اصلاح سطح پلیمر

اصلاح سطح پلیمر

ایجاد یک سطح پلیمری با هزینه کم، بلورینگی کنترل شده، پایداری شیمیایی و مکانیکی، کاربرد پلیمرها را در صنایع انرژی، آب، الکترونیک و زیست پزشکی ممکن می سازد. مطالعات اخیر نشان داده است که خواص سطحی پلیمرها بر دوام و عملکرد آنها در این کاربردها تأثیر می گذارد. با این حال، عملکرد دستگاه‌ها و سیستم‌های مبتنی بر پلیمر تا حد زیادی تحت تأثیر روش اصلاح و پارامترهای فرآیند قرار می‌گیرد و نیاز به درک دقیق این روش‌ها و مکانیسم‌های عملکرد آنها را برجسته می‌کند. انتخاب روش اصلاح همواره خواص افزایش یافته در پلیمر را تعیین می کند. اصلاحات سطحی دامنه کاربرد پلیمرها را به دلیل ویژگی‌های مواد حجیم قابل تنظیم مانند کشش، استحکام کششی و چگالی گسترده‌تر می‌کنند.

پلیمر و انواع آن

پلیمرها نقش اساسی در پیشرفت فناوری، مهندسی کاربردی و مواد داشته اند. آنها همتایان فلزی خود را در پزشکی، ساخت و ساز، انرژی، تصفیه آب و کاربردهای الکترونیکی تصاحب کرده اند. این به دلیل هزینه های پایین مواد و پردازش، طیف گسترده ای از کشش، استحکام، هدایت، تجزیه پذیری، و سازگاری با فرآیندهای تولیدی در حال تکامل و سهولت نسبی مدولاسیون ویژگی آنها است. بسته به منبع و روش سنتز، پلیمرها می توانند طبیعی یا ساخته دست بشر باشند.

پلیمرهای طبیعی مانند کیتوزان، کلاژن، و سلولز بسیار تجزیه پذیر هستند و به طور گسترده در کاربردهای مهندسی و زیست پزشکی استفاده می شوند.

تکامل پلیمرهای مصنوعی مانند پلی اتیلن، پلی اورتان، سیلان ها و استایرن ها به توسعه سیستم های پلیمری بادوام و مقاوم در برابر سایش کمک کرده است.

رویکردهای اصلاح سطح پلیمر

اصلاح سطح پلیمرها روشی پرکاربرد برای ایجاد اثرات مطلوب کوتاه مدت و بلند مدت برای عملکرد کارآمد آنها است. در حالی که کارایی مواد موجود را افزایش می‌دهد، درمان‌های سطحی دامنه کاربرد پلیمرها را به دلیل ویژگی‌های مواد حجیم قابل تنظیم مانند کشش، استحکام کششی و چگالی گسترده‌تر می‌کنند.

تعدیل انرژی سطحی ماده

رایج‌ترین راه‌ها تعدیل انرژی سطحی ماده برای افزایش یا کاهش چسبندگی آن، خواص رطوبت پذیری، جذب یا آزادسازی در جایی که پلیمر در معرض قرار می‌گیرد است.

• به فرآیندهای شیمیایی، یونی یا مبتنی بر نور که می‌توانند انرژی‌های سطحی را با افزودن گروه‌های عاملی به ماده بازسازی کنند.

• جایگزین دیگر تنظیم زبری سطح پلیمر توسط فرآیندهای سایشی مکانیکی یا شیمیایی است که در آن لایه بالایی پلیمرها با استفاده از ساینده‌های مرطوب یا خشک اصلاح می‌شود. این باعث ایجاد زبری در مقیاس میکرو و نانو در سطح پلیمر می شود که امکان تعدیل خواص ضد خیس شدن و ضد رسوب را فراهم می کند.

زبری و انرژی سطح را می‌توان با روش‌های مختلفی مانند:

• اچ شیمیایی
• روش‌های فیزیکی
• تابش اشعه ماوراء بنفش
• درمان کرونا/پلاسما
• تکنیک‌های الگوبرداری ناشی از لیزر

تنظیم کرد.

اصلاح سطح فیزیکی پلیمر

اصلاح سطح پلیمر با روش های فیزیکی نسبتاً ساده، مقرون به صرفه و مقیاس پذیر است. همچنین سازگار با محیط زیست است زیرا نیازی به استفاده از مواد شیمیایی ندارد. در کنار خواص سطحی مطلوب، استحکام سطح پلیمری ساخته شده نیز برای کاربردهای صنعتی آن مهم است. روش‌های اصلاح فیزیکی سطوح پلیمری را ارائه می‌دهند که در مقایسه با پلیمرهای اصلاح‌شده با روش‌های دیگر مانند درمان‌های شیمیایی، در برابر ساینده مقاوم‌تر هستند. برخلاف سایر روش‌های درمان سطحی که در آن عملیات روی سطح پلیمری از قبل تشکیل شده انجام می‌شود، اصلاح فیزیکی به عنوان بخشی از خود ساخت سطح انجام می‌شود.

روش هی فیزیک ا ترشوندگی سطح را با القای زبری در مقیاس میکرو و نانو تغییر می دهند. محققان زبری سطح را برای دستیابی به خواص فوق آبگریز برای کاربردهای مختلف تنظیم کرده اند. انتقال از حالت آبدوست به حالت آبگریز تر را می توان به سادگی با تغییر زبری سطح به دست آورد.

پلیمرهای اصلاح شده با روش‌های فیزیکی قوی هستند و پیری یا فرسودگی را نشان نمی‌دهند، زیرا زبری سطح تولید شده به ندرت بر شیمی سطح پلیمر تأثیر می‌گذارد. در غیر این صورت، روش‌های اصلاح فیزیکی همیشه ارجح هستند. با این حل، این رویکرد محدود به پلیمرهای ترموپلاستیک است که می‌توانند در حالت جامد یا مذاب پردازش شوند، بدون اینکه خواص توده‌ای مانند استحکام مکانیکی و کشسانی را تغییر دهند.

سطح پلیمر در ابتدای ساخت با استفاده از روش‌های زیر اصلاح می شود:

• قالب‌گیری تزریقی
• اکستروژن
• قالب گیری لایه بندی

اصلاح سطح شیمیایی پلیمرها

اصلاح سطح شیمیایی پلیمرها در مناطقی مفید است که روش‌های فیزیکی مرسوم برای برآوردن نیازهای صنعت مانند کاربردهای زیست‌پزشکی ناکافی یا نامناسب هستند، جایی که خواص افزایش یافته بدون تغییر زبری سطح مورد نظر است. اکثر روش‌های اصلاح سطح شیمیایی شامل روش‌های مرطوب هستند که در آن پلیمر غوطه‌ور یا پوشش یا اسپری می‌شود تا خواص سطحی آن افزایش یابد و همچنین برای حذف زباله‌ها و میکروب‌ها از سطح برای تسهیل یک محیط استریل مناسب برای کاربردهای زیست‌پزشکی کاربر دارد.

اچ شیمیایی

اچینگ شیمیایی مرطوب با بومی سازی گروه های عاملی اکسید شده روی سطح به افزایش انرژی سطح کمک می کند. این روش به دلیل نفوذ عمیق حلال به منافذ ماتریس پلیمری مؤثر است و بدین وسیله عملیات پلیمری در مقیاس بزرگ را با هزینه های بسیار کم امکان پذیر می کند. مواد شیمیایی مرطوب امکان پردازش انتخابی مواد را برای کاربردهای مختلف فراهم می کند.

با روش اچ شیمیایی با استفاده از اکسید کننده ها یک لایه زبر در لایه های بالایی ایجاد می شود که چسبندگی سطحی بدون به خطر انداختن خواص مکانیکی، افزایش یابد.

از عوامل اچ کننده پلیمری میتوان به موارد زیر اشاره کرد:

• پتاسیم یدید
• هیدروکسید سدیم
• استونیتریل-پرمنگنات-سولفوریک اسید

تیمارهای شیمیایی مرطوب طیف وسیعی از معرف‌ها را برای درمان انتخابی پلیمرها در مقیاس بزرگ و با حداقل هزینه ارائه می‌دهند، اما به یک رویکرد دقیق نیاز دارند زیرا سرعت واکنش به قدرت معرف، ترکیب مواد و زمان بستگی دارد. علاوه بر این، روش‌های اضافی مانند شستشو و خشک کردن قبل از پردازش بیشتر پلیمر مورد نیاز است، که همواره میزان زباله‌های خطرناک تولید شده در طی یک عملیات تصفیه سطحی را افزایش می‌دهد. بنابراین، اصلاح سطح از طریق مسیرهای شیمیایی مرطوب تا زمانی که کاربرد غیرتهاجمی باشد و حداقل عوارض جانبی مانند اچینگ پیشگیرانه را داشته باشد، مطلوب است و تغییرات در فاز کریستالی توده مواد در نهایت نگرانی عمده ای ندارد.

