提高聚合物表面涂料的应用前景

在汽车轻工业中，铝在塑料高光泽反射器表面上蒸发。从质量的角度来看，满足行业标准，这一表面必须保持其亮度和反光15年。然而，未处理的金属部件氧化，这意味着它失去了其亮度和反射性。因此，它用氧化硅或玻璃状保护层保护。在高真空等离子体聚合过程中形成玻璃状保护涂层。Elvez Slovenia的研发主管žž戈萨尔博士探讨了克服这些障碍的先进新方法。他的团队技术将其团队的技术（PECVD）（PECVD）（PECVD）命名为粗糙聚合物表面，并引入新的分子组，所有这些都在工业尺度上。

聚合物由长链有机分子组成，是我们日常生活中使用的各种产品的基本组成部分。例如，在汽车制造中，许多重要的部件都是通过在聚合物表面印刷和喷涂，在它们表面涂上金属，并对它们进行其他保护涂层处理而制成的。然而，制造商很难使用更便宜、更广泛使用的聚合物来有效地做到这一点，因为它们的防水或“疏水”特性，使它们对油漆和涂料的粘附性更低。

目标是制造亲水性表面。这个问题可以通过“功能化”技术来解决，“功能化”技术将分子中的富氧基团或“官能团”附着在聚合物表面。如果处理得当，这些基团可以更牢固地与油漆和涂层中的分子结合，使表面整体上更具粘性。由于功能化传统上涉及使用有害化学物质，制造商最近开始通过使用等离子体(一种含有热的、自由流动的带电粒子的物质状态)沉积官能团来减少它们对环境的影响。

不幸的是，尽管这种方法有很多优点，但许多类型的聚合物表面并不容易使用目前基于等离子体的技术实现功能化。此外，许多可以用这种方法处理的聚合物会随着时间的推移而恶化，降低制造商最终产品的质量。在斯洛文尼亚，经济严重依赖汽车工业，这些缺点是一个严重的问题。然而，ELVEZ斯洛文尼亚的Žiga Gosar博士和他的同事们相信一个更全面的解决方案正在出现。

副作用的功能化
为了创造功能化所需的等离子体，研究人员通常会在一个含有氩和氧等原子混合物的反应堆中加热气体。为了形成官能团，这些氧原子将被电离并被激发到更高的能级，使它们更容易附着在聚合物表面。为了使这个过程成功，研究人员需要优化产生它的反应堆释放的等离子体的参数。如果设置正确，涂层和油漆表面将很容易粘附在聚合物分子上。

Gosar发现了一种复杂的新方法，可以确保功能化聚合物表面具有很强的粘附性，并随着时间的推移保持耐久性。

除了功能化聚合物，这项技术还能在聚合物表面刻蚀凹陷和凹陷。这是一种理想的效果，然而，直到最近等离子体和聚合物之间的相互作用导致了这种效果的了解很少。由于最近的发现，我们现在知道蚀刻是不均匀的，这是由于等离子体在分子尺度上固有的波动所固有的。因此，它可以产生复杂的纳米级结构，可以通过等离子体电离源被移除后产生的辐射来抑制表面，这被称为“余辉”。然而，越来越多的研究正在探索如何利用纳米尺度蚀刻来增加聚合物表面的耐久性和粘附性，同时优化其功能化。

探讨等离子体腐蚀的性质
近年来，制造高压等离子体放电的技术使研究人员能够生产出大量均匀的等离子体，并维持它们很长时间。自然地，这导致了大量关于等离子体诱导功能化如何在工业规模上实现的研究，但许多其他人也首次利用这一进展来探索等离子体蚀刻的特性。例如，有几个小组已经研究了当聚合物表面的小块被电极材料覆盖时，会发生什么，以保护它们免受等离子暴露的影响。有趣的是，这导致了类似纤维的纳米结构柱的形成。

