ΕΠΕΞΕΡΑΓΑΣΙΑ ΕΠΙΦΑΝΕΙΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ ΜΕ ΠΛΑΣΜΑ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗΣ ΠΙΕΣΗΣ Κ. Κατσικαβέλης, Σ. Ράλλης, Σ. Βογιατζής, Ν. Σπηλιόπουλος 2 και Ε. Αμανατίδης Εργαστήριο Τεχνολογίας Πλάσματος, Τμήμα Χημικών Μηχανικών Πανεπιστημίου Πατρών, Πάτρα. 2 Εργαστήριο Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, Τμήμα Φυσικής, Πανεπιστήμιο Πατρών, Πάτρα. ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα εργασία μελετήθηκαν οι βασικές παράμετροι ατμοσφαιρικού πλάσματος τύπου τζετ με σκοπό την επεξεργασία πολυμερικών επιφανειών και την ενίσχυση της υδροφιλίας τους. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα με σκοπό των έλεγχο της ισχύος που καταναλώνεται στο πλάσμα και κατά συνέπεια της θερμοκρασίας που αναπτύσσεται στην προς επεξεργασία επιφάνεια υπό διαφορετικές συνθήκες ροής και σύστασης αερίου μίγματος, απόσταση του υποστρώματος από τη πηγή πλάσματος αλλά και χρονικής διάρκειας της επεξεργασίας. Για αυτές τις πειραματικές συνθήκες μελετήθηκαν οι μεταβολές των γωνιών διαβροχής επιφανειών πολυβινυλοχλωριδίου (PVC) σε επαφή με νερό. Υπό συνθήκες χαμηλής θερμοκρασίας του υποστρώματος παρατηρήθηκε ενίσχυση της υδροφιλικότητας των επιφανειών του PVC έως και 50% για πολύ μικρούς χρόνους επεξεργασίας, ενώ οι χημικές ιδιότητες του κύριου όγκου των δειγμάτων δεν μεταβλήθηκαν. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι ατμοσφαιρικές πηγές πλάσματος τύπου τζετ βρίσκουν τα τελευταία χρόνια σημαντικές τεχνολογικές εφαρμογές [1]. Τέτοιες εφαρμογές είναι ο ξηρός καθαρισμός επιφανειών, η ενίσχυση της υδροφιλίας και της επιφανειακής ενέργειας επιφανειών, η βελτίωση χημικής ρόφησης προστατευτικών επιστρώσεων σε ευπαθείς επιφάνειες, η βελτίωση της ποιότητας εκτύπωσης και βαφής σχετικά υδρόφοβων επιφανειών, αλλά ακόμα και η ενίσχυση βιοσύμβατότητας υλικών που προορίζονται ως βιοϋλικά και η απ ευθείας επεξεργασία ανθρώπινων ιστών [2]. Σε αυτά τα συστήματα, η υψηλή θερμοκρασία των ηλεκτρονίων ενισχύει τις χημικές διεργασίες πλάσματος και ταυτόχρονα το πρόδρομο αέριο παραμένει σε αρκετά χαμηλές θερμοκρασίες. Αυτό καθιστά τις πηγές ικανές για να χρησιμοποιηθούν στην επεξεργασία και χημική τροποποίηση ευαίσθητων ως προς τη θερμοκρασία υλικών όπως για παράδειγμα τα πολυμερή. Επιπλέον, στις πηγές τύπου τζετ το πλάσμα δε περιορίζεται μεταξύ δύο ηλεκτροδίων όπως στα περισσσότερα συστήματα κενού ενώ μπορούν να σχεδιαστούν σε διαστάσεις από λίγα cm έως και λίγα μm. Οι μικρές διαστάσεις καθιστούν αυτά τα συστήματα φορητά και με δυνατότητα διείσδυσης του πλάσματος σε πολύ μικρές περιοχές
των επιφανειών των υλικών δηλαδή κατάλληλα για επεξεργασία επιφανειών με μεγάλο πορώδες ή τραχύτητα αλλά και σε τρισδιάστατα αντικείμενα με πολύπλοκες δομές. Στη παρούσα εργασία παρουσιάζεται μελέτη της επεξεργασίας επιφανειών πολυβινυλοχλωριδίου (PVC) με μια πηγή ατμοσφαιρικού πλάσματος τύπου τζετ. Ιδιάιτερο χαρακτηριστικό της πηγής που χρησιμοποιήθηκε είναι ότι για την διέγερση του πλάσματος χρησιμοποιείτε τάση στο πεδίο των ραδιοσυχνοτήτων (13.56 MHz) γεγονός που δίνει τη δυνατότητα έναυσης του πλάσματος σε πολύ χαμηλές τάσεις και κατά συνέπεια σε πολύ μικρότερες τιμές ισχύος, θερμοκρασίας και βομβαρδισμού των επιφανειών με ιόντα [3]. Αυτό διευρύνει σε μεγάλο βαθμό το πεδίο των συνθηκών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επεξεργασία ευαίσθητων στη θερμοκρασία υλικών σε σχέση με αντίστοιχες πηγές που χρησιμοποιούν συνεχές ρεύμα ή εναλλασσόμενο χαμηλής συχνότητας. Για την μελέτη, πραγματοποιήθηκαν ηλεκτρικές μετρήσεις με σκοπό το προσδιορισμό της πραγματικής ισχύος που καταναλώνεται στο πλάσμα σε συνδυασμό με μετρήσεις θερμοκρασίας υποστρώματος έτσι ώστε να προσδιορισθούν οι κατάλληλες συνθήκες τροποποίησης επιφανειών λεπτών φύλλων PVC χωρίς αυτές να υφίστανται φυσικές μεταβολές λόγω θέρμανσης. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν για ένα εύρος συνθηκών ισχύος, ροής αερίου, σύστασης αερίου μίγματος, απόστασης υποστρώματος από τη πηγή και χρόνου της διεργασίας. Οι κατάλληλες συνθήκες χρησιμοποιήθηκαν στη συνέχεια για επεξεργασία επιφανειών PVC με σκοπό την ενίσχυση της υδροφιλικότητάς του. Το PVC συνδυάζει χαρακτηριστικά τα οποία δεν συναντούνται σε άλλα πολυμερή χαμηλού κόστους. Ανάλογα με τον τρόπο παρασκευής και τροποποίησής του μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ένα εύκαμπτο υλικό (π.χ. για μεμβράνες, φουσκωτά παιχνίδια, εύκαμπτοι σωλήνες). Αυτές οι ιδότητες του έχουν δώσει τη δυνατότητα εφαρμογής στην ιατρική όπως για παράδειγμα σε ιατρικά πλαστικά δοχεία, σωληνίσκους, καθετήρες, γάντια και σακούλες αίματος τα οποία κατασκευάζονται από διαφανές PVC. Για παραπέρα ενίσχυση της βιοσυμβατότητας του υλικού θα ήταν επιθυμητή η ενίσχυση της υδροφιλικότητάς του, η οποία ως ένα βαθμό παρεμποδίζει την προσκόλληση παθογόνων βακτηρίων και ευνοεί την ανάπτυξη κυττάρων και γι αυτό το σκοπό μελετάται στη συγκεκριμένη εργασία [4]. Η επεξεργασία με πλάσμα οδήγησε σε ελάττωση της γωνίας διαβροχής των επιφανειών μέχρι και 50 % για πολύ μικρούς χρόνους επεξεργασίας. Η επίδραση των παραμέτρων της διεργασίας στη χημική σύσταση του κύριου όγκου του υλικού ήταν αμελητέα κάτι που επιβεβαιώνει ότι η επεξεργασία είναι καθαρά επιφανειακή. Επιπλέον, το γεγονός ότι επεξεργασία πραγματοποιείται σε περιβάλλον ατμόφαιρας δείχνει να είναι καθοριστικό για την επιφανειακή τροποποίηση η οποία δε διαφέρει σημαντικά παρά τη μεγάλη μεταβολή των παραμέτρων της εκκένωσης. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ
Η επεξεργασία των δειγμάτων έγινε με πηγή ατμοσφαιρικού πλάσματος τύπου τζετ. Η ισχύς παρέχεται στην πηγή μέσω μιας γεννήτριας ραδιοσυχνοτήτων στα 13.56 MHz και ενός προσαρμοστή εμπέδησης με σκοπό τη βελτιστοποίηση της μεταφοράς ενέργειας. Η πηγή αποτελείται από μία διάταξη ηλεκτροδίων όπου το ένα πολώνεται με τάση ραδιοσυχνότητας (powered RF electrode) και το άλλο το οποίο ουσιαστικά είναι το ακροφύσιο (nozzle) διατηρείται γειωμένο. Η απόσταση που τα χωρίζει είναι τρία χιλιοστά. Η διάταξη αυτή εσωκλείεται μέσα σε ένα κυλινδρικό περίβλημα απ τη μια άκρη του οποίου εισέρχεται το αέριο και από την άλλη υπάρχει το ακροφύσιο. Η τροφοδοσία των αερίων γίνεται μέσω του πολωμένου ηλεκτροδίου και κατά την εκκένωση το αέριο εξωθείται από το ακροφύσιο ως δέσμη πλάσματος. Το τζετ έχει σχεδιαστεί να λειτουργεί σε χαμηλή ισχύ και το συνολικό του μέγεθος δεν ξεπερνά τα 100mm μήκος και τα 8mm διάμετρο. Η πηγή πλάσματος διατηρείται σταθερή πάνω από ένα σύστημα στήριξης του υποστρώματος το οποίο είναι δυνατό να κινείται σε x-y-z συντεταγμένες για την επίτευξη της επεξεργασίας. Με αυτό τον τρόπο η σάρωση του δείγματος γίνεται με μεγάλη ακρίβεια. Εξωτερικά της πηγής γίνεται καταγραφή των κυματομορφών της τάσης και του ρεύματος με χρήση παλμογράφου ώστε να υπολογίζεται η πραγματική καταναλισκόμενη ισχύς από το πλάσμα. Η μέτρηση της θερμοκρασίας που αναπτύσσεται στο υπόστρωμα λόγω της μεταφοράς ενέργειας από το πλάσμα προς την επιφάνεια γίνεται με τη χρήση θερμοζεύγους τύπου Κ. Στις μετρήσεις θερμοκρασίας ως υπόστρωμα χρησιμοποίηθηκε το ίδιο το θερμοστοιχείο. Ο υδροφιλικός χαρακτήρας των δειγμάτων προσδιορίστηκε με μετρήσεις των γωνιών διαβροχής τους σε επαφή με σταγόνα αποσταγμένου νερού, όγκου 0.2 μl. Οι μετρήσεις αυτές έγιναν με χρήση του γωνιομέτρου DSA100 της Kruss και με το λογισμικό Drop Shape Analysis που παρέχεται με το μηχάνημα. Οι μέθοδοι με τις οποίες μετρήθηκε η γωνία διαβροχής ήταν οι Tangent method 1, Tangent method 2, Circle Fitting και Sessile Drop Fitting. Η τελική γωνία διαβροχής προερχόταν από το μέσο όρο των παραπάνω μεθόδων. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Αρχικά πραγματοποιήθηκαν ηλεκτρικές μετρήσεις με σκοπό το προσδιορισμό της πραγματικής ισχύος που καταναλώνεται στο πλάσμα. Το πρόβλημα του προσδιορισμού της παραγματικής ισχύος στις διεργασίες πλάσματος είναι ιδιαίτερο κυρίως λόγω της χρήσης ραδιοσυχνοτήτων. Ένα μέρος της ισχύος της γεννήτριας καταναλώνεται στη γραμμή μεταφοράς και στο προσαρμοστή εμπέδησης και αυτό το ποσοστό δε παραμένει σταθερό με της συνθήκες κυρίως γιατί η εμπέδηση του πλάσματος μεταβάλλεται, αλλάζοντας ουσιαστικά και τις ιδιότητες της γραμμής μεταφοράς. Για το προσδιορισμό της πραγματικής ισχύος στα συγκεκριμένα πειράματα χρησιμοποιήθηκε η αφαιρετική μέθοδος.
