Polymer overflate - Polymeric surface

Polymermaterialer har utbredt anvendelse på grunn av deres allsidige egenskaper, kostnadseffektivitet og høyt skreddersydd produksjon. Vitenskapen om polymersyntese tillater utmerket kontroll over egenskapene til en bulkpolymerprøve. Imidlertid er overflatevirkninger av polymersubstrater et viktig studieområde innen bioteknologi , nanoteknologi og i alle former for belegg . I disse tilfellene bestemmer overflatekarakteristikkene til polymeren og materialet, og de resulterende kreftene mellom dem i stor grad dets nytte og pålitelighet. I biomedisinske applikasjoner styres for eksempel kroppslig respons på fremmed materiale, og dermed biokompatibilitet, av overflateinteraksjoner. I tillegg er overflatevitenskap en integrert del av formulering, produksjon og påføring av belegg.

Kjemiske metoder

Et polymert materiale kan funksjonaliseres ved tilsetning av små deler, oligomerer og til og med andre polymerer (podningssampolymerer) på overflaten eller grensesnittet.

Podning av kopolymerer

De to metodene for co-polymer poding. Legg merke til forskjellen i tetthet av polymerkjeder, likevektskonformasjonen av polymermolekyler i løsning gir "sopp" -regimet vist for poding-på-metoden.

Pode, i sammenheng med polymerkjemi, refererer til tilsetning av polymerkjeder på en overflate. I den såkalte 'pode på' mekanismen adsorberes en polymerkjede på en overflate uten oppløsning. I den mer omfattende "poding from" -mekanismen initieres og forplantes en polymerkjede på overflaten. Fordi forpolymeriserte kjeder brukt i 'poding på'-metoden har en termodynamisk favorisert konformasjon i løsning (et likevekt hydrodynamisk volum), er adsorpsjonstettheten selvbegrensende. Den rotasjonsradius av polymeren er derfor en begrensende faktor i antallet polymerkjeder som kan nå overflaten og holder seg. "Grafting from" -teknikken omgår dette fenomenet og gir større podetettheter.

Prosedyrene med å pode "på", "fra" og "gjennom" er alle forskjellige måter å endre den kjemiske reaktiviteten til overflaten de fester seg med. Ved å pode inn kan en forhåndsformet polymer, vanligvis i et "soppregime", klebe seg til overflaten av enten en dråpe eller en perle i oppløsning. På grunn av det større volumet av den oppviklede polymeren og den steriske hindringen dette forårsaker, er podetettheten lavere for 'på' i forhold til 'poding fra'. Overflaten på perlen blir fuktet av polymeren, og samspillet i løsningen førte til at polymeren ble mer fleksibel. Den 'utvidede konformasjonen' av polymeren som er podet eller polymerisert fra overflaten av perlen, betyr at monomeren må være i løsningen og være der for lyofil. Dette resulterer i en polymer som har gunstige interaksjoner med løsningen, slik at polymeren kan dannes mer lineært. Transponering fra har derfor høyere podetetthet siden det er mer tilgang til kjedeendene.

Peptidsyntese kan gi et eksempel på en 'poding fra' syntetisk prosess. I denne prosessen dyrkes en aminosyrekjede ved en serie kondensasjonsreaksjoner fra en overflate av polymerperler. Denne podingsteknikken muliggjør utmerket kontroll over peptidsammensetningen ettersom den bundne kjeden kan vaskes uten desorpsjon fra polymeren.

Polymerbelegg er et annet område med anvendte podingsteknikker. I formuleringen av vannbåren maling blir latexpartikler ofte overflatemodifisert for å kontrollere partikkeldispersjon og dermed beleggingsegenskaper som viskositet, filmdannelse og miljøstabilitet (UV-eksponering og temperaturvariasjoner).

Oksidasjon

Plasmabehandling, koronabehandling og flammebehandling kan alle klassifiseres som overflateoksidasjonsmekanismer. Disse metodene involverer alle spaltning av polymerkjeder i materialet og inkorporering av karbonyl- og hydroksylfunksjonelle grupper. Inkorporering av oksygen i overflaten skaper en høyere overflatenergi som gjør at substratet kan belegges.

Metodikk

Et eksempel på reaksjonsskjema for spaltning av bindinger i polymerkjedene på en polyolefin overflate. Tilstedeværelsen av ozon, som et resultat av en ioniserende lysbue produsert av for eksempel en Corona-behandler, fører til oksidasjon av overflaten, noe som gir polære funksjoner.

Oksiderende polymere overflater

Koronabehandling

Koronabehandling er en overflatemodifiseringsmetode ved bruk av koronautladning ved lav temperatur for å øke overflatenergien til et materiale, ofte polymerer og naturlige fibre. Vanligvis rulles et tynt polymerark gjennom en rekke høyspenningselektroder, ved hjelp av plasmaet som er laget for å funksjonalisere overflaten. Den begrensede inntrengningsdybden til slik behandling gir kraftig forbedret vedheft, samtidig som de mekaniske egenskaper bevares.

Kommersielt har koronabehandling blitt brukt mye for forbedret fargestoffadhesjon før du skriver ut tekst og bilder på plastemballasjematerialer. Den farlige naturen til resterende ozon etter koronabehandling krever nøye filtrering og ventilasjon under prosessering, og begrenser implementeringen til applikasjoner med strenge katalytisk filtrerte systemer. Denne begrensningen forhindrer utbredt bruk innen åpne produksjonsprosesser

Flere faktorer påvirker effektiviteten til flammebehandlingen, slik som forholdet mellom luft og gass, termisk effekt, overflateavstand og oksidasjonssone. Ved oppfatningen av prosessen fulgte en koronabehandling umiddelbart filmekstrusjoner, men utviklingen av nøye transportteknikker tillater behandling på et optimalisert sted. Omvendt er koronabehandlinger i linjen implementert i fullskala produksjonslinjer som i avisindustrien. Disse løsningene er utviklet for å motvirke reduksjonen i fuktighetskarakteristika forårsaket av overdreven bruk av løsemiddel.

Atmosfær- og trykkavhengig plasmabehandling

Plasmabehandling gir grenseenergier og injiserte monomerfragmenter som er større enn sammenlignbare prosesser. Imidlertid forhindrer begrensede strømninger høye prosesshastigheter. I tillegg er plasmaer termodynamisk ugunstige, og derfor mangler plasmabehandlede overflater ensartethet, konsistens og varighet. Disse hindringene med plasmabehandling forhindrer at det er en konkurransedyktig overflatemodifiseringsmetode innen industrien. Prosessen begynner med produksjon av plasma via ionisering enten ved avsetning på monomerblandinger eller gassformede bærere. Kraften som kreves for å produsere den nødvendige plasmafluxen kan avledes fra aktivt volum masse / energibalanse:

${\ displaystyle \ textstyle \ int \ limits _ {{V \! ol} _ {I}} {k ^ {ion}} {n_ {e}} {n_ {0}} \, d {{V \! ol } _ {I}} = {\ frac {n_ {e}} {\ tau _ {n}}} {V \! Ol_ {I}}}$

hvor

${\ displaystyle {{V \! ol} _ {I}}}$ er det aktive volumet

${\ displaystyle k ^ {ion}}$ er ioniseringshastigheten

${\ displaystyle n_ {0}}$ er nøytral tetthet

${\ displaystyle n_ {e}}$ er elektrontettheten

${\ displaystyle \ tau _ {n}}$ er ionetapet ved diffusjon, konveksjon, feste og rekombinasjon

Dissipasjon initieres vanligvis via likestrøm (DC), radiofrekvens (RF) eller mikrobølgeeffekt. Gassioniseringseffektivitet kan redusere virkningsgraden mer enn ti ganger avhengig av bærerplasma og substrat.

Flammet plasmabehandling

Flammebehandling er en kontrollert, rask og kostnadseffektiv metode for å øke overflatenergi og fuktighet av polyolefiner og metalliske komponenter. Denne plasmabehandlingen ved høy temperatur bruker ionisert gassformig oksygen via jetflammer over en overflate for å tilsette polære funksjonelle grupper mens de smelter overflatemolekylene, og låser dem på plass etter avkjøling.

