مواد پلیمری به دلیل ویژگی های متنوع، مقرون به صرفه بودن و تولیدات بسیار، کاربرد گسترده ای دارند. علم سنتز و ترکیب پلیمر امکان کنترل عالی خواص نمونه پلیمری را فراهم می کند. با این حال، فعل و انفعالات سطحی بسترهای پلیمری یک زمینه ضروری برای مطالعه در علومی نظیر بیوتکنولوژی، فناوری نانو و همچنین موارد مرتبط با کاربردهای پوششی میباشد. در این موارد، مشخصات سطح پلیمری و مواد و نیز نیروهای حاصل از آنها تا حد زیادی کاربرد و اعتبار آن را تعیین می کند. به عنوان مثال، در کاربردهای زیست پزشکی(BioMedical)، پاسخ بدن به مواد خارجی و در نتیجه سازگاری با آنها، تحت تأثیر فعل و انفعالات سطحی میباشد. علاوه بر این، علم سطح بخش جدایی ناپذیر فرمولاسیون، ساخت و کاربرد پوششها میباشد.[۱]
روشهای شیمیایی
[ویرایش]یک ماده پلیمری را میتوان با افزودن ذرات کوچک، الیگومرها(oligomers) و حتی سایر پلیمرها (کوپلیمرهای پیوندی) بر روی سطح، کاربردی کرد.
کوپلیمرهای پیوند (پلیمرهای ناهمگن پیوند)
[ویرایش]پیوند، در زمینه شیمی پلیمر، به افزودن زنجیرههای پلیمری بر روی یک سطح اشاره دارد. اصطلاحاً در سازوکار "پیوند بر روی" (grafting onto)، یک زنجیره پلیمری روی سطح خارجی یک محلول جذب می شود. در سازوکار گسترده تر "پیوند از" (grafting from)، یک زنجیره پلیمری در سطح، شروع به تکثیر میکند. از آنجا که زنجیرههای از پیش پلیمری شده در روش "پیوند بر روی" (grafting onto)، از ترکیب ترمودینامیکی مطلوبی در محلول (حجم هیدرودینامیکی تعادل) برخوردار هستند، چگالی جذب آنها محدود میشود. بنابراین شعاع ژیراسیون (چرخش) پلیمر عامل محدود کننده تعداد زنجیره های پلیمری است که میتواند به سطح برسد و پیوند تشکیل دهد. تکنیک "پیوند از" (grafting from)، این پدیده را دور میزند و تراکم زنجیرهای پلیمری که موفق به تشکیل پیوند میشوند را بیشتر میکند.
فرآیندهای پیوند "بر روی" (onto)، "از" (from) و "از طریق" (through)، تمام راههای مختلف برای تغییر شیمیایی سطحی که به آن متصل می شوند را دارند. پیوند روی آن(onto) باعث میشود تا یک پلیمر از قبل شکل گرفته، به طور کلی به صورت یک "رژیم قارچ"، به سطح قطرات یا مهرهها در محلول بچسبد. به دلیل حجم بیشتر پلیمرهای پیچ خورده و فضاهای خالی بیشتر که باعث میشود، تراکم پیوند در حالت "بر روی" (onto)، در مقایسه با حالت "از" (from)، کمتر باشد. سطح مهره توسط پلیمر خیس میشود و فعل و انفعال در محلول باعث انعطاف پذیری پلیمر می شود. ترکیبات گسترده پلیمری که از سطح مهره پیوند زده شده یا پلیمری شده است به این معنی است که مونومر باید در محلول و به صورت حل شده وجود داشته باشد. این امر منجر به ایجاد پلیمری میشود که اثر متقابل مطلوبی با محلول دارد و به پلیمر امکان شکل گیری خطی تری را می دهد. از این رو سطح از تراکم پیوند بیشتری برخوردار است؛ زیرا دسترسی بیشتری به انتهای زنجیرها وجود دارد.
سنتز پپتید(Peptide synthesis) میتواند یک نمونه از فرآیند مصنوعی "پیوند از" را فراهم کند. در این فرآیند، یک زنجیره آمینو اسید توسط یک سری واکنش چگالشی از سطح مهره پلیمر رشد میکند. این روش پیوند، امکان کنترل عالی روی ترکیبات پپتیدی را فراهم می کند.
'''پوششهای پلیمری''' زمینه دیگری از روشهای کاربردی پیوند است. در فرمولاسیون رنگ منتقل شده از آب، ذرات لاتکس اغلب برای کنترل پراکندگی ذرات در سطح اصلاح می شوند و بنابراین ویژگی های پوششی مانند ویسکوزیته، تشکیل غشا و پایداری محیط (تابش UV و تغییرات دما) را پوشش می دهند.
اکسیداسیون(Oxidation)
[ویرایش]پردازش پلاسما، درمان(تصفیه) کرونا(Corona treatment) و درمان(تصفیه) شعله(flame treatment) همگی میتوانند به عنوان مکانیسمهای اکسیداسیون سطح طبقه بندی شوند. همه این روشها شامل تجزیه زنجیرههای پلیمری در مواد و ترکیب گروههای عاملی کربونیل و هیدروکسیل با آنها میباشد.[۲] که اختلاط اکسیژن در سطح باعث ایجاد سطحی با میزان انرژی بیشتر میشود تا پوششی برای زیرلایه ها باشد.
روش شناسی
[ویرایش]اکسید کردن سطوح پلیمری
[ویرایش]درمان(تصفیه) کرونا (Corona treatment)
[ویرایش]درمان(تصفیه) کرونا یک روش اصلاح سطح با استفاده از تخلیه کرونای دمای پایین برای افزایش انرژی سطح یک ماده، اغلب پلیمرها و الیاف طبیعی است. معمولاً، با استفاده از پلاسمای ایجاد شده، یک ورق نازک پلیمری از طریق مجموعهای از الکترودهای ولتاژ بالا ساخته میشود. عمق نفوذ محدود چنین تصفیهای ضمن حفظ خواص مکانیکی، چسبندگی بسیار بهبود یافتهای را ایجاد میکند.
در زمینه امور تجاری، قبل از چاپ متن و تصاویر بر روی مواد بستهبندی پلاستیکی، از تصفیه کرونا به طور گستردهای برای بهبود چسبندگی رنگ استفاده میشود. ماهیت خطرناک ازن باقیمانده پس از تصفیه کرونا، تصفیه و تهویه دقیق هنگام پردازش را محدود به اجرای آن با برنامههای کاربردی و سیستم های فیلتر شده دقیق کاتالیستی میکند. این محدودیت از استفاده گسترده آن در فرآیندهای به اصطلاح (open-line) جلوگیری میکند.
فاکتورهای مختلفی بر کارایی درمان(تصفیه) شعله تأثیر میگذارد مانند نسبت هوا به گاز، حرارت خروجی، فاصله سطح و زمان سکونت در منطقه اکسیداسیون. با انجام فرآیند، درمان کرونا بلافاصله پس از انفصال غشا انجام میشود، اما توسعه روشهای دقیق حمل و نقل امکان درمان در یک مکان بهینه را فراهم میکند.[۳]
پردازش پلاسما وابسته به جو و فشار
[ویرایش]پردازش پلاسما، انرژی سطحی و قطعات مونومر تزریق شده بزرگتر از فرآیندهای قابل مقایسه را فراهم میکند. با این حال، شارهای محدود از سرعت بالای فرآیند جلوگیری میکنند. علاوه بر این، پلاسماها از نظر ترمودینامیکی نامطلوب هستند و بنابراین سطوح پردازش شده با پلاسما فاقد یکنواختی، سازگاری و دوام هستند. این موانع با پردازش پلاسما مانع از آن میشود که یک روش اصلاحسطح رقابتی در صنعت باشد. این فرآیند با تولید پلاسما از طریق یونیزاسیون یا با رسوب بر روی مخلوطهای مونومری یا یونهای حاملگازی آغاز میشود. توان مورد نیاز برای تولید شار پلاسما لازم را میتوان از توازن حجم فعال جرم و انرژی دریافت کرد:[۴]
حجم فعال.
میزان یونیزاسیون.
تراکم خنثی.
تراکم الکترون.
یون از دست رفته در اثر انتشار، همرفت، اتصال و ترکیب مجدد است.
اتلاف به طور کلی از طریق '''جریان مستقیم''' (DC)، فرکانس رادیویی (RF) یا قدرت مایکروویو آغاز می شود. بازده یونیزاسیون گاز بسته به پلاسمای حامل و بستر میتواند راندمان انرژی را بیش از ده برابر کاهش دهد.
پردازش پلاسمای شعله ور
[ویرایش]تصفیه شعله یک روش کنترل شده، سریع و مقرون به صرفه برای افزایش انرژی سطح و ترشوندگی پلیالفینها و اجزای فلزی است. در روش تصفیه پلاسمای با درجه حرارت بالا از اکسیژن گازی یونیزه شده از طریق شعله های جت در سطح استفاده می شود تا در هنگام ذوب مولکولهای سطح، گروه های عملکردی قطبی به آنها اضافه شود و پس از خنک شدن در جای خود قفل شوند.
اصلاح پلی اتیلن ترموپلاستیک و پلیپروپیلن، تحت درمان(تصفیه) با اکسیژن مختصر پلاسما، که زاویه تماسشان تا 22 درجه رسیده است می تواند با بسته بندی مناسب سالها طول بکشد. درصورتی که درمان(تصفیه) با پلاسمای شعله به دلیل دقت و مقرون به صرفه بودن در صنعت پزشکی، در دستگاه های داخل عروقی مانند سوندهای بالون محبوبیت بیشتری پیدا کرده است.[۵]
روشهای پیوند
[ویرایش]پیوند کوپلیمرها به یک سطح میتواند به عنوان ثابتکننده زنجیرههای پلیمری به یک لایه پلیمری با ساختار متفاوت باشد که همچنین باعث تغییر عملکرد سطح با حفظ خواص مکانیکی انبوه شود. ماهیت و درجه عملکرد سطح با انتخاب کوپلیمر و نوع و میزان پیوند تعیین میشود.
تصویربرداری پیوند (photografting)
[ویرایش]در فرآیند اصلاح سطوح بیاثر پلیالفینها، پلیاسترها و پلیآمیدها، پیوند زدن مونومرهای وینیل به آنها باعث بهبود عملکرد سطوح این مواد مانند افزایش آبگریزی، جذب رنگ و چسبندگی میشود. این روش عکاسی پیوند به طور کلی در طی پردازش رشتههای پیوسته یا غشا نازک استفاده میشود. در مقیاس تجاری انبوه، از روش پیوند به عنوان لمینیت با استفاده از نور استفاده می شود، جایی که سطوح مورد نظر با ایجاد پیوند باعث یک شبکه چسبنده پلیمری بین دو غشای به هم متصل می شوند. با اشعه ماورا بنفش یک ماده آغازگر و مونومرهایی که از طریق فاز بخار به زیرلایهها منتقل میشوند، چسبندگی و جذب کم پلیالفین ها، پلیاسترها و پلیآمیدها بهبود میبخشند. کاربردیتر شدن سطوح متخلخل با تکنیکهای تصویربرداری با درجه حرارت بالا موفقیت زیادی کسبکرده است.
در تراشه های میکروسیال، کانالهای عملکردی به جریان مستقیم اجازه می دنهد تا رفتار ورقه ای بین و داخل اتصالات را حفظ نمایند.[۶] همچنین جریان آشفته نامطلوب در کاربردهای میکروسیالی به دلیل افزایش سطح و وابستگی متقابل کانال و پیچیدگی شبکه، می تواند حالت های مشکل ساز ترکیبی را ایجاد کند. علاوه بر این، می توان طرح حک شده کانال های میکروسیالی را برای عکاسی از کانال های مربوطه با درجه دقت بالایی تولید کرد.[۷]
روشهای تحلیلی سطح
[ویرایش]
اندازهگیری انرژی سطح
[ویرایش]در فرآیندهای کرونا و پلاسمای صنعتی، روشهای تحلیلی سریع و مقرون به صرفه برای تأیید عملکرد کافی سطح در یک بستر مشخص مورد نیاز است. اندازهگیری انرژی سطح یک روش غیر مستقیم برای تأیید حضور گروههای عاملی سطح بدون نیاز به میکروسکوپ یا طیف سنجی میباشد؛ که اغلب ابزارهایگران قیمت هستند. از اندازهگیری زاویه تماس (goniometry) میتوان برای یافتن انرژی سطح، سطوح درمان(تصفیه) شده و غیر درمان(تصفیه) شده، استفاده کرد. از رابطه یانگ میتوان برای یافتن انرژی سطح با فرض ساده سازی شرایط آزمایشی به یک تعادل سه فاز (به عنوان مثال قطره مایع روی سطح جامد صاف و در جو کنترل شده) استفاده کرد:
انرژی سطح در موارد جامد-مایع، مایع-گاز یا گاز-جامد را نشان میدهد.
زاویه تماس اندازه گیری شده است.
مجموعهای از محلولها با کششسطح شناختهشده (به عنوان مثال، محلول های Dyne) میتوانند برای برآورد انرژی سطح بسترهای پلیمری با مشاهده ترشوندگی هر یک از آنها استفاده شوند.
طیف سنجی مادون قرمز
[ویرایش]در مورد درمان(تصفیه)های اکسیدکننده، طیفهای گرفتهشده از سطوح درمان(تصفیه) شده، وجود ویژگیهایی از کربونیل و هیدروکسیل را در بعضی مناطق مطابق جدول همبستگی طیف سنجی مادون قرمز نشانمیدهد.
XPS و EDS
[ویرایش]طیف سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس (XPS) و طیف سنجی اشعه ایکس با انرژی پراکنده (EDS,EDX) تکنیکهای توصیف ترکیب هستند که از تحریک اشعه ایکس الکترون برای تشخیص سطوح انرژی و برای تعیین ترکیب شیمیایی استفاده میکنند. این روشها خصوصیات را در عمق سطح 1 تا 10 نانومتر، تقریباً محدوده اکسیداسیون در درمان(تصفیه)های پلاسما و کرونا، ارائه میدهند. علاوه بر این، این فرایندها از مزایای توصیف تغییرات میکروسکوپی در ترکیبات سطح برخوردار هستند.
در زمینه سطوح پلیمری پردازششده با پلاسما، بدیهی است، که سطح اکسید شده محتوای اکسیژن بیشتری را نشان میدهد. تجزیه و تحلیل مقدماتی اجازه میدهد تا دادههای کمی بدست آمده در تحلیل کارایی فرآیند مورد استفاده قرار گیرد.
میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)
[ویرایش]میکروسکوپ نیروی اتمی(AFM)، نوعی میکروسکوپ اسکن نیرو، که برای نقشه برداری از تغییرات توپوگرافی سه بعدی در سطوح اتمی با وضوح بالا (کسری از نانومتر) ساخته شده است. AFM برای غلبه بر محدودیتهای هدایت مواد با استفاده از انتقال الکترون و روشهای میکروسکوپهای پویشی (SEM , STM) ساخته شد. میکروسکوپ نیروی اتمی که توسط Binnig ، Quate و Gerbe در سال 1985 اختراع شد، برای اندازه گیری تغییرات سطوح اتمی از انحراف پرتوی لیزر استفاده میکند. این روش، همانطور که میکروسکوپ تونلینگ پویشی (STM) انجام میدهد، به تغییر در هدایت الکترون از طریق مواد متکی نیست و بنابراین این میکروسکوپ تقریباً روی همه مواد، از جمله پلیمرها، این امکان را میدهد.[۸]
کاربردها
[ویرایش]بیومتریال(Biomaterials)
[ویرایش]سطوح بیومتریال غالباً با استفاده از مکانیزمهای فعال کننده نور (تصویربرداری پیوند photografting) اصلاح میشوند تا عملکرد سطح را تغییر دهند بدون اینکه خصوصیات مکانیکی عمده به خطر بیفتند. اصلاح سطوح برای بی اثر نگه داشتن پلیمرها از نظر بیولوژیکی، در زمینه پزشکی مانند استنت های قلبی عروقی و پروتزهای اسکلتی کاربردهای وسیعی پیدا کردهاست. سطوح پلیمری دارای این خصوصیات میتوانند جذب پروتئین را مهار کنند، که از مشکلات و شکست احتمالی غالب های پروتز جلوگیری میکنند.
پلیمر | کاربرد در پزشکی | روش عملکرد و هدف |
---|---|---|
پلی وینیل کلرید (PVC) | لوله های تراشه | پلاسما برای افزایش آبگریزی پردازش می شود[۹] |
لاستیک سیلیکون | ایمپلنت های پستان | برای جلوگیری از فیبروز کپسول ، پوشش های پردازش شده پلاسما را با هالوفوژینون تخلیه کنید[۱۰] |
پلی اتیلن (PE) | پیوند عروقی مصنوعی | الگوی میکروسیالی Polydimethylsiloxane)PDMS) برای جذب انتخابی فیبرونکتین |
پلی متیل متاکریلیت (PMMA) | لنزهای داخل چشم | عکاسی از ساختارهای نانو الکترومکانیکی برای افزایش حساسیت فتوپیک[۱۱] |
اقدامات زیستسازگاری در صنعت پزشکی طی ده سال گذشته تکنیک های اصلاح سطح را به سمتی هدایت کردهاست تا به سطح بی سابقه ای از دقت برسند.
پوششها
[ویرایش]در پوششهای آبگریز، پس از تبخیر حلال، یک پراکندگی پلیمر آبدار یک لایه بر روی سطح ایجاد میکند. ویژگیهای ذرات سطح پلیمر یکی از اجزای اصلی فرمولاسیون پوششی است، که به شما امکان کنترل خصوصیاتی مانند پراکندگی، دمای تشکیل غشا و رئولوژی(جریان) پوشش را میدهد. کمکهای پراکنده اغلب شامل دافعه فضایی یا الکترواستاتیک ذرات پلیمر است، که باعث پایداری کلوئیدی میشود. کمکهای پراکنده باعث جذب (مانند پیوند روی onto) بر روی ذرات لاتکس میشود که آنها را کاربردی میکند. ارتباط سایر افزودنیها، مانند غلیظکننده های نشان داده شده در نمودار، با مواد پلیمری جذبشده منجر به یک رفتار پیچیده رئولوژیکی و کنترل عالی بر خصوصیات جریان یک پوشش میشود.[۱۲]
جستارهای وابسته
[ویرایش]منابع
[ویرایش]- ↑ University of Illinois at Urbana-Champaign. "New Polymer Coatings Prevent Corrosion, Even When Scratched." ScienceDaily, 10 Dec. 2008. Web. 6 Jun. 2011. https://www.sciencedaily.com/releases/2008/12/081209125929.htm
- ↑ Eisby, Jan. Frank Eisby. "Corona Treatment, Why is it necessary?" Vetaphone A/S 2011 الگو:Cite web
- ↑ Markgraf, David A. Corona Treatment: An Overview Enercon Industries Corporation 1994.
- ↑ Schram, Daniel C. "Plamsa Processing and Chemistry," Pure Applied Chemistry 2002. Vol. 74, No. 3, pp. 369–380
- ↑ Wolf, Rory. "Surface Treatments for Wettability and Stickability," Medical Design 2009. http://medicaldesign.com/contract-manufacturing/manufacturing-production/surface_treatments_wettability_0409/
- ↑ Pardon, G; Saharil, F; Karlsson, JM; Supekar, O; Carlborg, CF; Wijngaart, W; et al. (2014). "Rapid mold-free manufacturing of microfluidic devices with robust and spatially directed surface modifications". Microfluidics and Nanofluidics. 17 (4): 773–779. doi:10.1007/s10404-014-1351-9. S2CID 21701353.
- ↑ Rånby, Bengt (1998). "Photoinitiated modification of polmers: photocrosslinking, surface photografting and photolamination". Mat Res Innovat. 2 (2): 64–71. doi:10.1007/s100190050064. S2CID 136547383.
- ↑ Atomic Force Microscopy, NanoScience Instruments. 2011 http://www.nanoscience.com/education/afm.html
- ↑ Balazs, D. J. "Surface Modification of PVC Endotracheal Tube Surfaces," European Cells and Materials Vol. 6. Suppl. 1, 2003 (page 86)
- ↑ Zeplin, Philip H. "Surface Modification of Silicone Breast Implants by Binding the Antifibrotic Drug Halofuginone Reduces Capsular Fibrosis," Journal of the American Society of Plastic Surgeons
- ↑ Meyer, Ulrich. Jörg Handschel, Thomas Meyer, Jorg Handschel, Hans Peter Wiesmann. Fundamentals of Tissue Engineering and Regenerative Medicine. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 2009
- ↑ Elaissari, Abdelhamid. Colloidal Polymers: Synthesis and Characterization. Marcel Dekker 2003 New York