Témata
Reklama

Plazmová povrchová úprava nanovlákených polymerních struktur

Technologie plazmových povrchových úprav spočívá v navázání funkčních skupin na povrch řetězce polymeru v plazmovém výboji. Jedná se převážně o hydroxylové skupiny. Nepolární charakter povrchu materiálu se tímto mění na polární, tedy hydrofobní povrch se stává hydrofilním či naopak. Tato technologie nachází stále širší uplatnění v různých průmyslových, ale i medicínských aplikacích.

Na povrchy předupravené plazmatem se aplikují lepidla, povlaky, inkousty, barvy aj., přičemž takto vytvořený spoj je spolehlivý a dlouhodobý, v některých faktorech lepší než při tradiční předúpravě povrchů.

Reklama
Reklama

Podstata plazmových procesů

Plazma je směs elektricky nabitých a neutrálních částic, které na sebe vzájemně působí. Považujeme ho tedy za ionizovaný plyn vzniklý odtržením elektronů z elektronového obalu atomů plynu nebo roztržením molekul (ionizací) – tedy dodáním energie či srážkami mezi sebou. Pomocí plazmových výbojů lze také zbavovat povrch různých nečistot, jako jsou tuky, mastné kyseliny nebo i bakterie. K očištění povrchu dochází jeho „bombardováním“ aktivními ionty a následným odsátím nečistot. Provádí se zejména před lepením nebo finálními úpravami, jako je např. lakování, potisk apod.

Podstata plazmových procesů spočívá ve vytváření aktivních částic (iontů, excitovaných atomů, radikálů atd.) průchodem plynu plazmovým výbojem (obr. 1). Tyto částice mohou například vytvářet vrstvy, vyvolávat chemické reakce nebo se jich aktivně účastnit. V našem případě aktivní částice plynu vzniklé ve výboji způsobují reakci na povrchu polymeru, kde dochází k navázání nových funkčních skupin na jeho řetězec, zejména OH skupin. Mění se tedy chemická struktura povrchu částic z nepolární na polární a hydrofobní materiál se stává hydrofilním. Výsledným efektem je požadovaná změna povrchové energie projevující se například zvýšením smáčivosti a disperze materiálu či zvýšením adhezních vlastností polymerů k jiným materiálům.

Obr. 1 Atmosférické plazma k modifikaci polymerních struktur

Hodnota povrchové energie před a po plazmové úpravě se řídí rovnováhou sil na rozhraní fází a je definována Youngovou rovnicí. V místě, kde je povrchové napětí kapaliny v rovnovážném stavu s nasycenými výpary, jde o rozhraní kapalné a plynné fáze. Pokud je povrchové napětí pevné látky v rovnovážném stavu spolu s nasycenými výpary, jedná se o rozhraní pevné a plynné fáze.

Aktivace – funkcionalizace povrchu polymeru

Aktivací volných radikálů na povrchu polymeru fyzikálním účinkem chemicky inertního plazmatu následně po vystavení chemicky reaktivní plynné atmosféře nastává funkcionalizace, tj. vytváření chemicky odlišných povrchových skupin účinkem chemicky aktivního plazmatu (obvykle hydrofilizace povrchu polymeru).

Roubování (grafting)

Cílem graftingu je spojit dvě chemické látky, které jiným způsobem spojit nelze. Ve většině případů jde o „naroubování“ jedné látky na polymer. Povrch polymeru je nejprve aktivován aplikováním plazmatu. Poté je takto upravený povrch roubován vybranými částicemi. Modifikace polymerních struktur pomocí atmosférického plazmatu umožňuje připravit povrch před aplikací lepidel, povlaků nebo před tiskem. Ve výrobních linkách pracuje plazma při atmosférickém tlaku a při běžných provozních rychlostech. Může se aplikovat na všechny druhy materiálů – plasty, gumu, sklo, keramiku, kovy, ale také na kombinaci kovových a nekovových povrchů (např. desky tištěných obvodů), kompozity (např. plasty vyztužené skleněnými vlákny) a jemné pórovité (pěnové) materiály. Je možné účinně upravovat i složité trojrozměrné tvary materiálů dokonce i s různými drážkami a malými dutinami stejně jako široké ploché povrchy. Zařízení je kompaktní a snadno se integruje do výrobních linek.