% Power Transfer Nominal Power (Watt) 20 Measured Nominal Power without plasma Polyonimal Fit 15 10 5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Voltage amplitude (Volt) Σχήμα 1. Ονομαστική ισχύς της γεννήτριας σα συνάρτηση της τάσης στην είσοδο του προσαρμοστή εμπέδησης απουσία πλάσματος. Η πολυωνυμική προσαρμογή της συνάρτησης περιλαμβάνεται επίσης στο σχήμα 0.74 Distance = 2 cm 0.72 0.70 0.68 0.66 0.64 0.62 0.60 0.58 40 45 50 55 60 65 70 75 80 Nominal Power (Watt) O2-30//ar-3 O2-60//ar-3 O2-90//ar-3 O2-120//ar-3 O2-150//ar-3 Σχήμα 2. % μεταφορά ισχύος από τη γεννήτρια στο πλάσμα σα συνάρτηση της ονομαστικής ισχύς της γεννήτριας για απόσταση πηγής από το υπόστρωμα 2cm και διαφορετικά ποσοστά O 2 στο αέριο μίγμα. Με βάση αυτή τη μέθοδος το εξωτερικό κύκλωμα, η γραμμή μεταφοράς και η πηγή απουσία κάποιου αερίου και πλάσματος διεγείρεται με διαφορετικές τάσεις και καταγράφεται η ισχύς
της γεννήτριας. Για τα συγκεκριμένα πειράματα η ισχύς μετρήθηκε με μια γέφυρα στασίμων κυμάτων που είναι τοποθετημένη αμέσως μετά τη γεννήτρια και η τάση μετρήθηκε με καθετήρα τάσης ο οποίος είναι τοποθετημένος στην είσοδο του προσαρμοστή εμπέδησης. Το σχήμα 1, δείχνει τη μεταβολή της ισχύος σα συνάρτηση της καταγραφόμενης τάσης. Πρέπει να σημειωθεί ότι η ισχύς αυτή καταναλώνεται σε παρασιτικές αντιστάσεις καθώς τα στοιχεία που χρησιμοποιούνται στη γραμμή μεταφοράς δεν είναι ιδανικά. Επιπλέον, η μεταβολή της ισχύος ως προς τη τάση προσαρμόζεται καλά με μια συνάρτηση δευτέρου βαθμού η οποία επίσης φαίνεται στο σχήμα 1 και είναι της μορφής, όπου το η παρασιτική ισχύς που καταναλώνεται στο εξωτερικό κύκλωμα, V m η μετρούμενη τάση και η αγωγιμότητα του συστήματος σε Siemens. Με βάση την προσαρμογή της συνάρτησης, το G για το συγκεκριμένο σύστημα λαμβάνει την τιμή 0.00635 S. Μια τέτοια προσαρμογή 2 ης τάξης ως προς τη τάση υποδηλώνει ότι το το σύστημα απωλειών μας περιγράφεται πολύ καλά με μια ισοδύναμη ωμική αντίσταση συνδεδεμένη παράλληλα προς τη γη. Με δεδομένη τη γνώση των παρασιτικών απωλειών από τη παραπάνω σχέση η πραγματική ισχύς που καταναλώνεται στο πλάσμα μπορεί να υπολογιστεί για μια δεδομένη τιμή τάσης