Модификация частично ионизированным газом напыленного полимерного покрытия

УДК 677:678.5.026:3

И. А. Гришанова, О. С. Мигачева

МОДИФИКАЦИЯ ЧАСТИЧНО ИОНИЗИРОВАННЫМ ГАЗОМ НАПЫЛЕННОГО ПОЛИМЕРНОГО ПОКРЫТИЯ

Ключевые слова: поливинилиденфторид, высокочастотный разряд, покрытие, модификация, полипропилен, мононить,

структура, поверхность.

В данной работе рассмотрены возможности модификации напыленного полимерного покрытия с помощью низкоэнергетического воздействия при пониженном давлении в инертной среде. Установлено, что в определенных режимах воздействия частично ионизированного газа наблюдается изменение морфологии поверхностного слоя напыленного поливинилиденфторидного покрытия на полипропиленовых мононитях.

Keywords: polyvinylidene fluoride, high-frequency discharge, coating, modification, monofilament, structure, surface.

This paper discusses the possibility of modifying the deposited polymeric coating with a low energy impact at reduced pressure in an inert atmosphere. It was found that under certain conditions the impact of partially ionized gas, a change of the surface morphology of deposited polyvinylidene fluoride coating on polypropylene monofilaments .

Ведение

Одним из важнейших направлений современных технологических процессов легкой промышленности является получение текстильных материалов и изделий с заданными морфологическими и поверхностными физико-механическими свойствами. Для модификации поверхности материалов и осажденных покрытий, как следует из научно-технической литературы, широко используются различные виды электрофизических разрядов.

Для получения требуемой поверхностной структуры на подложках различной природы (металлов, полупроводников, диэлектриков) используются методы напыления, осуществляемые при атмосферном и пониженном давлениях [1-3]. Низкоэнергетическое напыление в контролируемой атмосфере позволяет осуществить реакцию между подложкой и напыляемым веществом в требуемом направлении, предотвратить загрязнение материала покрытия и подложки, что значительно увеличивает адгезионную прочность получаемого многослойного соединения.

Процесс нанесения полимерного покрытия при пониженном давлении заключается в формировании потока напыляемых частиц в сторону подложки, последующего их осаждения и образования напыленного слоя на поверхности образца.

Технология напыления основана на сложных физико-химических процессах, происходящих при образовании пленочного осаждения. При этом могут наблюдаться следующие механизмы образования покрытия:

- послойный рост покрытия;

-островковый рост;

- рост слоя с островками;

- статистическое осаждение напыляемого вещества [4, 5].

Реализация механизма в первых трех случаях определяется соотношением коэффициента поверхностного натяжения между подложкой и вакуумом, между пленкой и вакуумом и между подложкой и пленкой. При статистическом осаждении атомы осаждаемого вещества располагаются на поверхно-

сти согласно распределению Пуассона (случайное прилипание на месте падения).

Целью данной работы является исследование возможности модификации поверхности поливини-ленфторидной (ПВДФ) пленки, в частности «полировка» ее поверхности, в частично ионизированном газе. Имеющиеся литературные данные свидетельствуют о достаточно успешном применении данного способа на практике для «полировки» поверхности нанометрового слоя на металлических поверхностях и в различных разрядах [6, 7].

Объекты и методы исследования

Для напыления покрытия на полипропиленовую мононить использовался полидисперсный, полукристаллический поливинилиденфторидный порошок промышленного получения с размерами частиц от 3 до 10 мкм.

В качестве подложки применялись полипропиленовые мононити отечественного производства (КНИТУ) диаметром 480 мкм.

Нанесение поливинилиденфторидного покрытия осуществлялось на высокочастотной индукционной (ВЧИ) установке при остаточном давлении Р = 50 Па в среде инертного газа - аргона. Скорость подачи порошка в реакционную камеру не превышала У=0,03 г/с, длительность процесса напыления составляла 1=5 с. Технологические параметры обработки: напряжение и=80В, ток анода (на первой сетке) - 1а= 0,6 А, ток на второй сетке - 12= 120 мА.

Схема экспериментальной ВЧИ установки представлена на рисунке 1.

Модификацияация поверхности после напыления в ВЧИ разряде осуществлялась на экспериментальной высокочастотной емкостной (ВЧЕ) установке при остаточном давлении Р = 26 Па в среде инертного газа - аргон, при варьирование мощности разряда - от 1,5 до 3,5 кВт и продолжительности процесса - от 5 до 45 с. Описание данной установки нами представлено в работе [8].

Адгезионная прочность напыленного покрытия исследовалась Т-методом [1].

Морфология поверхности поливинилиденфто-ридного покрытия до и после модификации в час-

тично ионизированном газе изучалась микроскопическим методом на конфокальном лазерном сканирующем микроскопе марки OLS 4000 LEXT фирмы Olympus. Статистическая обработка результатов измерений проводилась с помощью программного пакета «Statistica 6.0».

Рис. 1 - Экспериментальная ВЧИ плазменная установка: 1 - емкость с порошком; 2 - игольчатый клапан; 3 - механическая система откачки; 4 - система электроснабжения; 5 - система газоснабжения; 6 - система водоснабжения; 7 - генератор; 8 - система диагностики; 9 - рабочая камера; 10 - индуктор; 11 - плазмотрон

Экспериментальные результаты и их обсуждение

На рисунке 2 представлено изображение исходной ПП мононити и поверхности напыленного ПВДФ покрытия, полученное на лазерном сканирующем микроскопе (ЛСМ).

