KHI CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA VẦNG QUANG/PLASMA
3.4. Cỏc kết quả thực nghiệm
3.4.1. Sự mất mỏt và phục hồi tớnh kỵ nước: cỏc phúng điện
Sự mất đi và phục hồi lại đặc tớnh kỵ nước – tớnh khụng dớnh nước do bị
phúng điện bề mặt (vầng quang hay plasma) đó được nhiều nhà nghiờn cứu trờn thế giới phõn tớch, đỏnh giỏ. Đú là những quỏ trỡnh diễn ra rất phức tạp bởi cao su silicone đồng thời cựng một lỳc bị tỏc động của một loạt cỏc hiệu
ứng đú cũn phụ thuộc vào bản chất cấu trỳc vật liệu và cỏc thành phõn cú trong vật liệu. Cú thể nhận định một cỏch tổng quỏt về tỏc động của vầng quang/plasma lờn cao su silicone như sau: (1) làm tăng lượng oxy trờn bề
mặt do sự hỡnh thành cỏc nhúm silanol và carbonyl; (2) tạo cỏc liờn kết ụxy húa bắc cầu (oxidative crosslinking); (3) lóo húa tổng thể cấu trỳc vật liệu. Năm mẫu PDMS đó được chuẩn bị cho nghiờn cứu mức độ phục hồi tớnh kị
nước, đồng thời cỏc tớnh chất cơ học của lớp bề mặt giống thuỷ tinh silica cũng được nghiờn cứu. Cỏi chữ viết tắt được sử dụng cho PDMS , chỉ khỏc nhau trong mật độ liờn kết (/ MC) như sau: P0.7: MC = 700 g mol-1; P8: MC = 7500 g-mol -1; P12 MC = 11 600 g mol-1; P17: MC = 16 500 g mol-1 và P38: MC = 38 300 g mol-1. Cỏc vật liệu đó bị phúng điện vầng quang hoặc plasma khụng khớ. Phúng điện -plasma khụng khớ đó được sử dụng để
nghiờn cứu ảnh hưởng của phúng điện bề mặt với một cường độ cao (100W) trờn mức độ oxi hoỏ bề mặt và sự phục hồi tớnh kị nước sau đú.
Chi tiết được trỡnh bày tiếp tại cỏc phần tiếp theo.
3.4. 2 Sự mất đi đặc tớnh khụng dớnh nước
Đặc tớnh bề mặt khụng dớnh nước của cao su silicone đó bị mất đi một cỏch tạn thời do bị oxy húa bề mặt trong khi bị bị tỏc động của vầng quang trong khụng khớ, súng rađio (RF), microwave hoặc xử lý bằng plasma.
Quỏ trỡnh ụxy húa đó tạo ra cỏc kết cấu phi hữu cơ như SiOx và cỏc nhúm silanol phõn cực trờn bề mặt cỏch điện. Quỏ trỡnh được thể hiện qua những phản ứng sau đõy:
Sự hỡnh thành nhúm hydroxyl (Si-CH2OH) và peroxides (Si-CH2OOH) bởi phản ứng giữa nguyờn tử oxy bị kớch thớch và cao su silicone theo phương trỡnh 1và 2 (Scheme 1 &2):
Hỡnh 3.5. Sự ngưng tụ cỏc nhúm silanol, tạo thành nhúm bắc cầu oxygen Cỏc nghiờn cứu về cao su silicone sau khi bị tỏc động của cỏc thớ nghiệm với sương muối (salt-fog) dưới điện trường cao với quan sỏt bằng quang phổ
hồng ngoại và quang phổ tia X đó cho thấy rằng sự tỏc động trong thớ nghiệm đó làm giảm lượng carbon từ 51% xuống cũn 44% đồng thời lượng oxy tăng từ 23% lờn 33%. cỏc nhúm SiOx đó hỡnh thành thành một lớp trờn bề mặt cỏch điện.