από τη σχέση όπου είναι η πραγματική ισχύς στο πλάσμα, η ισχύς που μετράται από τη γέφυρα στασίμων κυμάτων και η παρασιτική ισχύς που υπολογίζεται από τη παραπάνω σχέση για μια δεδομένη τάση V m. Ενδεικτικά, στο σχήμα 2 δίνεται η μεταβολή του ποσοστού της ισχύος / σα συνάρτηση της ισχύς της γεννήτριας για διαφορετικές συνθήκες πλάσματος. Παρατηρούμε ότι το ποσοστό μεταφοράς μεταβάλεται με τις συνθήκες του πλάσματος (σύσταση αέριου μίγματος, ισχύς) λαμβάνοντας τιμές από 0.63 έως και 0.72. Αυτό υποδεικνύει τη σημασία του σωστού προσδιορισμό της ισχύος και κατά συνέπεια του ενεργειακού περιεχομένου του πλάσματος έτσι ώστε να είναι εφικτή η σύγκριση μεταξύ των διαφορετικών παραμέτρων τις διεργασίας. Με δεδομένο πλέον τον προσδιορισμό της πραγματικής ισχύος στο πλάσμα, έγινε στη συνέχεια μελέτη των θερμοκρασιών που αναπτύσσει η δέσμη πλάσματος σε συγκεκριμένη απόσταση από το υπόστρωμα, συναρτήσει της ροής των αερίων, της παρεχόμενης στο πλάσμα ισχύος, και του χρόνου έκθεσης του υποστρώματος στο πλάσμα. Κάθε παράμετρος εξετάστηκε μεμονωμένα ώστε να επιτευχθεί όσο το δυνατόν πιο λεπτομερής εικόνα για τη θερμοκρασία. Η θερμοκρασία παίζει σημαντικό ρόλο καθότι υπάρχει κίνδυνος να καταστραφεί το υπόστρωμα αν αυτή υπερβεί τους 70 ο C (μηχανικές αλλοιώσεις). Η μελέτη της μεταβολής της θερμοκρασίας έγινε σε εύρος ισχύος από 20 έως 70 watt. Το εύρος των παροχών των αερίων ήταν από 600 έως 7300 sccm για το αργό και από 30 έως 150 sccm για το οξυγόνο. Παρατηρήθηκε ότι η θερμοκρασία που αναπτύσσει το υπόστρωμα σταθεροποιείται μετά από χρόνο 3 min και όλες οι μετρήσεις για τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας πραγματοποιήθηκαν σε αυτό το χρόνο. Στο Σχήμα 3 παρουσιάζεται η εξάρτηση της θερμοκρασίας του υποστρώματος από το χρόνο επεξεργασίας και τη ροή του αερίου, υπό σταθερή ισχύ στα 20 watt και σταθερή απόσταση στο 1 cm. Παρατηρείται ότι η θερμοκρασία αυξάνεται συνεχώς μέχρι τα 3 min όπου αρχίζει να σταθεροποιείται παρατηρώντας μικρή αύξηση μέχρι τα 5 min με πολύ μικρότερο ρυθμό. Με βάση αυτά τα δεδομένα επιλέχθηκαν τα 3 min ως μια αντικειμενική εικόνα για την θερμοκρασία που αναπτύσσει το υπόστρωμα.