, /' 1

№ - • Ш

v

ч-ш  м

i yZnjuH

Ш •. . Ш

Рис. 2 - ЛСМ - изображения исходной поверхности

Из приведенного рисунка следует, что осаждение частиц ПВДФ-порошка происходит по представленному выше четвертому механизму роста покрытия.

Изображения поверхностей ПП мононити с напыленным ПВДФ покрытием после модификации в высокочастотном емкостном разряде при различных параметрах напряжения, представленные на рисунке 3, свидетельствуют о значительном влиянии параметров на размер напыленных частиц порошка.

В ниже приведенной таблице представлены значения средней арифметической шероховатости Ra поверхности напыленного ПВДФ покрытия до и после модификации в ВЧЕ разряде при различных значениях напряжения.

Представленные данные подтверждают влияние параметров технологического процесса модификации в ВЧЕ разряде на морфологию поверхности напыленного ПВДФ покрытия. При минимальном значении напряжения разряда среднее значение шероховатости составляет Ra = 0,322 мкм, что на 19% меньше по сравнению со значением шероховатости покрытия, напыленного в ВЧИ разряде.

Рис. 3 - Изображения поверхностей модифицированного в ВЧЕ разряде ПВДФ покрытия:

Однако с увеличением значения напряжения разряда от U = 1,5 кВ до U = 3,5 кВ значение средней шероховатости увеличивается на 10%. Полученные данные обусловлены, вероятно, процессом абляции при температуре не превышающей температуру фазового перехода, а разогрев полимера связан с воздействием активных частиц на поверхность полимера с выделением тепла.

Аналогичная величина уменьшения Ra по сравнению с исходным значением Ra полипропиленовой мононити нами наблюдалась при первой обработке

а

нити в ВЧЕ разряде [9].

Адгезионную прочность ПВДФ покрытия на полипропиленовой мононити определяли согласно американскому стандарту ASTM D3359-02 по отрыву липкой адгезионной ленты Scotch 810, фиксируя какое количество покрытия удаляется с поверхности мононити, по методике, описанной в [1].

Проведенные испытания показали достаточный уровень адгезии сформированного ПВДФ покрытия на мононити. Отрыв липкой ленты во всех случаях проходил по границе раздела: скотч - покрытие. После серии проведенных испытаний не зафиксировано отслоений или осыпания покрытия.

Таблица 1 - Значения Ra шероховатости поверхности напыленного ПВДФ покрытия до и после модификации в ВЧЕ разряде

Исследуемый образец Напряжение Среднее

ВЧЕ разряда, U, кВт значение Ra, мкм

1111 мононить - исход- - 0,033

ная

ПП мононить с ПВДФ 0,08 0,399

покрытием в ВЧИ-

разряде

ПП мононить с моди- 1,5 0,322

фицированным ПВДФ

покрытием в ВЧЕ раз-

ряде

ПП мононить с моди- 2,5 0,357

фицированным ПВДФ

покрытием в ВЧЕ раз-

ряде

ПП мононить с моди- 3,5 0,442

фицированным ПВДФ

покрытием в ВЧЕ раз-

ряде

Выводы

1. Показана возможность модификации осажденного в ВЧИ разряде полимерного покрытия в среде частично ионизированного газа.

2. Определение адгезионного взаимодействия покрытия с мононитью показало достаточно прочное взаимодействие компонентов.

3. При определенных условиях модификации в ВЧЕ разряде возможна «полировка» поверхностного слоя полимерного покрытия.

Литература

1. Яблоков М.Ю., Кечекьян А.С., Пискарев М.С., Гильман

A.Б., Кузнецов А.А. V Международный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии, XII Школа по плазмохимии для молодых уч. России и стран СНГ, Иваново, 2, 398-401

2 Костржитский А.И. Лебединский Многокомпонентное вакуумное покрытие М.: Машиностроение 1987 207 с

3 Кудинов В.В, Бабров Г.В., Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование М.: Москва Металлургия, 1992, - 431 с.

4 Лотин А.А., Новодворский О.А., Хайдуков Е.В., Рочева

B.В., Храмова О.Д., Панченко В.Я., Венцель К., Трум-пайска Н., Щербачев К.Д. Физика и техника полупроводников, 44, 2, 260-264 (2010).

5 Трушин О.С., Бочкарев В.Ф, Наумов В.В. Микроэлектроника, 2000, Т29, 4, 296-309

6 Абдуллин И.Ш., Желтухин В.С., Сагбиев И.Р., Шаехов М.Ф. Модификация нанослоев в высокочастотной плазме пониженного давления. Из-во Казан. технол. ун-та, 2007. - 356 с.

7 Пискарев М.С. Модифицирование поверхности пленок полифторолефинов в тлеющем разряде постоянного тока: дис. ... канд. хим. наук. М., 2010. 120 с.

8 Гришанова И.А., Шарафеев Р.Ф., Мигачева О.С. В сб статей 1 всероссийской н/практ.конф.с элементами научной школы. Наноматериалы, нанотехнологии, на-ноиндустрия. КГТУ, Казань,100-103, (2011).

9 Гришанова И. А., Зенитова Л. А., Спиридонова Р. Р., Мигачева О. С. Вестник Казанского технологического университета 16, 17, 202-204 (2013).

© И. А. Гришанова - к.т.н., доцент кафедры МТ КНИТУ, 314199@mail.ru; О. С. Мигачева - аспирант кафедры МТ КНИТУ, olenka_m88@mail.ru.

© I. A. Grishanova - Ph.D, Associate Professor MT KNRTU, 314199@mail.ru; O. S. Migacheva - graduate student MT KNRTU, olenka_m88@mail.ru.