Khi cao su silicone bị tỏc động của oxygen-plasma hoặc vầng quang thỡ cỏc hiệu ứng tương tự cũng xảy ra và tạo thành cỏc nhúm silanol (Phương trỡnh 3, Hỡnh 3.4).
Cỏc nguyờn tử silicon dương cực sẽ phản ứng với cỏc nguyờn tử oxy õm cực mạnh hơn là phản ứng với cỏc nguyờn tử carbon cú tớnh õm cực yếu hơn. Như vậy, cỏc nguyờn tử Si sẽ tạo thành nhúm bắc cầu Si-O-Si (crosslinks SiOx). Sự ngưng tụ của cỏc nhúm silanol cũng sẽ gõy nờn sự hỡnh thành SiOx. Quỏ trỡnh này được thể hiện trờn hỡnh 3.5.
Thờm vào đú, cỏc phúng điện vầng quang sẽ làm sinh ra cỏc sản phẩm như
của cao su silicone. Nước mang tớnh axit này cú thể sẽ ảnh hưởng tới quỏ trỡnh điện ly cỏc chuỗi polymer trờn bề mặt cỏch điện.
3.4.3. Sự phục hồi đặc tớnh kỵ nước ( khụng dớnh nước)
Cũng với cỏc mẫu thử nghiệm mụ tả tại phần 3.4.1, mụ phỏng mức độ phục hồi tớnh kị nước sau khi bị phúng điện vầng quang
đó được nghiờn cứu bằng cỏch phúng điện vầng quang ba mẫu khỏc nhau của P17 tới 1h. Cỏc mẫu bị phúng điện theo 3 cỏch khỏc nhau. Gúc tiếp xỳc đo đựơc thường ở trong khoảng tin cậy của khuụn khổ gúc tiếp xỳc. Vật liệu sau đú bị phúng điện vầng quang trong thời gian 0,5 h, 1 h hoặc 3 h để nghiờn cứu ảnh hưởng của cỏc mật độ liờn kết ngang đến khả
năng phục hồi tớnh kị nước sau đú. Quan sỏt chỉ ra rằng sự phục hồi đó được khụi phục độc lập với mật độ liờn kết ngang của cỏc vật liệu bị phúng điện vầng quang 0,5 h. Đối với cỏc vật liệu bị phúng điện vầng quang 1 h, tỷ lệ
phục hồi tăng với tăng mật độ liờn kết ngang .Mức độ phục hồi của vật liệu bị phúng điện vầng quang trong 3 h tương tự với vật liệu bị phúng điện 1 h, tức là tỷ lệ phục hồi tăng với tăng mật độ liờn kết . Sự phõn tỏn trong số liệu gúc tiếp xỳc tuy nhiờn rộng hơn sau khi phúng điện vầng quang 3 h . Độ trễ
trực tiếp chỉ là 2-5 ° sau khi phúng điện vầng quang và nú sẽ tăng dần với thời gian phục hồi ~ 10 °. Hiện tượng trễ nhỏ trong mẫu mới bị phúng điện phản sự di chuyển theo khối chậm của lớp bề mặt đó bị oxy hoỏ.
Sự phục hồi tớnh kị nước của cỏc vật liệu bị phúng điện khụng khớ-plasma cường độ cao hơn so với vầng quang cho thấy khụng cú sự phụ thuộc hệ
thống vào mật độ liờn kết ngang của vật liệu tại bất kỳ liều lượng được sử
dụng nào (30-720 s airplasma). Thời gian để phục hồi lại tớnh kị nước ban
bị phúng điện vầng quang. Hơn nữa sự khỏc biệt trong thời gian phục hồi giữa nguyờn vật liệu khỏc nhau tăng nhanh chúng với việc tăng liều phúng
điện khụng khớ-plasma. Hiện tượng trễ gúc tiếp xỳc là 2-5° trực tiếp sau khi bị phúng điện khụng khớ-plasma và tăng dần dần với thời gian phục hồi để
cuối cựng đạt đến 25°. Sự phụ thuộc nhiệt độ :
Sự phụ thuộc nhiệt độ của việc phục hồi tớnh kị nước đó được nghiờn cứu bằng sự lóo húa của vật liệu bị phúng điện tại bốn nhiệt độ khỏc nhau (từ 22- 114° C). Việc phục hồi tớnh kị nước của tất cả cỏc vật liệu bị phúng điện Corona cho thấy một sự phụ thuộc nhiệt độ Arrhenius. Sơ đồ Arrhenius biểu diễn trong Hỡnh 3.6 thu được bởi cỏc logarithm của thời gian tương hỗ để
đạt r = 70 ° so với nhiệt độ tương hỗ. Số liệu mức phục hồi cho một loạt cỏc vật liệu bị phúng điện Corona 1 h được biểu diễn.