Termoplastisk polyetylen og polypropylen behandlet med kort eksponering for oksygenplasma har sett kontaktvinkler så lave som 22 °, og den resulterende overflatemodifiseringen kan vare i mange år med riktig emballasje. Flammeplasma-behandling har blitt stadig mer populær blant intravaskulære apparater som ballongkateter på grunn av presisjonen og kostnadseffektiviteten som kreves i medisinsk industri.

Innpakningsteknikker

Poding av kopolymerer til en overflate kan tenkes å feste polymere kjeder til et strukturelt forskjellig polymersubstrat med den hensikt å endre overflatefunksjonalitet samtidig som mekaniske egenskaper bevares. Arten og graden av overflatefunksjonalisering bestemmes av både valg av kopolymer og type og omfang av poding.

Fotografering

Modifiseringen av inerte overflater av polyolefiner, polyestere og polyamider ved poding av funksjonelle vinylmonomerer har blitt brukt for å øke hydrofobisitet, fargestoffabsorpsjon og polymeradhesjon. Denne fotograferingsmetoden brukes vanligvis under kontinuerlig bearbeiding av filament eller tynnfilm. I bulk kommersiell skala blir podingsteknikken referert til som fotoinitiert laminering, der ønskede overflater blir sammenføyd ved poding av et polymert adhesjonsnettverk mellom de to filmene. Den lave vedheft og absorpsjon av polyolefiner, polyestere og polyamider forbedres ved UV-bestråling av en initiator og monomer overført gjennom dampfasen til substratet. Funksjonalisering av porøse overflater har hatt stor suksess med høytemperatur fotograftingsteknikker.

I mikrofluidbrikker tillater funksjonalisering av kanaler rettet strømning for å bevare lamellær oppførsel mellom og innenfor kryss. Den ugunstige turbulente strømmen i mikrofluidapplikasjoner kan sammensette komponentfeilmodus på grunn av det økte nivået av gjensidig avhengighet og nettverkskompleksitet. I tillegg kan den påtrykte utformingen av mikrofluidkanaler reproduseres for fotografisering av de tilsvarende kanalene med høy nøyaktighet.

Overflaten analytiske teknikker

Måling av overflatenergi

I industrielle korona- og plasmaprosesser kreves kostnadseffektive og raske analysemetoder for å bekrefte tilstrekkelig overflatefunksjonalitet på et gitt substrat. Måling av overflatenergi er en indirekte metode for å bekrefte tilstedeværelsen av overflatefunksjonelle grupper uten behov for mikroskopi eller spektroskopi, ofte dyre og krevende verktøy. Kontaktvinkelmåling (goniometri) kan brukes til å finne overflatenergien til den behandlede og ikke-behandlede overflaten. Youngs forhold kan brukes til å finne overflatenergi forutsatt forenkling av eksperimentelle forhold til en trefasevikt (dvs. væskedråpe påført på en flat, fast overflate i en kontrollert atmosfære), noe som gir

${\ displaystyle {\ boldsymbol {\ gamma}} _ {SG} = {\ boldsymbol {\ gamma}} _ {SL} + {\ boldsymbol {\ gamma}} _ {LG} ~ {\ cos {{\ boldsymbol { \ theta}} _ {c}}}}$

hvor

${\ displaystyle {\ boldsymbol {\ gamma}} _ {ij}}$ betegner overflatenergien til grensesnittet fast-væske, væske-gass eller fast-gass

${\ displaystyle {{\ boldsymbol {\ theta}} _ {c}}}$ er den målte kontaktvinkelen

En serie løsninger med kjent overflatespenning (f.eks. Dyne-løsninger) kan brukes til å estimere overflateenergien til polymersubstratet kvalitativt ved å observere fuktbarheten til hver. Disse metodene er anvendelige for makroskopisk overflateoksidasjon, som i industriell prosessering.

Infrarød spektroskopi

Når det gjelder oksiderende behandlinger, vil spektra tatt fra behandlede overflater indikere tilstedeværelsen av funksjonaliteter i karbonyl- og hydroksylregioner i henhold til den infrarøde spektroskopi-korrelasjonstabellen .

XPS og EDS

Røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) og energidispersiv røntgenspektroskopi (EDS / EDX) er teknikker for sammensetningskarakterisering som bruker røntgeneksitasjon av elektroner for å diskrete energinivåer for å kvantifisere kjemisk sammensetning. Disse teknikkene gir karakterisering på overflatedyp på 1–10 nanometer, omtrent oksydasjonsområdet i plasma- og koronabehandlinger. I tillegg gir disse prosessene fordelen ved å karakterisere mikroskopiske variasjoner i overflatesammensetning.

I sammenheng med plasmabehandlede polymeroverflater vil oksyderte overflater åpenbart ha større oksygeninnhold. Elementaranalyse muliggjør kvantitative data som kan oppnås og brukes i analysen av prosesseffektivitet.

Atomkraftmikroskopi

Atomic force microscopy (AFM), en type skanningskraftmikroskopi , ble utviklet for å kartlegge tredimensjonale topografiske variasjoner i atomoverflater med høy oppløsning (i størrelsesorden brøkdel nanometer). AFM ble utviklet for å overvinne materialeledningsbegrensningene i elektronoverførings- og skannemikroskopimetoder (SEM & STM). Oppfunnet av Binnig, Quate og Gerbe i 1985, bruker atomkraftmikroskopi laserstrålebøyning for å måle variasjonene i atomoverflater. Metoden er ikke avhengig av variasjonen i elektronledning gjennom materialet, slik skanningstunnelmikroskopet (STM) gjør, og tillater derfor mikroskopi på nesten alle materialer, inkludert polymerer.

Anvendelsen av AFM på polymere overflater er spesielt gunstig fordi polymer generelt mangel på krystallinitet fører til store variasjoner i overflatetopografi. Overflatefunksjonaliseringsteknikker som poding, koronabehandling og plasmabehandling øker overflateruheten veldig (sammenlignet med den ubehandlede substratoverflaten) og måles derfor nøyaktig av AFM.

applikasjoner

Biomaterialer

Biomaterialoverflater blir ofte modifisert ved hjelp av lysaktiverte mekanismer (for eksempel fotografting ) for å funksjonalisere overflaten uten å gå på kompromiss med mekaniske egenskaper.

Modifikasjonen av overflater for å holde polymerer biologisk inert har funnet vidt bruk i biomedisinske applikasjoner som kardiovaskulære stenter og i mange skjelettproteser. Funksjonaliserende polymeroverflater kan hemme proteinadsorpsjon, som ellers kan initiere cellulær forhør på implantatet, en dominerende sviktmodus for medisinske proteser.

Smale biokompatibilitetskrav innen medisinsk industri har de siste ti årene drevet overflatemodifiseringsteknikker for å nå et enestående nivå av nøyaktighet.

Belegg

Adsorberte funksjonaliteter (f.eks. Overflateaktive molekyler) på en dispergert polymerpartikkel vekselvirker med solvatiserte assosiative fortykningsmidler (f.eks. Vandig cellulosepolymer) som gir ny reologisk oppførsel.

I vannbårne belegg skaper en vandig polymerdispersjon en film på substratet når løsningsmidlet er fordampet. Overflatefunksjonalisering av polymerpartiklene er en nøkkelkomponent i en beleggformulering som tillater kontroll over slike egenskaper som dispersjon, filmdannelsestemperatur og beleggingsreologien. Spredningshjelpemidler involverer ofte sterisk eller elektrostatisk frastøting av polymerpartiklene, noe som gir kolloid stabilitet. Spredningshjelpemidlene adsorberes (som ved poding på skjema) på latexpartikler som gir dem funksjonalitet. Forbindelsen av andre tilsetningsstoffer, slik som fortykningsmidler vist i skjematisk til høyre, med adsorbert polymermateriale gir opphav til kompleks reologisk oppførsel og utmerket kontroll over beleggets strømningsegenskaper.

Se også

Overflatemodifisering

Krefter mellom belagte overflater

Overflate engineering

Tribologi

Polymerisering

Funksjonelle grupper

Referanser