Aplikace plazmatu pomocí tryskových systémů skýtá široké možnosti uplatnění. Mimo laboratoře fyzikálního a chemického zaměření naleznou uplatnění v některých pokročilých technologiích polovodičového průmyslu, farmacii, zdravotnictví, mikroelektronice, v oboru materiálového inženýrství, v chemickém a strojírenském průmyslu při zvýšení smáčivosti povrchu (hydrofilita) nebo přilnavosti roztoků, krycích barev, konzervačních prostředků, lepidel aj., dále ke zvýšení nasákavosti materiálu, hlubší penetraci impregnačních prostředků. Praktické příklady aplikací:
• zvýšení adheze lepených spojů – při lepení plastů aplikací plazmové trysky není nutné používat předúpravu povrchu; při lepení sklo na sklo lze dosáhnout zvýšení adheze lepeného spoje o 25 % ve srovnání se standardními postupy;
• zvýšení hydrofobity (ultrahydrofobita) – povrch předmětu je vůči kapalinám nesmáčivý a má samočisticí vlastnosti pro prach a jiné nečistoty;
• vytváření vrstev nebo klastrů kovů z různých prekurzorů pomocí redukčních procesů ve výboji plazmových trysek – nanostrukturní a mikrostrukturní materiály, kompozity apod.;
• ekologické vytvrzování pryskyřic na bázi formaldehydu;
• zlepšování visko-elastických vlastností ochranných vrstev na plastech;
• relaxace povrchových vrstev.

Modifikace nanovlákenných vrstev PVA v plazmě

V experimentech modifikace nanovlákenných vrstev byly použity vzorky připravené z  nanovlákenných vrstev PVA. K určení povrchových vlastností nanovlákenných vzorků PVA modifikovaných v plazmatu byl použit přístroj Advex Instruments. Modifikace nanovlákenných vrstev PVA plazmatem významným způsobem ovlivňuje jejich smáčivost. Nemodifikované vzorky jsou silně hydrofilní (kontaktní úhel 22°). Vzorky modifikované plazmatem byly charakterizovány hydrofobními vlastnostmi (kontaktní úhel 119°). Obrázek 2 ukazuje kapku na povrchu nanovlákenného vzorku síťovaného PVA v první vteřině po jejím nanesení na modifikovaný a nemodifikovaný vzorek.

Obr. 2 Kapka destilované vody na povrchu nanovlákenného vzorku PVA: modifikovaný vzorek (a), nemodifikovaný vzorek (b)

Morfologie nanovlákenných vrstev PVA

Vzhled povrchu nanovlákenných vrstev PVA byl hodnocen pomocí skenovacího elektronového mikroskopu. Výsledky provedených studií ukázaly, že modifikace polymerní nanovlákenné vrstvy nesíťovaného PVA v metanovém plazmatu při zvolených podmínkách procesu neovlivňuje významným způsobem změnu jejich povrchu. Analýza SEM neukázala rozdíly v morfologii povrchu nanovláken modifikovaných a nemodifikovaných (obr. 3).

Obr. 3 SEM snímky nanovlákenných vrstev PVA: před modifikací plazmatem (a) a po modifikaci plazmatem (b)

Závěr

Plazmová povrchová úprava nanovlákených polymerních struktur přináší významné změny užitných vlastností povrchů. Současně nedochází k degradaci jemné nanovlákenné struktury. Tato technologie umožňuje průmyslové nasazení všude tam, kde je třeba funkcionalizovat povrch polymerních materiálů.

Poděkování:
Výsledky tohoto projektu LO1201 byly získány za finančního přispění Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I“.
Technická univerzita v Liberci

Petr Louda, Totka Bakalova, Roman Kumpošt

petr.louda@tul.cz

www.tul.cz

Reklama
Firmy
Související články
Ambiciózní projekt: Vývoj a výzkum nanomateriálů

Jedním z nejrychleji se rozvíjejících oborů současnosti jsou obory zabývající se nanomateriály a nanotechnologiemi. Tato velmi perspektivní disciplína nachází široké uplatnění ve všech oborech lidské činnosti. Jde však o vědní obor velmi mladý, takže principy výroby, aplikací a jejich zkoušení nejsou dosud dostatečně popsány. A to byl právě impulz pro vznik Ústavu pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace v Liberci.

Plastové materiály v reflexi K 2013

Inovační dopad exponátů prezentovaných na düsseldorfském veletrh plastů K do praktických aplikací, zejména zajímavých plastových materiálů, je aktuální nejen půl roku po skončení akce, kdy vám tento článek přinášíme, ale má časový přesah dalece větší. Aplikace automobilových plastů jsou možná divácky atraktivnějšími na autosalonech, avšak ty zajímající všechny jsou nové lehké materiály pro úsporu energie, šetřící jim kapsu.

Laserové řešení pro plastikářský průmysl

Konvenční technologie opracování plastů již v mnoha případech nevyhovuje požadavkům koncových uživatelů. Moderní lasery posouvají kvalitu výroby plastů na zcela novou úroveň. Lastic představuje implementaci nejmodernějších laserových technologií a ergonomického ovládání do jediného produktu, jenž je navržen tak, aby jeho aplikace do stávajících výrobních linek byla zcela bezproblémová.

