3.4 Установка для получения монослоев в электрическом поле

Установка для получения монослоев методом Ленгмюра-Блоджетт, изображенная на рисунке 11, включает в себя прямоугольную ванну с жидкой субфазой, барьеры, расположенные вдоль противоположных сторон ванны с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости, а также датчик измерения поверхностного давления, содержащий пластину Вильгельми, погруженную в жидкую субфазу. Установка отличается тем, что каждый барьер выполнен в виде нити из диэлектрического гидрофобного материала, которая располагается на поверхности жидкой субфазы и снабжается каркасом, расположенным над поверхностью жидкой субфазы. Пластина Вильгельми изолирована от датчика поверхностного давления, а установка снабжена парой электродов, располагающихся один над другим, выполненных с возможностью подключения к источнику питания. При этом верхний электрод снабжен отверстием для пластины Вильгельми и расположен между каркасами и нитями барьеров, а нижний электрод расположен под поверхностью жидкой субфазы.

1 - ванна; 2 - барьер; 3 - удерживающий каркас; 4 - фторопластовая нить; 5 - верхний электрод; 6 - нижний электрод; 7 - датчик поверхностного давления; 8 - пластина Вильгельми; 9 - источник питания; 10 - шаговый двигатель; 11 - компьютер; 12 - монослой поверхностно-активного вещества (ПАВ); 13 - жидкая субфаза; 14 - ионы примеси

Рисунок 11  – Установка для получения монослоев в электрическом поле

Заявляемая установка для получения монослоев методом Ленгмюра-Блоджетт в электрическом поле содержит ванну 1 из диэлектрического химически-инертного материала, например, плексигласа, расположенную на массивном твердом основании с опорными винтами для выравнивания уровня ванны (на чертеже не показаны). Установка содержит два барьера 2 в виде фторопластовых нитей 4 с удерживающими их в натянутом положении каркасами 3 из плексигласа, выполненными с возможностью соединения с шаговыми двигателями 10. Барьеры расположены по краям ванны с возможностью независимого перемещения для сближения и удаления относительно друг друга в горизонтальной плоскости. Заявляемая установка также содержит пару плоских электродов, изготовленных из фольгированного текстолита: верхний электрод 5 и нижний электрод 6. Электроды располагаются над и под поверхностью жидкой субфазы таким образом, чтобы зазор обеспечивал необходимую напряженность электрического поля в монослое и в жидкой субфазе в момент подключения электродов к источнику питания 9. Материалом изготовления электродов может быть выбран любой химически-инертный проводящий материал. Источник питания 9 предназначен для питания электродов как постоянным, так и переменным напряжением от нескольких вольт до киловольт в зависимости от заданных параметров получаемого монослоя. Для контроля процесса формирования получаемого монослоя установка снабжена датчиком поверхностного давления 7, к которому при помощи ленты из полиэстера, либо другого диэлектрического материала, величина веса которого находиться в области чувствительности датчика, прикреплена пластина Вильгельми 8. Система управления движением барьеров включает два шаговых двигапо одному на каждый барьер, соединенных с совместимым компьютером 11, снабженным интерфейсной платой драйвера шаговых двигателей [12].

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

4 Промышленная установка Ленгмюра-Блоджетт. Характеристика устройства и принципа работы

Основным недостатком современных установок является малая площадь ванны, из чего следует малое количество производимой продукции, так как ограничен перенос пленок и размеры самих пленок. Следовательно, повышаются и временные затраты на выпуск единичного экземпляра, что влечет за собой высокую себестоимость. Таким образом, производство является экономически нецелесообразным.

Для устранения данных недостатков необходимо:

Увеличить площадь ванн; Максимально автоматизировать процесс формирования и переноса пленок; Обеспечить нанесение пленок на поверхность бесконечной площади.

Исходя из вышесказанного, в качестве подложек целесообразно использовать рулоны гибких полимерных материалов, в зависимости от требуемых свойств, например, термостойкость, химическая стойкость, оптическая прозрачность и т. п.

На сегодняшний день наилучшим способом контроля поверхностного натяжения являются весы Вильгельми, поэтому данная технология была включена в установку без изменений.

4.1 Система ванн

Предлагается использовать следующею конструкцию ванны. Это сдвоенная ванна с лентопротяжным механизмом (рисунок 12).  Лента проходит через первую ванну, соединительный сосуд, и выходит через вторую ванну. При этом возможно обеспечить перенос как одного слоя вещества, так и двух одинаковых, либо разных веществ. Кроме того, данная конструкция поддерживает модульный принцип, которая позволит наносить более двух слоев.

Так как изготовить большую по плащи ванну из цельного гидрофобного материала проблематично, предлагается корпус ванны изготовить из металла с последующим покрытием раствора политетрафторэтилена, которое будет обеспечивать необходимую гидрофобность.

Рисунок 12 – Сдвоенная ванна с лентопротяжным механизмом

Нестандартная геометрия плоскости ванн позволит максимально удалить субстрат с поверхности и сэкономить количество потребляемого дозирующего вещества.

4.2 Система поддержания температуры ванн

На рисунке 13 изображена система поддержания температуры ванн, которая состоит из зигзагообразных труб, обтянутые резистивной сеткой. Чтобы охладить ванны, необходимо прогнать по системе хладагент, а для их нагрева нужно подать напряжение на резистивные сетки, облегающие трубы с тетрафторэтаном.

Рисунок 13 – Система поддержания температуры ванны

4.3 Система барьеров

Так как на больших ваннах масса барьеров может приводить к деформации ременного механизма, износу бортов ванны и самих барьеров, то предлагается осуществлять их перемещение с помощью цепного механизма с системой самонатяжения, при этом барьеры должны опираться на борта ванны через колеса. Система представлена на рисунке 14.

