Anasayfa » Yayınlar

Atmosferik plazma aktivasyonunun görselleştirilmesi

Atmosferik basınçlı plazma jetlerini değerlendirmek için polimerler üzerinde aktifleştirilmiş alanın görselleştirilmesi

Yazarlar: Dariusz Korzec, Thomas Andres, Eva Brandes, Stefan Nettesheim

Yayın: Korzec, D.; Andres, T.; Brandes, E.; Nettesheim, S. Visualization of Activated Area on Polymers for Evaluation of Atmospheric Pressure Plasma Jets. Polymers, 2021, 13, 2711. doi:10.3390/polym13162711.

Yayının tamamı için: https://www.mdpi.com/2073-4360/13/16/2711/htm

Özet

Aşağıdaki metin, AIR (activation image recording) yönteminin çeşitli teknik sorunları çözmek için nasıl kullanılabileceğini gösteren bir araştırma çalışmasını özetlemektedir. 

Bir polimer yüzeyinin atmosferik basınçlı plazma jeti (APPJ) ile işlenmesi, yüzeyin serbest enerjisinde (SFE) yerel bir artışa yol açar. Plazma uygulanmış bölge bir test mürekkebi yardımıyla görünür hale getirilebilir ve nicel olarak değerlendirilebilir. Ancak zamanla ıslanan bölge küçülür. Büzülme özellikleri, aktivasyon görüntü kaydı (AIR) kullanılarak toplanır. Kayıt bir dijital kamera tarafından gerçekleştirilir. Üç farklı polimer, akrilonitril bütadien stiren (ABS), yüksek yoğunluklu polietilen (HDPE) ve polioksimetilen (POM), test malzemesi olarak incelenmiştir. HDPE, geniş bir SFE varyasyon aralığı ve düşük bir hidrofobik geri kazanıma sahip olması nedeniyle seçilmiştir. Kimyasal karışımlar stokiyometride zamansal değişimlere eğilimli olduğundan, 58 mN/m'lik saf formamid test mürekkebi kullanılmıştır. Yöntem, beş farklı deşarj türünün karakterizasyonu için test edilmiştir: (i) yaklaşık 700 W gücünde darbeli ark APPJ; (ii) piezoelektrik doğrudan deşarj APPJ; (iii) ortam havasında piezoelektrik tahrikli iğne korona; (iv) argonda piezoelektrik tahrikli plazma iğnesi; ve (v) piezoelektrik tahrikli dielektrik bariyer deşarjı (DBD). Piezoelektrikle çalıştırılan deşarjlar için güç ya 4,5 W ya da 8 W olarak alınmıştır.

Şekil 1. Deneysel kurulum. (a) Polimer malzemelerin yüzey aktivasyonu için genel kurulum. (b) AIR kurulumunun görüntüsü.

Sonuç ve gelecek öngörüleri

Yazarlar, polimer yüzeyler üzerinde atmosferik basınçlı plazma jetleri tarafından üretilen aktivasyon alanını değerlendirmek için yeni bir yöntem önermişlerdir. Test mürekkebiyle ıslanan aktivasyon bölgelerinin büzülme özelliklerini tespit etmek için bir dijital kamerayla aktivasyon görüntüsü kaydını (AIR) kullanmışlardır.

Çalışma, AIR'in farklı çalışma koşulları altında atmosferik basınç deşarjının performans değerlendirmesi için bir tespit tekniği olarak kullanılabileceğini göstermiştir. Ayrıca, yöntemin farklı APPJ türlerini karşılaştırmak için de uygun olduğunu öngörmektedir. Test materyali için (i) APPJ işleminden sonra elde edilen geniş SFE aralığı, (ii) düşük hidrofobik geri kazanım, (iii) katkı maddesi içermeyen bir polimer olarak bulunabilirlik, (iv) makul maliyet ve (v) plazma çalışmaları için bir referans materyali olarak büyük olan popülerliğe sahip olması nedeniyle en uygun malzeme olarak HDPE seçilmiştir.

Aktivasyon alanının görselleştirilmesi için 58 mN/m'ye kalibre edilen saf sıvı formamid test mürekkebi tercih edilmiştir. Bunun nedenleri şunlardır: (i) Farklı uçuculuğa sahip iki sıvının oranındaki değişikliklerin etkisinden kaçınılabilir; (ii) yüzey enerji değeri, işlenmemiş HDPE'nin yüzey enerjisi (35 mN/m) ile elde edilebilecek maksimum yüzey enerjisi (72 mN/m) arasında neredeyse yarı noktadadır ve (iii) formamid, birkaç önemli uluslararası standartta test mürekkeplerinin bir bileşeni olarak tanımlanmıştır.

Büzülme özellikleri için referans süre, test mürekkebinin HDPE yüzeyine yayılmasından sonraki 10 saniyedir. Bu, ‘çok kısa bir referans süresi dahilinde alan belirlemede büyük bir mutlak hata’ ile ‘malzeme ve çevresel faktörlerin etkisi ve çok uzun bir referans süresi ile artan bir bağıl hata’ arasında biz uzlaşım yapmaktır.

Optimum işlem süresi, deşarj tipine bağlı olarak seçilmelidir ve plazma gücü ile ters orantılıdır. Örneğin, 700 W plazma cihazı için AIR sonuçlarının iyi çözünürlüğünü elde etmek için, ms (milisaniye) aralığında bir plazma işlem süresi gereklidir. Bununla birlikte, PDD ve diğer CeraPlas™ güdümlü deşarjlar için 10 veya 20 saniyelik bir işlem süresi en uygunudur.

Araştırma, CeraPlas™ tabanlı cihazlarla HDPE işleminden sonra, depolama süresiyle aktivasyon alanındaki değişiklik olarak tanımlanan hidrofobik geri kazanımın çok yavaş olduğunu gösteriyor: Her 100 saatte %3.

Kısa vadeli değişikliklerin nedeni, test mürekkebinin özelliklerindeki zamansal dalgalanmalardır. Bu tür varyasyonların en olası nedenleri şunlardır: (i) Bileşenlerin farklı buharlaşma oranları nedeniyle iki bileşenli test mürekkebinin stokiyometrisindeki değişiklik; (ii) atmosferik nemden saf formamid test mürekkebine su alımı.

AIR yöntemiyle doğru, istatistiksel olarak sağlam temelli ve tekrarlanabilir sonuçlar elde etmek için bazı varsayımların ve kullanım kurallarının yerine getirilmesi gerekir:

Test mürekkebi noktasının fiziksel ve kimyasal büzülme mekanizmaları ayrıntılı olarak açıklanmasa da, büzülme özellikleri, yeni plazma cihazlarının geliştirilmesi ve değerlendirilmesinde teknik sorunları çözmek için başarıyla kullanılmaktadır.

Yazarlar AIR'yi kullanarak aşağıdaki mühendislik görevlerini ele almışlardır:

Araştırmanın sonuçları, bu konuda daha fazla çalışmaya ihtiyaç olduğunu göstermektedir. Diğer konuların yanı sıra, test mürekkep noktalarının zamana bağlı büzülmesinin fiziko-kimyasal mekanizmaları daha yakından incelenmelidir. Deneysel geliştirme aynı zamanda AIR tekniğinin doğruluğunu daha da geliştirebilir. Bunun bir örneği, test mürekkebi uygulamasının otomasyonudur; bu şekilde kesin (doğru ve tam) miktarda sıvı dozajlamak ve test mürekkebi alanlarının büzülme işlemi için başlangıç ​noktasını tam olarak belirlemek mümkün olabilecektir.

Anasayfa » Yayınlar