Související články
Nové možnosti průmyslového využití plastů

Supertechnopolymery představují nejnovější a nejvyspělejší článek ve vývoji polymerových materiálů. Od tradičních plastů se liší především vysokým obsahem vyztužujících skelných vláken, případně i přítomností syntetických vláken z aramidu, která dávají supertechnopolymerům výborné mechanické i tepelné vlastnosti. Díky své vysoké odolnosti se tyto moderní inženýrské plasty stále častěji stávají vhodnou alternativou za oceli, přičemž nabízejí i řadu výhod:

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Kompozitová kapota sériového vozu Ford Focus

Na říjnovém veletrhu Composite Europe 2012 v Düsseldorfu vystavil Ford první přední kapotu sériového vozu Ford Focus z  CFRP kompozitu z uhlíkových vláken, vyrobenou vysokorychlostním procesem vhodným pro velkosériovou výrobu.

Vyztužené termoplasty v letecké konstrukci

Historie firmy Letov má svůj počátek v listopadu 1918, kdy byl založen státní letecký vojenský podnik nazvaný "Letecký arsenál". Společnost prošla několika etapami, od vývoje a výroby vlastních letounů postupně až k vývoji a výrobě letadlových celků.

Trexel pro vyšší využití procesu MuCell

Americká společnost Trexel inc. po nabytí licencí od Massachusetts Institute of Technology rozvíjí proces MuCell a vyrábí techniku pro vstřikování lehčených materiálů. Koncem února oznámila, že uzavřela partnerství s tchajvanskou firmou CoreTech pro využití jejího simulačního software Moldex3D.

Materiálová řešení vodovodních fitinků

V posledních letech legislativa zpřísňuje předpisy o povoleném obsahu olova v materiálech přicházejících do styku s pitnou vodou. Týká se to především mosazi, tradičního materiálu na výrobu spojovacích součástí vodovodních systémů (fitinků).

Synergie: klíč úspěchu

Na to, jak je mladý už toho ve své profesi dokázal vskutku hodně. Už na začátku vysokoškolského studia začal podnikat v oblasti jachtingu, do čehož spadá například distribuce materiálů pro povrchové úpravy a poradenství. Dnes je Ing. Viktor Brejcha nejen spojován se společností Sea-Line, ale především je specialistou pro kompozitní materiály ve společnosti Siemens Mobility.

Laserová i optická řešení a mnohem více

Pravidelné podzimní dny otevřených dveří uspořádala pro své současné i potenciální zákazníky koncem září společnost Lascam systems. Po tři dny mohli zájemci o laserové technologie navštěvovat showroom dceřiné společnosti Elya Solutions v Horních Počernicích, kde bylo v provozu více než sedm různých aplikací dceřiných i zastupujících společností. Jednotlivá stanoviště prezentovala široké portfolio aplikací a služeb, jež integrátorská společnost Lascam nabízí.

Výrobní laserové technologie

Výrobní laserové technologie lze dělit mnoha způsoby-, podle použitého výkonu, délky pulzu nebo interakce s materiálem. Nejjednodušší způsob rozdělení laserových technologií je do tří skupin: dělení a odebírání materiálu, spojování materiálu a úprava povrchu materiálu. Vzhledem k rozmanitosti využití laseru není toto dělení zcela jednoznačné a existuje několik dalších technologií, které se nacházejí mezi těmito kategoriemi.

Průmyslové využití nejvýkonnějších laserů

Již několik desetiletí jsme svědky postupného nabývání významu a upevňování pozice laserů nejen v průmyslových provozech, ale i ve zdravotnictví, metrologii a mnoha dalších oblastech. Na stránkách tohoto vydání je uvedeno hned několik možností jejich využití, všechny jsou však velmi vzdálené možnostem laserů vyvíjených v centru HiLASE. V Dolních Břežanech u Prahy totiž vyvíjejí „superlasery“.

Současný vývoj v oblasti svařování

Svařování, resp. spojování materiálů je v podstatě průřezová skupina technologií, která ovlivňuje prakticky všechny průmyslové obory. Některé obory by bez svařování a dalších způsobů spojování materiálů dnes již nemohly vůbec existovat, např. výroba automobilů, výroba konstrukcí ve stavebnictví a řady strojírenských složitých výrobků, včetně energetických zařízení.

20 milionů lakovaných klik pro všechny značky automobilů

Moderní doba přináší moderní technologie také do automobilového průmyslu i samotných automobilů. Bezdotykové otvírání např. zadních dveří se již u některých modelů automobilů různých značek objevuje, avšak doba ještě nedospěla k úplnému odstranění vnějších klik k mechanickému otevírání vozu. Společnost WITTE Automotive se orientuje na výrobu zámků a zámkových aretací pro automobily snad všech světových výrobců. V novém závodě v Ostrově u Karlových Varů nedávno uvedla do provozu také velmi moderní lakovací linku právě pro vnější lakované kliky automobilů.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit