Doktorska disertacija
Funkcionalizacija fluoriranih polimerov z nizkotlačnimi plazmami
Ogledi: 6 | Prenosi: 7
Povzetek
V doktoratu smo obravnavali problematiko funkcionalizacije fluoriranih polimerov. Ker pri
kemijskih metodah funkcionalizacije fluoriranih polimerov uporabljajo okolju nevarne
kemikalije, smo se pri naših raziskavah posvetili uporabi nizkotlačnih neravnovesnih
radiofrekvenčno (RF) induktivno sklopljenih plazem okolju prijaznih plinov. Osredotočili
smo se na politetrafluoroetilen (PTFE), ki je najbolj reprezentativen fluoriran polimer. Z
uporabo XPS-a, SIMS-a in goniometrije (kontaktni kot vodne kapljice) smo proučevali
interakcije med nizkotlačno hladno vodikovo plazmo in površino PTFE. Po optimizaciji
funkcionalizacije površine PTFE z vodikovo plazmo smo proučevali interakcije med
predhodno obdelanimi vzorci z vodikovo plazmo in nizkotlačno hladno kisikovo plazmo.
Gostote O-atomov smo merili s kobaltovo katalitično sondo. Zaporedna obdelava PTFE z
nizkotlačno vodikovo in kisikovo plazmo nam je omogočila superhidrofilizacijo površine
PTFE, na kateri smo dosegli kontaktni kot vodne kapljice približno 5°. S selektivno
izpostavitvijo PTFE vakuumskemu ultravijoličnemu (VUV) sevanju v vodikovi plazmi smo
odkrili, da je VUV glavni vzrok za cepljenje vezi C−F v površinski plasti PTFE, kar
povzroča nastanek prostih vezi. Ugotovili smo, da so H-atomi zelo pomembni, ker se vežejo
na proste vezi in vežejo sproščen fluor v molekule HF. Obdelava z vodikovo plazmo je
povzročila takojšen nastanek (po 1 s) nekaj nm debele poliolefinske plasti, ki skoraj ni
vsebovala fluora. Na površini vzorcev, obdelanih z vodikovo plazmo, je bil kontaktni kot
vodne kapljice okoli 95°. PTFE s poliolefinom podobno površinsko plastjo smo nato
obdelovali v postrazelektritvenem območju kisikove plazme. Ugotovili smo, da je bila pri
dozi O-atomov približno 1×1023 m−2, superhidrofilnost (kontaktni kot okoli 5°) predhodno
obdelane površine PTFE dosežena takoj oziroma po 0,2 do 0,3 s. Vsebnost kisika na
obdelani površini, ki smo jo določili z XPS-om, je bila približno 20 at.% in je ostala
konstantna v širšem območju doz O-atomov. Kisik se je vezal v hidrofilne oziroma
hidronevtralne funkcionalne skupine, kot so hidroksilna, karboksilna in karbonilna.
Kontaktni kot je ob večanju doze O-atomov dosegel minimum, čemur je sledila povrnitev
površine v hidrofobno stanje. Po dolgotrajni obdelavi s kisikovo plazmo smo na površini
dosegli F/C razmerje neobdelanega polimera. Popolna povrnitev v hidrofobno stanje
nakazuje, da obstajata sočasna kompetitivna procesa funkcionalizacije in jedkanja. Na
podlagi konstantne vsebnosti kisika v širokem razponu doz O-atomov okoli minimuma
kontaktnega kota smo ugotovili, da kontaktni kot ni odvisen le od kemične sestave
površine, ampak tudi od površinske hrapavosti, na katero vpliva jedkanje. Metodo
hidrofilizacije vzorcev PTFE smo dokazali v majhnem eksperimentalnem plazemskem
sistemu. Da bi naše raziskave približali industriji, smo razvili reaktor industrijske velikosti,
ki generira plazmo s štirimi tuljavami, vezanimi vzporedno z istim RF generatorjem.
Takšen reaktor lahko uporabljamo za obdelavo polimerov skoraj poljubnih oblik in
velikosti. Posebnost tega sistema je možnost izenačevanja impedanc vodnikov za vsako
tuljavo posebej s pomočjo drsnikov. RF tuljave smo namestili v reaktor. Skonstruirali smo
inovativne dielektrične razelektritvene cevi potopljene v reaktor, ki so omogočale
namestitev tuljav v prostoru, kjer je bil zrak pri atmosferskem tlaku, s čimer smo preprečili
nastanek obločne plazme in kakršnih koli interferenc elektromagnetnih polj s kovinskimi
deli reaktorja. Inovativna rešitev je omogočila visoko gostoto atomov v kovinski komori
zaradi zmanjšane rekombinacije nevtralnih atomov. Uspelo nam je doseči skoraj popolno
izenačitev porazdelitve moči med tuljavami in s tem enakomerne prehode med načinoma
plazme v vseh tuljavah pri povišanju RF moči. Prehoda med plazemskima načinoma se
nanašata na število tuljav, ki generirajo plazmo v določenem načinu. Enakomerna
porazdelitev moči med vsemi tuljavami je omogočila prehode iz E- v H-način za vse štiri
tuljave pri zmernih močeh. Pravilno delovanje na novo skonstruiranega plazemskega
sistema smo dokazali s sistematičnimi meritvami gostote O-atomov v reaktorski posodi. V
bližini izstopov plazme iz razelektritvenih cevi smo opazili znatne gradiente, vendar smo
21 cm pod dielektričnimi cevmi izmerili homogeno porazdelitev gostote nevtralnih atomov
kisika približno 1,2×10[SUP]21 m−3.