اصلاح سطح پلیمر توسط پلاسما

اصلاح پلاسما به دلیل فرآیند نسبتا ساده آن که تمیز، بدون حلال، سریع و سازگار با محیط زیست است، اهمیت گسترده ای یافته است. در عملیات پلاسمای سطحی، از گازهای بی اثر مانند اکسیژن، نیتروژن و هیدروژن برای جداسازی و واکنش با سطح بستر و تغییر خواص آن مانند ترشوندگی، قابلیت چاپ و چسبندگی استفاده می شود. مخلوط گازی حاوی ذراتی مانند الکترون‌های آزاد، یون‌ها و رادیکال‌هایی با بار الکتریکی خالص تقریباً صفر تا جریان انرژی بالا مانند تابش یا میدان الکتریکی. ذرات برانگیخته می توانند با گسیل فوتون به سطح انرژی اولیه خود برگردند که باعث درخشندگی پلاسما می شود.

دو نوع واکنش بین سطح و پلاسما وجود دارد که اثرات معکوس بر روی سطح دارند:

• پلیمریزاسیون پلاسما که رسوب یک لایه پلیمری بر روی سطح است
• فرسایش پلاسما که حذف لایه پلیمری از سطح است.

ماهیت گاز، بسترها و شرایط تخلیه عوامل مهمی در تعیین اینکه کدام یک از این واکنش ها بین سطح و پلاسما رخ می دهد، هستند.

به طور کلی، پلاسماها را می توان بر اساس دمای گاز به دو دسته تقسیم کرد:

• پلاسماهای حرارتی
• پلاسماهای غیر حرارتی (سرد)

پلاسمای حرارتی

پلاسماهای حرارتی با دمای بسیار بالای الکترون ها و ذرات سنگین (هر دو باردار و خنثی) مشخص می شوند و بنابراین نمی توان برای اصلاح سطح مواد حساس به حرارت مانند پلیمرها استفاده کرد. در مقابل، پلاسماهای غیرحرارتی ذرات با دمای پایین (نوع های مولکولی و اتمی باردار و خنثی) و الکترون های نسبتاً با دمای بالا را تشکیل می دهند.

پلاسمای سرد

در پلاسمای سرد دمای الکترون ها 10 تا 100 برابر بیشتر از دمای گاز سرد است. با این حال، در نتیجه ظرفیت گرمایی بسیار کم و چگالی بسیار کم الکترون ها، معمولاً دمای نهایی پلاسما به اندازه دمای اتاق پایین است. از آنجایی که یون ها نسبتاً سرد می مانند، پلاسمای غیر حرارتی هیچ آسیب حرارتی به سطوح در تماس وارد نمی کند. این خواص برای عملیات سطحی مواد حساس به حرارت و شکننده مانند پلیمرهایی با لکه‌های بیولوژیکی فعال مفید هستند.

اصلاح سطح پلیمر توسط تخلیه کرونا

تخلیه کرونا یک پلاسمای تعادل ترمودینامیکی غیرمحلی) است که ممکن است در هوا یا در اتمسفری از گازهای بی اثر یا فعال مختلف شروع شود. این فرآیند گروه های قطبی را معرفی می کند که به طور قابل توجهی انرژی سطح را بهبود می بخشد، که به طور ناخواسته بر زبری سطح، خواص چسبندگی و ترشوندگی تأثیر می گذارد. از زمان معرفی تخلیه تاج برای اصلاح لایه بالایی پلیمرها در دهه 1960، این تکنیک طیف وسیعی از کاربردها را با اهداف هدف افزایش انرژی سطح پایین ذاتی، چسبندگی رزین الیافی پلی استر، بهبود خواص ضد رسوب غشاهای پلیمری اولترافیلتراسیون برای جداسازی امولسیون ها، افزایش نفوذپذیری و گزینش پذیری غشای اصلاح شده برای کاربردهای جداسازی گاز ایجاد کرده است.

کرونا همچنین برای ضدعفونی و استریل کردن مواد بسته بندی پزشکی با استفاده از ازن به عنوان محیط گازی استفاده شده است.

راه‌اندازی درمان کرونا شامل یک ژنراتور، ترانسفورماتور و مجموعه‌ای از الکترودها است.که در آن الکترودهای زمین شده ممکن است با مواد عایق مانند پلی استرها، لاستیک‌های ولکانیزه، پوشش‌های اپوکسی، سرامیک، رزین یا الیاف شیشه پوشانده شوند. مقاومت در برابر گرما و نفوذ ازن را فراهم می کند. انتشار یون‌ها و رادیکال‌های غیریکنواخت مختلف را همگن می‌کند. الکترون‌های پرانرژی (102-104 برابر بیشتر از یون‌ها) منجر به از هم گسیختگی زنجیره‌های پلیمری می‌شود که واکنش‌های شیمیایی را آغاز می‌کند که منجر به اکسیداسیون، اتصال متقابل، و گاهی اوقات تخریب (بسته به قدرت تخلیه) به دلیل تشکیل الکتریک ها، باعث ایجاد گودال ها و وارد شدن گروه های قطبی و حذف لایه های مرزی ضعیف می شود. ظرفیت گرمایی کم از آسیب فیلم ها و الیاف جلوگیری می کند. تخلیه کرونا در مخلوط دو فازی هوا-جامد جریان کمتری را در برابر ولتاژ مربوطه نسبت به تخلیه های موجود در هوا تولید می کند. مطالعات پالسی کرونا نشان می دهد که ترشحات کرونا به طور قابل توجهی به قطبیت پالس بستگی دارد و بر این اساس جریان هایی با اشکال و اندازه های مختلف را تشکیل می دهد. طول استریمر با افزایش ولتاژ افزایش می‌یابد که می‌تواند جرقه جرقه بزند زمانی که بخش قابل توجهی از استریمر در کرونا شکاف الکترود را اشغال می‌کند.

اصلاح سطح پلیمر توسط امواج فرابنفش

اشعه ماوراء بنفش یک روش موثر، اقتصادی و کارآمد برای اصلاح سطح پلیمری بدون تماس با مراحل پردازش کمتر است. اصلاح با اشعه ماوراء بنفش معمولاً برای پخت پلیمرهای حساس به نور، برای افزایش چسبندگی سطح (آب دوستی) و برای عملکرد سطح توسط پیوند پلیمری با شروع نور در حضور شروع کننده نور انجام می شود. پخت با اشعه ماوراء بنفش فرآیندی است که روی فتوپلیمرها انجام می‌شود که در آن نور UV یک واکنش فتوشیمیایی را آغاز می‌کند که شبکه‌ای از پلیمرها را ایجاد می‌کند که خواص ساختاری و شیمیایی آن را تغییر می‌دهد. فرآیند پلیمریزاسیون حجیم فوتوپلیمر، ماده را سخت می کند تا برای کاربردهای عملی مناسب باشد و در عین حال شیمی سطح آن (مانند ترشوندگی و چسبندگی) را تغییر می دهد. توجه به این نکته مهم است که هدف اولیه از پخت اشعه ماوراء بنفش سخت شدن مواد در طول فرآیند ساخت به جای تغییر خواص سطحی است. از سوی دیگر، اصلاح سطح UV عمدتاً برای تغییر ترشوندگی (یا چسبندگی) سطح پلیمری از قبل سخت شده انجام می‌شود. میزان تغییر سطح از طریق نفوذ به سطح پلیمر به طور کلی ده‌ها میکرون در قدر است که توسط شرایط درمان UV مانند طول موج، شدت و مدت درمان تعیین می‌شود. عمل آوری با اشعه ماوراء بنفش فرآیندی با دمای پایین، سرعت بالا و بدون حلال است که در آن پخت به جای تبخیر، با پلیمریزاسیون انجام می شود

نکات مهم

• افزایش در نرخ تبدیل پلیمریزاسیون با افزایش غلظت شروع کننده نور و شدت تابش به دلیل در دسترس بودن رادیکال های آزاد بیشتر و واکنش های افزایش یافته در سطح پلیمر ایجاد می شود.
• نرخ پلیمریزاسیون با افزایش ضخامت لایه پلیمری به دلیل مشکل برای نفوذ نور UV به لایه‌های ضخیم‌تر کاهش می یابد.
• براقیت نهایی نمونه های پخت به شدت نور UV و ضخامت لایه بستگی دارد. نمونه‌هایی که در شدت نور فرابنفش بالاتر پخته شده‌اند به مقادیر براقیت بالاتری می‌رسند، اما این مقادیر با افزایش ضخامت لایه به دلیل اثر پوست پرتقال در طول پخت نمونه کاهش می‌یابد.
• سرعت پلیمریزاسیون با افزایش مقدار اکسیژن هوا کاهش می‌یابد، زیرا رادیکال‌های آزاد آغازگر به سرعت توسط مولکول‌های O₂ حذف می‌شوند تا رادیکال‌های پراکسیل تولید کنند و نسبت به پیوندهای دوگانه آکریلات برای شروع یا شرکت در پلیمریزاسیون واکنش نشان نمی‌دهند.
• استفاده از اتمسفر CO₂ برای غلبه بر اثر بازدارندگی اکسیژن استفاده می شود که منجر به نرخ پلیمریزاسیون بالاتر می گردد.