Hỡnh 3.6: Quan hệ
tương hỗ của logarithm thời gian để tiến tới gúc tiếp xỳc sau ở 70 ° sau 1h phúng điện Corona: P0.7 ( ), P8 (?), P12 (∆) P17 (?) và P12 biến dạng đến 15% sau khi bị phong điện( )
Cỏc mẫu đó bị biến dạng đến 15% căng để gõy ra một fragmentation lớp bề mặt cho thấy sự tăng mức phục hồi gần 2 order biờn
độ (Hỡnh 3.6). Năng lượng hoạt hoỏ cú dải giữa 30 và 60 kJ mol-1 với mức trung bỡnh là 42 kJ mol-1 và một dung sai tiờu chuẩn là 10 kJ mol-1..Năng lượng hoạt hoỏ độc lập với mật độ liờn kết chộo (trung bỡnh gồm tất cả cỏc lần phúng điện): P0.7: 43 kJ mol-1; P8: 45 kJ mol-1; P12: 41 kJ mol-1; P17: 41 kJ mol-1; P38: 35 kJ mol-1) và thời gian bị phúng điện Corona (trung bỡnh ± dung sai tiờu chuẩn): 40 ± 8 kJ mol-1 (0,5 h); 49 ± 10 kJ mol-1 (1 h); 42 ± 13 kJ mol-1 (3 h). Cỏc mẫu biến dạng đến 15% sức căng cho thấy năng lượng hoạt hoỏ tương tự, trung bỡnh dung sai ± theo tiờu chuẩn: 38 ± 8 kJ mol-1. Điều này chỉ ra rằng cựng một cơ chế đó thống trị, mặc dự cỏc vết đứt góy đó được khởi tạo trong lớp giống silic. Cỏc mẫu bị phúng điện khụng khớ-plasma cho thấy sự sai khỏc rất rừ rệt so với luật Arrhenius.
Hỡnh 3.7: Quan hệ tương hỗ của logarithm thời gian để tiến tới gúc tiếp xỳc sau ở 70 ° sau 180 s phúng điện khụng khớ-plasma. Vật liệu: P8.
Tất cả cỏc dữ liệu đều phự hợp với dạng đường cong thể hiện ở hỡnh 3.7 với
độ dốc nghiờng ở nhiệt độ thấp và một đường thẳng phẳng tại nhiệt độ cao hơn.
Sự phục hồi đặc tớnh khụng dớnh nước của cao su silicone xảy ra sau khi bị
tỏc động của vầng quang/plasma. Quỏ trỡnh phục hồi này cũng rất đa dạng và phức tạp liờn quan tới một loạt quỏ trỡnh điện húa. Một số quỏ trỡnh cú thể được trỡnh bày như sau:
1. Quỏ trỡnh định hướng lại cỏc nhúm phõn cực tại bề mặt cỏch điện thành một bỳi.
2. Sự ngưng tụ cỏc nhúm silanol tại bề mặt 3. Sự nhiễm bẩn bề mặt ngoài cỏch điện 4. Sự thay đổi độ sần sựi bề mặt cỏch điện