Temperature (C) 120 110 100 1200 sccm 3500 sccm 5500 sccm 7300 sccm 90 80 70 60 50 40 30 0 1 2 3 4 5 6 Time (sec) Σχήμα 3. Εξάρτηση της θερμοκρασίας από το χρόνο και τη ροή του αερίου, υπό σταθερή ισχύ στα 20 watt και σταθερή απόσταση στο 1 cm. Στη συνέχεια στο Σχήμα 4 παρουσιάζεται η μεταβολή της θερμοκρασίας συναρτήσει της απόστασης του υποστρώματος από το ακροφύσιο, υπό σταθερή ισχύ στα 20 watt και σταθερή ροή αερίου αργού στα 600 sccm. Εξετάστηκε η θερμοκρασία για τη μικρότερη τιμή ισχύος, και τη χαμηλότερη ροή και παρατηρήθηκε ότι όσο αυξάνεται η απόσταση η θερμοκρασία μειώνεται. Παρατηρείται ότι σε αποστάσεις μικρότερες των 2 cm οι θερμοκρασίες που αναπτύσσονται είναι απαγορευτικές για την επεξεργασία των υποστρωμάτων. Για το γεγονός αυτό πραγματοποιήθηκαν πειράματα για την εύρεση της βέλτιστης ροής αερίου που θα δίνει τη δυνατότητα επεξεργασίας των επιφανειών σε μικρότερες αποστάσεις και μεγαλύτερο εύρος τιμών ισχύος. Στο σχήμα 5 παρουσιάζεται η μεταβολή της θερμοκρασίας συναρτήσει της ροής του αερίου και της ισχύος υπό σταθερή απόσταση 1cm. Παρατηρείται ότι σε ροή 7300 sccm η θερμοκρασία που αναπτύσσεται στην χαμηλότερη απόσταση δεν επηρεάζει το εύρος της ισχύος που θα γίνουν οι επεξεργασίες των υποστρωμάτων. Σύμφωνα με τα παραπάνω δεδομένα επιλέχθηκε ως βέλτιστη ροή αυτή των 7300 sccm, καθότι επιτρέπει την επεξεργασία υποστρωμάτων σε μικρή απόσταση χωρίς να υπερθερμαίνονται. Με βάση αυτή την επιλογή δίνεται η δυνατότητα παροχής μεγαλύτερων ποσών ενέργειας στο πλάσμα χωρίς να υπάρχει φόβος για καταστροφή του δείγματος. Τα πειράματα που έγιναν στην συνέχεια για τη βελτίωση της υδροφιλίας του πολυβινυλοχλωριδίου (PVC) σχεδιάστηκαν με βάση την πληροφορία που έδωσαν οι ηλεκτρικές μετρήσεις και οι μετρήσεις θερμοκρασίας. Στο σημείο αυτό εξετάστηκε επίσης η επιδραση της αύξησης της θερμοκρασίας στην γωνία διαβροχής του υποστρώματος. Γι αυτό το λόγο θερμάνθηκε το υπόστρωμα σε θερμοκρασία 60 ο C.
Temperature ( o C) 250 200 150 100 50 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 Distance (cm) Σχήμα 4. Μεταβολή της θερμοκρασίας συναρτήσει της απόστασης, υπό σταθερή ισχύ στα 20 watt και σταθερή ροή αερίου αργού στα 600 sccm. Η γωνία διαβροχής δεν μεταβλήθηκε με απλή θέρμανση πράγμα που σημαίνει ότι η αύξηση της θερμοκρασίας δεν επηρεάζει την υδροφιλικότητα του υλικού και οι μεταβολές που υφίστανται η επιφάνεια είναι χημικές και μορφολογικές. Συγκεκριμένα μετρήθηκε η γωνία διαβροχής του να είναι 85 ο μοίρες πριν τη θέρμανση, γωνία που αντιστοιχεί στην βιβλιογραφική τιμή για το πολυβινυλοχλωρίδιο (PVC), και μετά τη θέρμανση η γωνία μετρήθηκε ότι ήταν 83,6 ο. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα των μετρήσεων της θερμοκρασίας επιλέχθηκαν οι συνθήκες για την επεξεργασία του (PVC) ώστε να μην καταστρέφεται το δείγμα κατά την επεξεργασία. Το εύρος της ισχύος που επιλέχθηκε ήταν από 20 έως 40 watt, με ροή αερίου αργού στα 5500 και 7300 sccm, και απόσταση που κυμάνθηκε από 1 έως 4 cm. Ο χρόνος επεξεργασίας των δειγμάτων ήταν 3 min. Επίσης δοκιμάστηκαν χρόνοι επεξεργασίας από 1 sec έως και 15 min για συνθήκες απόστασης και ισχύος που δεν οδηγούν σε θερμοκρασία μεγαλύτερη των 50 ο C. Τα πειράματα επεξεργασίας συναρτήσει του χρόνου έγιναν για να προσδιοριστεί ποιος είναι ο ελάχιστος χρόνος επεξεργασίας που απαιτείται για την τροποποίηση της γωνίας διαβροχής. Στο σχήμα 6 παρουσιάζεται η μεταβολή της γωνίας διαβροχής συναρτήσει του χρόνου επεξεργασίας του υποστρώματος. Η ισχύς παραμένει σταθερή στα 20 watt, η απόσταση στο 1 cm και η ροή του αερίου στα 7300 sccm. Σε αυτές τις συνθήκες η θερμοκρασία κυμαίνεται από 45 o C έως 50 o C. Παρατηρήθηκε ότι ακόμη και μετα από 1 sec υπήρξε μεταβολή στη γωνία διαβροχής του υποστρώματος, πράγμα που αποδεικνύει ότι ακόμη και ο ελάχιστος χρόνος είναι αρκετός για την επεξεργασία χωρίς να εξετάζεται ακόμη η γήρανση του δείγματος για την μονιμότητα των αποτελεσμάτων. Επίσης φαίνεται ότι από τα 30 sec και μετά οι γωνίες διαβροχής των επεξεργασμένων επιφανειών δε μεταβάλλονται, γι αυτό το
Temperature ( C) 275 250 225 200 600 sccm 1200 sccm 3500 sccm 5500 sccm 7300 sccm 175 150 125 100 75 50 25 20 30 40 50 60 70 Power (Watt) Σχήμα 5. Μεταβολή της θερμοκρασίας συναρτήσει της ροής του αερίου και της ισχύος υπό σταθερή απόσταση 1cm. λόγο προτιμήθηκε να γίνονται τα πειράματα σε αυτό το χρόνο. Η δυνατότητα για επεξεργασίες σε μικρούς χρόνους δίνει το πλεονέκτημα ότι μπορεί να αυξηθεί το εύρος της ισχύος χωρίς να υπάρχει πρόβλημα με τις υψηλές θερμοκρασίες. Στη συνέχεια στο σχήμα 7 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της μεταβολής της γωνίας διαβροχής του υποστρώματος συναρτήσει της ισχύος για σταθερή ροή αερίου στα 7300 sccm και χρόνο επεξεργασίας 30 sec. Όλα τα δείγματα έδωσαν σημαντική ενίσχυση της υδροφιλικότητας σε σχέση με το μη επεξεργασμένο δείγμα και υπάρχει τάση ελάττωσης των γωνιών διαβροχής σε μικρότερες αποστάσεις της πηγής από το υπόστρωμα αλλά και για μεγαλύτερες τιμές ισχύος. Ωστόσο οι διαφορές μεταξύ των συνθηκών είναι αρκετά μικρές και οι γωνίες κυμαίνονται σε τιμές μεταξύ 40 και 50 ο. Παραπλήσια αποτελέσματα λήφθησαν και με φασματοσκοπία υπερύθρου στα επεξεργασμένα δείγματα τα φάσματα των οποίων δεν έδωσαν σημαντικές μεταβολές, Αυτό υποδεικνύει ότι οι μεταβολές είναι κυρίως επιφανειακές. Επιπλέον, το γεγονός ότι οι επεξεργασίες δε γίνονται σε ελεγχόμενη ατμόσφαιρα του αερίου πλάσματος αλλά σε κοινή ατμόσφαιρα καθορίζει σε μεγάλο βαθμό το αποτέλεσμα της διεργασίας. Σε μια τέτοια ατμόφαιρα το μοριακό άζωτο αποτελεί το κύριο συστατικό και διασπάται ή διεγείρεται μέσω διεργασιών αέριας φάσης του πλάσματος. Επεξεργασία πολυμερών σε ατμόσφαιρα αζώτου οδηγεί σε ενίσχυση της υδροφιλίας των περισσότερων πολυμερών αλλά σε γωνίες διαβροχής μέχρι 35 ο. Παραπέρα μείωση της γωνίας διαβροχής απαιτεί είτε έλεγχο της ατμόφαιρας που παραγματοποιείται η επεξεργασία και προσθήκη κάποιου περισσότερο πολικού μορίου είτε αλλεπάλληλες επεξεργασίες. Είναι χαρακτηριστικό ότι σε άλλες εργασίες που παρουσιάζουν επεξεργασία