اصلاح سطح پلیمر توسط بازپخت حرارتی

بازپخت یکی دیگر از فرآیندهای مرسوم اما به همان اندازه مهم برای افزایش ویژگی های سطحی پلیمرهای لایه نازک و الیاف پلیمری در هم تنیده برای کاربردها در صنایع بسته بندی، الکترونیک و پوشاک است. همچنین به عنوان یک اصلاح پس از پردازش برای جلوگیری از بازسازی سطح و زوال ماتریس های پلیمری استفاده شده است. بازپخت یک فرآیند عملیات حرارتی است که در آن دمای مواد بین دمای انتقال شیشه و ذوب افزایش می‌یابد و به دنبال آن یک فرآیند خنک‌کننده آهسته به منظور بهبود استحکام مکانیکی پلیمرها  مانند پلیمرهایی که توسط الکتروریسی تولید می‌شوند، افزایش می‌یابد. بستر پلیمری تحت فرآیندهای پخت نرم یا سخت در کوره ای قرار می گیرد که در آن الیاف پلیمری به دلیل حرارت دهی مداوم، در ساختار خود دچار تغییرات مورفولوژیکی می شوند. این منجر به تغییر دینامیکی در خواص ساختاری آن مانند یکپارچگی غشا به دلیل همجوشی و همپوشانی الیاف شکننده می شود. علاوه بر این، بازپخت می‌تواند باعث تغییر ساختار مولکولی و ایجاد کریستالینیتی بالا شود، که منجر به افزایش مدول الاستیسیته یانگ می‌شود. بازپخت همچنین باعث اتصال متقاطع گونه‌های پلیمری فلوئوردار می‌شود و از مرطوب شدن جزئی لایه‌های پلیمری جلوگیری می‌کند. گونه های میزبان و آنها را پایدارتر می کند.

یکی از معایب اصلی بازپخت حرارتی این است که باعث تغییر قابل توجهی در خواص توده پلیمری می شود که ممکن است برای کاربردهایی مانند دستگاه های بیو ایمپلنت و سیستم های دارورسانی هدفمند مضر باشد.

در حالی که بازپخت حرارتی به عنوان یک روش مهم تغییر رسانایی در دستگاه‌های الکترونیکی، نوری و فوتونیکی مورد استفاده قرار گرفته است، قابلیت زنده ماندن این روش محدود به مناطقی است که تغییرات خصوصیات عمده اهمیت کمتری دارند.

اصلاح سطح پلیمر توسط الگوسازی

• سطوح پلیمری الگودار کاربردهای متعددی در الکترونیک، دستگاه های نوری و زمینه های زیست پزشکی دارند وخواص چسبندگی بهتری نسبت به سطح پلیمری اصلی دارند.
• ساختارهای پلیمری طرح‌دار نیز می‌توانند با کوپلیمرهای بلوک برای ساخت آرایه‌ها یا ستون‌های فلزی و مغناطیسی که در دستگاه‌های ذخیره‌سازی داده‌ها استفاده می‌شوند، ایجاد شوند.
• دستگاه‌هایی مانند دیودهای ساطع نور آلی (OLED) و ترانزیستورهای لایه نازک آلی (OTFT) از سطوح پلیمری طرح‌دار ایجاد شده با روش چاپ جوهر افشان استفاده می‌کنند.
• دستگاه‌های نوری، ماسک‌ها و قالب‌ها نیز توسط پلیمرهای طرح‌دار ساخته شده‌اند.
• سطوح پلیمری طرح‌دار برای غربالگری و فرآیند تشخیص در حسگرهای زیستی، در مهندسی بافت، و برای مطالعه زیست‌شناسی سلولی استفاده شده‌اند
• سطوح نانوالگو با خواص چسبندگی امکان تثبیت انتخابی بیومولکول‌ها بر روی نواحی چسبنده را فراهم می‌کند و پس‌زمینه را عاری از مولکول‌های زیستی می‌گذارد.

This article "اصلاح سطح پلیمر" is from Wikipedia. The list of its authors can be seen in its historical and/or the page Edithistory:اصلاح سطح پلیمر. Articles copied from Draft Namespace on Wikipedia could be seen on the Draft Namespace of Wikipedia and not main one.

---

 Facebook Page

 Follow us on Twitter !

Read or create/edit this page in another language

• اصلاح سطح پلیمر in English