ambient temperature and its usability tests. Test modifications were performed with the high
density polyethylene powder Borealis CB 9155-01. Modification effect was evaluated by means of dynamic capillarity
rising measurements. Tests proved significant powder capillarity changes. The existence of powder surface changes was
also confirmed by ESCA tests. Modification aging effect was remarkably small, hence modification effect is very time
stable. In comparison with other in literature described apparatuses used for this purpose the plasma reactor is of a
simple construction and needs no vacuum equipment. Its operation costs are low. Described plasma modification
method seems to be an appropriate method for plasma modification of polyethylene powder on the industrial scale.
PACS: 52.80. –s
1.INTRODUCTION
Due to its characteristics polyethylene plays important
role in industry–it is easy manufacturable and
machinable, it is characterized by low wettability, good
chemical resistance, high fracture strain and viscosity and
it is also physiologically irreproachable. On the other
hand polyethylene’s nonpolar structure results in its poor
paintability, printability and stickiness. To improve these
deficiencies, polyethylene has to be treated by various, at
present mostly chemical methods, but these are mostly
not environmentally friendly and search for alternative
methods is urgent.
Polyethylene is produced in form of foils, fibers, films
and powder. In the past two decades polyethylene (and
other polymers) material surface properties improvement
has been extensively studied with methods based on the
plasma treatment. Experiments mostly focused on
modification of polymer foils, fibres and films, but
without distinct success. Research concerned with
modification of powders has been less common, probably
due to difficult manipulation with the powder during
experiments.
For modification of polymer powder surface properties
like wettability and adhesion without changing powder
bulk properties there have been mostly applied methods
employing low temperature (“cold”) plasma treatment at
low pressures, for citations of the most important reports
see Arpagaus et al. [1].
Polymer processing technologies exploiting
atmospheric pressure plasma aim at modification of
chemical and physical properties of a polymer surface.
The change of polymer surface chemical and physical
characteristics is provided by functionalization of the
polymer. The used gas chemistry depends on the desired
surface properties to be imparted, e.g. plasmas
containing O2 increase surface energy by bonding of
O atoms onto the polymer surface, thereby increasing its
wettability.
A low-temperature discharge at atmospheric pressure
is usually very unstable and it consists of many micro-
discharges with a very small radius (each about 0,1 mm).
These micro-discharges easily transit to the arc. The
easiest way to get a low temperature plasma at
atmospheric pressure is DBD. DBD glows between two
electrodes separated by a gas gap. At least one of the
electrodes is covered by a solid dielectric. When a high
voltage is applied to the electrodes, tiny breakdown
channels develop in the discharge channel. These micro-
discharges are characterized as a weakly ionised plasma.
Its energetic electrons provide an effective tool for
chemical surface modification. Ultraviolet radiation
produced by the DBD at atmospheric pressure is also
participant in polyethylene surface properties
modification.
The goal of in this paper described experiments was
design and investigation of a novel plasma reactor
exploiting the DBD burning in air at atmospheric pressure
by ambient temperature.
2. EXPERIMENTAL
Atmospheric DBD reactor consisted of the vertically
adjustable discharge channel connected with the power
supply and control units (Fig. 1). Plasma was generated in
the channel confined by two identical rectangular brass
electrodes (mutual distance was 11 mm) and two identical
glass walls. One of electrodes was covered with a glass
plate. There were used two channels with different
“active” regions ((9x30) mm cross-section and length
100 mm and 242 mm. During all measurements reactor
channel direct axis and reactor base formed an angle 45°.
Electrodes were connected to the adjustable high-voltage
supply. Plasma reactor was designed as a gravity-fed. For
192 Problems of Atomic Science and Technology. 2006, № 6. Series: Plasma Physics (12), p. 192-194
Fig. 1. Schematic view of the experimental apparatus
simulation of larger apparatuses operation, in each
experiment the powder batches were repeatedly filled in
the discharge channel of the reactor, number of transits
through the reactor being one of investigated parameters.
Trajectories of powder particles were not straight in the
channel and due to very low powder particle mass and
forces acting in the channel most powder particles moved
downward to its bottom on randomly “stirring like”
trajectories.
The precise measurement of the particle modification
time was hardly practicable, nevertheless the modification
time corresponding to one transit through the reactor
could be estimated not longer than 1 s.
Modification in atmospheric dielectric barrier
discharge was performed in stationary air under
atmospheric pressure (743…754) torr, room temperature
(20…23) °C and humidity 35-57%.
For tests the high density polyethylene powder
Borealis CB 9155-01 was used.
The wettability of this powder was determined with a
tensiometer from dynamic capillarity rising measurements
according to the Washburn method [2]. Examined powder
had been soaked up with the test liquid (benzyl alcohol)
while simultaneously the suction velocity was determined
and used for capillarity values calculation.
For all measurements the Fraunhofer Institute
measuring unit HBM MVD 2555 was used.
Modification effectivity presented by capillarity
increase (100% corresponds to the capillarity of
unmodified powder) is shown in Fig. 2. All tests except
050202 were performed in the longer reactor channel.
0
50
100
150
200
250
300
350
0 10 20 30 40
Number of transits [-]
C
ap
ill
ar
ity
p
er
ce
nt
ua
l i
nc
re
as
e
[%
]
050202 050223 050224 050314 050615 a 050615 b
Fig. 2. Dependence of the modification effectivity on
number of transits through the reactor channel (for both
types regardless the difference of their lengths)
Modification in both types of channels (Fig. 2) shows
similar capillarity percentual increase, i.e. modification
effectivity. In case of small number of passages (up to
fifteen) the modification effectivity seemed to be similar
for both of channels, despite of difference of their lengths.
Test proved existence of some “saturation” limit, behind
it no other capillarity increase was observed. Definition of
capillarity “saturation” limit position might be connected
with the composition of the air in the plasma reactor
channel, and also the method used for powder batch
manipulation.
Important aspect for practical application of plasma-
modified powder is the modification effect time-stability.
Powder wettability changes induced by modification were
tested almost during one year after the modification date.
The plot of aging expressed by powder capillarity–time
relation for samples of various powder batches with
maximum number of transits is shown in Fig. 3.
Modification effect reduction was very small, most
changes seemed to occur in the first 100 days after the
modification date. In later dates after modification
modified powder wettability values remained stable. Such
a long time stability (20% drop after more than one year)
of the modification effect was probably up to now not
referred in connection to any other way of the high
density polyethylene powder plasma modification and is
remarkable. Our initial capillarity drop seemed to be
smaller than results described in [1], reporting about
modification of a similar type of polyethylene powder,
but in a plasma downer reactor and about aging test
during only 40 days after modification.
0,00000
0,02000
0,04000
0,06000
0,08000
0,10000
0,12000
0 100 200 300 400
Stocking [days]
Ca
pi
lla
rit
y
[g
2/
s]
V1 V2 V3 V4
Fig. 3. Modified powder capillarity changes during
stocking
0 200 400 600 800 1000
BINDING ENERGY (eV)
untreated
6th transit
18th transit IN
T
E
N
S
IT
Y
(
a
rb
.u
n
it
s
)
40th transit
O
1
sC
1
s
Fig. 4. ESCA results of the air plasma treated Borealis
CB 9155 powder in the DBD plasma reactor (samples
050314)
193
After plasma treatment polyethylene powder chemical
state and changes of its surface characteristics were also
tested by the ESCA spectral analysis method. Existence
of single intense carbon C-1s Peak, characteristic for
basic untreated polymer, was distinct in this scan of
unmodified powder (see Fig. 4).
Existence of oxygen on the powder surface, that
appeared after plasma treatment is considered as one of
proofs of the powder surface modification efficiency. In
the modified powder ESCA scan there was evidently
present the oxygen O-1s peak (Fig. 4); its maximum grew
in dependence on the number of transits through the
discharge channel.
Existence of new functional groups created by plasma
incidence at the modified powder surface was confirmed
not only by ESCA results but also by additional
calculations of chemical states representation and electron
bond energies.
CONCLUSIONS
Paper refers about a novel plasma reactor exploiting
the dielectric barrier discharge (DBD) burning in air at
atmospheric pressure by ambient temperature and its
usability tests. Test modifications were performed with
the high density polyethylene powder Borealis CB 9155-
01. Modification effect was evaluated by means of
dynamic capillarity rising measurements. Tests proved
significant powder capillarity changes. The existence of
powder surface changes was also confirmed by ESCA
tests. Modification aging effect was remarkably small,
hence modification effect is very time stable. In
comparison with other in literature described apparatuses
used for this purpose the plasma reactor is of a simple
construction and needs no vacuum equipment. Its
operation costs are low. Described plasma modification
method seems to be an appropriate method for plasma
modification of polyethylene powder on the industrial
scale.
ACKNOWLEDGEMENT
This project was supported by projects of the MSMT
1M0577
REFERENCES
1.C. Arpagaus, A. Rossi, P. R. von Rohr. Short-time
Plasma Surface Modification of HDPE Powder in a
Plasma Downer Reactor – process, wettability
improvement and ageing effects // Applied Surface
Science. 2005, v.252, p.1581-1595.
2.E. W. Washburn. The Dynamics of the Capillary flow //
Physical Review. 1921, XVII, p. 273-283.
3.J. Píchal, J. Hladík, L. Aubrecht, P. Špatenka. Surface
modification of Polyethylene Powder by Atmospheric Air
Plasma // Proceedings of the 2-nd International
Workshop on Cold Atmospheric Pressure Plasmas:
Sources and Application, Bruges, Belgium, 2005. ISBN
908086692X, p.281-284.
ПРИМЕНЕНИЕ ПЛАЗМЫ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО БАРЬЕРНОГО РАЗРЯДА ПРИ АТМОСФЕРНОМ
ДАВЛЕНИИ ДЛЯ МОДИФИКАЦИИ ПОЛИЭТИЛЕНОВОГО ПОРОШКА
Я. Пихал, Я. Хладик, П. Спатенка, Л. Аубрехт
Описан новый плазменный реактор, в котором используется диэлектрический барьерный разряд в воздухе
комнатной температуры при атмосферном давлении, и результаты его испытаний. Проверка эффективности
реактора была проведена с полиэтиленовым порошком большой плотности типа Borealis CB 9155-01. Эффект
модификации оценивался с помощью измерений динамики роста капиллярности. Испытания показали
значительные изменения капиллярности порошка. Наличие изменений поверхности порошка было
подтверждено данными измерений с помощью метода ESCA. Влияние на скорость старения оказалось
необыкновенно слабым, т.е., эффект модификации является стабильным во времени. По сравнению с
используемыми для этой цели устройствами, описанными в литературе, предлагаемый плазменный реактор
имеет простую конструкцию и не нуждается в вакуумном оборудовании. У него – низкие эксплуатационные
расходы. Описанный метод плазменной модификации представляется подходящим для использования
плазменной модификации полиэтиленового порошка в промышленных масштабах.
ЗАСТОСУВАННЯ ПЛАЗМИ ДІЕЛЕКТРИЧНОГО БАР'ЄРНОГО РОЗРЯДУ ПРИ АТМОСФЕРНОМУ
ТИСКУ ДЛЯ МОДИФІКАЦІЇ ПОЛІЕТИЛЕНОВОГО ПОРОШКУ
Я. Піхал, Я. Хладик, П. Спатенка, Л. Аубрехт
Описано новий плазмовий реактор, у якому використовується діелектричний бар'єрний розряд у повітрі
кімнатної температури при атмосферному тиску, і результати його іспитів. Перевірка ефективності реактора
була проведена з поліетиленовим порошком великої щільності типу Borealis CB 9155-01. Ефект модифікації
оцінювався за допомогою вимірів динаміки росту капілярності. Іспити показали значні зміни капілярності
порошку. Наявність змін поверхні порошку було підтверджено даними вимірів за допомогою методу ESCA.
Вплив на швидкість старіння виявився незвичайно слабким, тобто, ефект модифікації є стабільним у часі. У
порівнянні з використовуваними для цієї мети пристроями, описаними в літературі, пропонований плазмовий
реактор має просту конструкцію і не має потреби у вакуумному устаткуванні. У нього – низькі експлуатаційні
витрати. Описаний метод плазмової модифікації представляється підходящим для використання плазмової
модифікації поліетиленового порошку в промислових масштабах.
194
APPLICATION OF ATMOSPHERIC DIELECTRIC BARRIER DISCHARGE PLASMA FOR POLYETHYLENE POWDER MODIFICATION
AcknowledgEment
REFERENCES
|