材料物理学家很快意识到，这些粗糙的表面可以比光滑的表面更有效地与油漆和涂层结合，解决了当今工业面临的粘附问题。基于这一发现，其他研究小组已经探索了纤维聚合物纳米结构的耐久性。他们发现，这些柱子在不稳定的情况下很容易倒塌，抵消了它们有用的作用。然而，随着等离子体处理时间的延长，这种结构可以变得更加耐用。

进一步的研究探索了聚合物本身的组成和等离子放电功率等因素对蚀刻纳米结构的影响。根据这些特征，其他类型的纳米结构如颗粒也可以形成。总的来说，这些先前的研究似乎指出，理想的等离子体处理时间约为10分钟，如果要充分享受蚀刻的优势。不幸的是，这一过程太长了，无法实际用于工业用途。然而，Gosar指出，作为一个整体，以前的研究几乎完全忽略了控制等离子体本身动力学的数量。

描述polymer-plasma交互
在他们的研究中，Gosar及其同事们在更深入的血浆功能调查中阐述了四种整体目标。首先是研究如何蚀刻到特定的聚合物表面上的蚀刻受等离子体内含有的不同类型的反应性氧物质的影响。它们的最终目标是使用导致纳米结构形成的血浆相关机制的估计，包括正离子和中性原子的密度，以实现具有合理的治疗时间的最佳蚀刻和功能。

第三，研究人员的目标是确定等离子体参数，使等离子体放电的最优参数。最后，他们将研究如何将这些参数扩大到立方米大小的等离子体反应堆。最终，Gosar的团队希望这些努力将使他们第一次实现快速、节能的等离子体功能化，适用于工业应用。

工业规模沉积
在2019年的一项研究中，Gosar和他的同事使用了一个体积为5立方米的等离子体反应堆来实现他们的“等离子体增强化学气相沉积”(PECVD)新技术。作为已经成熟的化学气相沉积技术的一种更先进的形式，它首先涉及从氧和分子六甲基二硅氧烷(HMDSO)的混合物中制备等离子体。然后，该团队通过使用“残余气体质谱法”和“光学发射光谱法”监测等离子体，优化了等离子体的放电参数;然后相应地调整其参数。

这种技术被称为“等离子体增强化学气相沉积”(PECVD)，它利用等离子体使聚合物表面粗糙，并引入新的分子基团。

一旦优化完成，Gosar的团队将等离子体暴露在一种聚合物上，这种聚合物表面经过之前的蚀刻变得粗糙。然后，他们用铝和一层含有硅的保护涂层处理现在已经功能化的表面。他们使用“二次离子质谱”(SIMS)和“x射线光电子能谱”(XPS)相结合的技术，分析了处理后的表面的分子特征。这使得研究小组能够确定纳米级表面的成分和纹理，使他们深入了解PECVD展开时，工业规模的反应器内等离子体和保护涂层如何与聚合物表面相互作用。

进一步探索PECVD
在两项进一步的研究中，研究人员精确量化了他们创新的PECVD技术的特性，包括等离子体密度、流动强度和反应器泵送速度。Gosar和他的同事应用了与他们之前研究相似的分析技术，能够监测他们的等离子体在不同放电条件下的行为，这意味着在整个过程中可以确保最佳参数。重要的是，这可以只用简单、低成本的光发射光谱(OES)技术来实现。

此外，该团队还探索了如何以不同的流速引入HMDSO气体，以满足特定工业应用的要求。他们的测量结果表明，PECVD允许涂层沉积速率和等离子离子密度随时间保持几乎完全恒定;随流量线性增加。总之，这些研究清楚地证明了PECVD相对于以前处理聚合物表面的方法的优势。

提高生产技术
通过他们的发现，Gosar和他的同事发现了复杂的新方法，以确保功能化聚合物表面具有很强的黏附性，并在一段时间内保持耐用。通过确保等离子体参数在工业规模上足以通过功能化和蚀刻实现均匀沉积，他们可以解决包括斯洛文尼亚汽车制造商在内的集团面临的问题。该团队现在将继续改进他们的技术，使其更适合实际应用，甚至可能为材料物理相关领域的研究开辟新的机会。