При активизации двигателей цепной механизм придет в движение барьеры одновременно друг другу на встречу. В данном случае будет обеспечиваться двухсторонне сжатие.

Рисунок 14 – Система барьеров с самонатяжением и цепным механизмом

4.4 Система дозировки ПАВ

В установке предполагается использование автоматизированного дозатора (рисунок 15), закрепленного над плоскостью ванн на определенном уровне. Дозирующий микрошприц двигается по монорельсе и имеет три степени свободы, что позволяет обеспечивать равномерное нанесение ПАВ в определенные точки поверхности ванны. В свою очередь, дозирующая игла может удлиняться для достижения удаленных участков. Подача ПАВ в микрошприц осуществляется через отдельный насос с заранее приготовленным субстратом. На рисунке 15 продемонстрирована модель автоматизированного дозатора.

Рисунок 15 – Автоматическая дозирующая система

4.5 Принцип работы промышленной установки Ленгмюра-Блоджетт

Механизм работы состоит в следующем. Гибкая полимерная подложка, скрученная в рулон, закрепляется на первой стойке с которой начинает свое движение в ванну с колодцем, наполненными до краёв ПАВ. Далее по лентопротяжной системе в соединительном сосуде гибкая подложка перемещается ко второму колодцу, после чего покидает его и закручивается на второй рулон. Движение барьеров, дозатора и датчика поверхностного давления осуществляется при помощи двигателей. Барьеры перемещаются, благодаря цепному механизму с системой самонатяжения. На боку ванн закреплены автоматизированные дозирующие системы. Контроль поверхностного натяжения обеспечивают весы Вильгельми. Управление установкой осуществляется за счет микроконтроллера.  На рисунке 16 отображена общая модель промышленной установки.

Рисунок 16 – Общий вид промышленной установки Ленгмюра-Блоджетт

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты курсовой работы состоят в следующем:

1. Произведен анализ различных типов установок и оценены их характеристики и мощности;

2. Выявленные недостатки существующих установок Ленгмюра-Блоджетт заключаются в следующем:

- Процесс производства тонких пленок занимает длительное время (порядка более часа);

- Невозможно создание больших объемов продукции (сейчас возможен выпуск лишь единичных экземпляров, что является недостаточным для электронной промышленности);

- Относительна дороговизна технологического процесса.

3. Определены требования к принципам работы и характеристикам основных узлов промышленной установки;

4. Предложена модель промышленной установки по нанесению мономолекулярных слоев на гибкой подложке Ленгмюра-Блоджетт для производства плёнок в промышленных масштабах, основанная на обширном анализе различных типов существующих установок. По предварительной оценке, усовершенствованная установка позволит производить в сотни раз больше объёмов образцов за меньшее время. Например, установка KSV NIMA KN 2006 способна 500 см2 в сутки выходного продукта. Наша установка, которая использует полимерные ленты шириной около 10 см и длинной до 10-15 метров способна производить до 5-7 м2, за тоже время, что в сотни раз превосходит объемны производства на сегодняшний день. В дальнейшем можно получать электронные элементы, биосенсеры, фототрасформирующие сстемы, путем обработки подложек с монослоями на других технологических циклах, что позволит, на мой взгляд, существенно нарастить необходимые объемы и даст толчок к развитию и взаимной кооперации потребителей этой продукции.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Ленгмюровские пленки / // Успехи физических наук. – 1988.  – Т. 155. – №3. – С. 443–480.

2 Наноматериалы и нанотехнологии в химических и биохимических сенсорах: возможности и области применения / , // Российский Химический Журнал. –2008. –Т. 32. –№ 2. –С.92–100. 

3 Физические свойства и применение лэнгмюровских пленок / // Успехи физических наук. –1987. –Т.152. –№3. – С.701–702.

4 Ленгмюровские молекулярные пленки и их применение / , , //Физика Тонких Пленок. –1977. –Т.7. –№3. –С. 340–427.

5 Технология Ленгмюра-Блоджетт // Википедия – свободная энциклопедия. – 2001. Свободная интернет-энциклопедия – (Рус.). – URL: https://ru. wikipedia. org/wiki/Технология_Ленгмюра_—_Блоджет [21 марта 2013].

6 Физические свойства и применение лэнгмюровских пленок / // Успехи физических наук. –1987. – Т. 152. – №3. – С. 701–702.

7 Технология Ленгмюра-Блоджетт / , // Журнал прикладной химии. – 2005. – Т. 78. – №9. – С. 1499–1503.

8 Ленгмюровские молекулярные пленки и их применение / , // В кн. ФизикаТонкихПленок. –1977. –Т. 7. – №3. –С. 340–427.

9 KSV-NIMA // Sweden: The Widest Range of Langmuir, Langmuir-Blodgett and LB Characterization Systems. – 1981. (Engl.). – URL: http://www. /ksvnima/ [5 March 2010].

10 Сайт компании // Минск: Институт химии новых материалов НАН Беларуси. – 2006. Сайт компании «Микротестмашины». – (Рус.).  – URL: http://microtm. narod. ru/mtm. htm [03 ноября 2006].

11 Молекулярный конструктор Ленгмюра-Блоджетт / , , // Природа. – 2003. – №12. –С. 120–174.

12 Peterson I. R. Langmuir Blodgett Films / I. R. Peterson // Journal of Physics D: Applied Physics – 1990.  – Vol. 23. – №4. – P. 379–395.


Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4