wca (degrees) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0-20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 time (sec) Σχήμα 6. Μεταβολή της γωνίας διαβροχής συναρτήσει του χρόνου επεξεργασίας του υποστρώματος. πολυμερών όπως PET, PE και PTFE απαιτήθηκε επανάληψη της επεξεργασίας έως και 500 φορές για την επίτευξη γωνιών μικρότερων από 20 ο [5]. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στη εργασία αυτή παρουσιάσθηκε μια μελέτη της επεξεργασίας επιφανειών πολυμερών με πλάσμα ατμοσφαιρικής πίεσης τύπου τζετ με σκοπό την ενίσχυση της υδροφιλικότητάς τους. Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις της πραγματικής κατανάλωσης ισχύος στο πλάσμα καθώς και μετρήσεις της θερμοκρασίας που αναπτύσσονται στο υπόστρωμα έτσι ώστε να βρεθούν οι συνθήκες εκείνες οι οποίες είναι κατάλληλες για επεξεργασία επιφανειών PVC χωρίς να υπόκεινται σε θερμική αλλοίωση. Στη συνέχεια, μελετήθηκε η επίδραση που έχουν παράμετροι του πλάσματος όπως ισχύς, απόσταση υποστρώματος από τη πηγή, σύσταση και παροχή αέριου μίγματος στη γωνία διαβροχής των επιφανειών PVC. Επιτεύχθηκε σημαντική ελάττωση των γωνιών διαβροχής έως και 50 % (από 83 ο στο μη επεξεργασμένο έως και 40 ο ). Ωστόσο, οι παράμετροι του πλάσματος είχαν μικρή επίδραση σε αυτή τη γωνία γεγονός που υποδεικνύει ότι παραπέρα ελάττωση απαιτεί είτε τον έλεγχο της ατμόσφαιρας που πραγματοποιείται η διεργασία είτε επαναλαμβανόμενες επεξεργασίες του ίδιου υποστρώματος.
wca (degrees) 80 70 60 20 watt 25 watt 30watt 35 watt 40 watt 50 40 30 20 10 0 0 1 2 3 4 5 Distance (cm) Σχήμα 7. Μεταβολή της γωνίας διαβροχής (wca) συναρτήσει της απόστασης από την πηγή για διαφορετικές τιμές ισχύος υπό σταθερή ροή αερίου και χρόνο επεξεργασίας. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] R. Foest, Th. Bindemann, R. Brandenburg, E. Kindel, H. Lange, M. Stieber, K-D Weltmann, Plasma Process. Polym., 4, S460 S464 (2007). [2] K.D. Weltmann, R. Brandenburg, T. von Woedtke, J. Ehlbeck, R. Foest, M. Stieber, E. Kindel, J. Phys. D: Appl. Phys., 41, 194008 (2008). [3] J. Ehlbeck, U. Schnabel, M. Polak, J. Winter, Th. von Woedtke, R. Brandenburg, T. von dem Hagen, K.D. Weltmann, J. Phys. D: Appl. Phys., 44, 013002 (2011). [4] M. Katsikogianni, Ch. Syndrevelis, E. Amanatides, D. Mataras, Y. Missirlis, Plasma Processes and Polymers,4, Issue S1, Pages: S1046-S1051 (2007) [5] E.R. Ionita, M.D. Ionita, E.C. Stancu, M. Teodorescu, G. Dinescu, Applied Surface Science 255 5448 5452 (2009)