5. Sự mất đi cỏc thành phần giàu oxy vào khụng khớ
6. Sự dịch chuyển cỏc nhúm cú trọng lượng phõn tử thấp thành một bỳi và ra bề mặt cỏch điện.
Tớnh mềm dẻo của cao su silicone khụng bị oxy húa hoặc bị oxy húa nhẹ đó tạo ra sự định hướng lại rất nhanh của cỏc nhúm phõn cực. Lực tỏc động ở đõy đối với sự hồi phục tớnh chất khụng dớnh nước là sự giảm thiểu năng lượng bề mặt. Tuy nhiờn, cỏc nghiờn cứu cho thấy rằng nhiễm bẩn bờn ngũai bề mặt cỏch điện khụng gõy nờn sự phục hồi khả năng kỵ nước của cao su silicone. Chớnh sự dịch chuyển của một lượng cao su silicone với trọng lượng phõn tử thấp từ cỏc bỳi ra ngũai bề mặt là cơ chế chớnh của sự hồi phục tớnh kỵ nước (khụng dớnh nước) của cỏch điện cao su silicone PDMS. Quỏ trỡnh phục hồi đặc tớnh khụng dớnh nước được tổng kết ở hỡnh 3.8. Một lớp giống như silica cú tớnh ngậm nước đó được hỡnh thành trờn bề mặt trong quỏ trỡnh bị tỏc động của vầng quang/plasma. Lớp phủ này ngăn ngừa sự
ngũai bề mặt, và kết quả là gõy ra tốc độ phục hồi thấp cho đặc tớnh kỵ nước vốn cú của cao su silicone. Tuy nhiờn, sự phỏ vỡ lớp phủ bề mặt SiOx sẽ làm tăng tốc độ hồi phục đặc tớnh khụng dớnh nước.
Hỡnh 3.8. Mụ tả quỏ trỡnh dịch chuyển của cỏc siloxan trọng lượng phõn tử
thấp qua (a) lớp SiOx bị phỏ vỡ (b) bề mặt lớp phủ SiOx
3.4.4. Sự lóo húa nhiệt của cao su silicone PDMS
Cỏc hiện tượng xảy ra với cỏch điện cao su silicone như nhiệt phỏt sinh tử
cỏc phúng điện, vầng quang là tương đối giống nhau. Chỳng gõy ra cỏc hiện tượng phỏ vỡ kết cấu chuỗi polymer.
Hỡnh 3.9. Những quỏ trỡnh phản ứng cắt đứt chuỗi liờn kết polymer
3.4.5. Ảnh hưởng yếu tố mụi trường tới đặc tớnh kỵ nước - hydrophobicity
Trong quỏ trỡnh vận hành, cao su silicone chịu sự tỏc động của nước dưới dạng mưa, sương, của cỏc tia cực tớm từ ỏnh nắng mặt trời. Sựu ảnh hưởng của những yếu tố này được trỡnh bày tại cỏc phõn dưới đõy.
3.4.5.1 Tỏc động của nước
Sự tăng trọng lượng của PDMS nguyờn chất ngõm trong nước tinh khiết tại nhiệt độ phũng là Η 0.07 wt.%88. Nhưng cao su silicone PDMS với cỏc chất
độn thờm đó hỳt nước nhiều hơn so với PDMS nguyờn chất. Cỏc thực nghiệm cho thấy cỏch điện PDMS ngõm lõu trong nước dần dần sẽ đỏnh mất tớnh khụng dớnh nước của mỡnh. Quỏ trỡnh này chủ yếu là do hiện tượng
hydratisation kết cấu khung của cao su silicone, do hiện tượng thủy phõn kết cấu siloxane tạo thỏnh cỏc nhúm ngậm nước silanol hoặc do sự phỏ hủy bề
mặt, cỏc chất độn ở phớa bề mặt.
3.4.5.2 Cỏc tia bức xạ cực tớm UV
Cao su silicone PDMS khụng hấp thụ cỏc tia UV trong quóng 300-400 nm. Núi chung, cỏc nghiờn cứu cho thấy, cỏc bức xạ tia cực tớm từ mặt trời làm tăng độ khụng dớnh nước của cao su silicone.
CHƯƠNG IV: NGHIấN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CÁCH ĐIỆN COMPOSITE TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM