INFLUENCE OF SURFACE CHARGE ON THE FORMATION OF THE CARBONIZED LAYER RELIEF ON THE POLYMER SURFACE DURING ION-PLASMA TREATMENT

Abstract


The origin hypothesis of the wavy relief on the surface of plasma-treated polyure-thane is considered in this paper. It has been suggested that stresses and strains appear due to the eponymous charge accumulated in the near-surface layer. A technique for cal-culating stresses under the condition of a uniform charge distribution is proposed. The constitutive equations of an elastic medium with a distributed charge, based on the law of conservation of energy and thermodynamic inequality, are obtained. The Cauchy stress tensor contains a term that depends on the charge distribution density in the resulting equations. A calculation, showing the dependence of the magnitude of stresses on ener-gy and fluence of implanted ions, has been carried out. According to the proposed mod-el, calculations show that the stresses in the material are high enough to cause a change in the shape of the surface at certain treatment regimes. It is shown that the loss of stabil-ity and, as a consequence, the appearance of waves on the surface of the material is typ-ical for low-modulus polymers. The calculation results are compared with real images, obtained using optical and atomic force microscopes, of the samples surfaces after the treatment. Conclusions about the viability of the proposed hypothesis are drawn.

Full Text

Ионно-плазменная обработка полимеров является перспективным направлением в создании нанокомпо-зитных материалов. Такая обработка позволяет созда-вать на поверхности полимеров специфический слой с особыми физико-механическими свойствами [1–5]. Исследования с помощью инфракрасной и рентгенов-ской спектроскопии показывают высокое содержание углерода в слое. Получение таких слоев интересно с практической точки зрения, особый интерес вызывает использование таких материалов в медицинских целях [6–8]. Во-первых, высокое содержание углерода говорит о возможности получения электропроводящих слоев. Во-вто¬рых, слой имеет достаточно высокую жесткость, в сравнении с исходным материалом [9]. В-третьих, слой имеет уникальные биофизические свойства, что корен-ным образом меняет поведение посаженных на обрабо-танный материал биологических объектов (клетки, мо-лекулы протеина, бактерии) [10–14]. Много вопросов возникает вокруг рельефа полу-ченного слоя. Образовавшийся слой принимает волни-стую форму [15; 16]. Амплитуда и ширина волн зависят от энергии обработки, накопленной дозы ионов и, судя по всему, от жесткости исходного материала. От полу-ченного рельефа зависит трещиностойкость слоя и ше-роховатость поверхности [17; 18]. Оба фактора имеют значение при взаимодействии с биологическими объек-тами. В связи с этим возникает фундаментальная зада-ча: объяснить причины образования волнообразного рельефа и научиться контролировать этот процесс для получения подходящих физико-механических свойств полученного материала. Ряд работ посвящен расчетам, задачей в которых является установить границы появления волн, облада-ющих критическими значениями амплитуд и длин [19–21]. В других работах показано, что на микроуровне полиуретан содержит жесткие и мягкие блоки [22; 23], которые могут являться фактором формы потери устой-чивости. При этом, как правило, фундаментальный во-прос о причинах появления напряжений, следствием которых является потеря устойчивости в материале, обычно не рассматривается. Некоторые предыдущие попытки объяснить дан-ный феномен давали совсем неубедительные результа-ты. Например, попытка объяснить феномен с позиции классической термоупругости или давления ионов на материал в процессе обработки. Другие попытки каза-лись более перспективными. Рассмотрение процесса возможно с точки зрения неравновесной термодинами-ки с релаксирующими потоками тепла [24]. В работе показано, что в процессе обработки в приповерхност-ном слое возникают напряжения, которые могут быть причиной потери устойчивости. Однако тщательная численная проверка показала, что вклад напряжений вряд ли может считаться определяющим [27]. Подоб-ный подход использовался и другими исследователями при рассмотрении схожих процессов, проходящих при малых временах и на малых масштабах [25; 26]. В данном исследовании осуществлен анализ ра-зумности «электрической» гипотезы возникновения волнообразного рельефа. Так как ионы, которыми об-рабатывается поверхность, имеют одноименный заряд, можно предположить, что при определенной накоплен-ной дозе плотность заряда примет критическое значе-ние. В ряде работ наличие заряда установлено экспе-риментально [28; 29]. Под критическим значением по-нимается такое значение плотности заряда, когда силы электростатического отталкивания будут способны вызвать значительные напряжения и деформации мате-риала в приповерхностном слое и произойдет потеря устойчивости. Теоретические основы использования теории для моделирования изгиба балки с учетом эф-фектов электроупругости изложены в работе [30]. В предложенной нами работе использован несколько иной подход. В работе получены зависимости для сил, возника-ющих между равномерно распределенными ионами, и напряжений, возникающих вследствие этого. Проведена оценка возникающих напряжений. Показано, что ре-зультаты расчетов коррелируют с реальной картиной, полученной на оптическом и атомно-силовом микро-скопе.

About the authors

A. Yu. Beliaev

Institute of Continuous Media Mechanics UB RAS

R. I. Izyumov

Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics RAS

A. L. Svistkov

Institute of Continuous Media Mechanics UB RAS

References

  1. Oehr C. Plasma surface modification of polymers for bio-medical use // Nucl. Instrum. Meth. B. – 2003. – Vol. 208. – P. 40–7.
  2. Synthesis of biocompatible surfaces by nanotechnology methods / A.P. Alekhin, G.M. Boleiko, S.A. Gudkova, A.M. Mar-keev, A.A. Sigarev, V.F. Toknova, A.G. Kirilenko, R.V. Lapshin, E.N. Kozlov, D.V. Tetyukhin // Nanotechnologies in Russia 2010. – Vol. 5. – P. 696–708.
  3. Surface characterization of plasma treated polymers for ap-plications as biocompatible carriers / P. Slepička, N.S. Kasál¬ková, E. Stránská, L. Bačáková, V. Švorčík // eXPRESS Polymer Letters. – 2013. – Vol. 7. – P. 535–545. doi: 10.3144/expresspolymlett.2013.50
  4. Горошкина У.В., Лапуть О.А., Курзина И.А. Влияние ионно-плазменной обработки на поверхностные физико-химические свойства материалов на основе полилактида и гид-роксиапатита // Вестник Томского государственного универси-тета. Химия. – 2020. – № 19. – С. 45–50. doi: 10.17223/24135542/19/5
  5. Nageswaran G., Jothi L., Jagannathan S. Chapter 4 – Plas-ma Assisted Polymer Modifications // Non-Thermal Plasma Tech-nology for Polymeric Materials. – 2019. – P. 95–127. doi: 10.1016/B978-0-12-813152-7.00004-4
  6. Plasma and Nanomaterials: Fabrication and Biomedical Ap-plications / N.K. Kaushik, N. Kaushik, N.N. Linh, B. Ghimire, A. Pengkit, J. Sornsakdanuphap, S.-J. Lee, E.H. Choi // Nanomaterials. – 2019. – № 9. – Р. 98. doi: 10.3390/nano9010098
  7. Plasmas for medicine / T. Von Woedtke, S. Reuter, K. Ma-sur, K.D. Weltmann // Phys. Rep. – 2013. – No. 530. – P. 291–320. doi: 10.1016/j.physrep.2013.05.005
  8. Патент № 2721280 C1 Российская Федерация, МПК A61L 33/02, A61L 27/22, A61L 31/08. Способ создания антит-ромбогенного покрытия на полимерных сосудистых протезах: № 2019119336: заявл. 19.06.2019: опубл. 18.05.2020 / И.Н. Шардаков, В.С. Чудинов; заявитель Общество с ограни-ченной ответственностью «ИМБИОКОМ».
  9. Kondyurin A., Volodin P., Weber J. Plasma Immersion Ion Implantation of Pebax Polymer // Nuclear Instruments and Methods B. – 2006. – Vol. 251, no. 2. – P. 407–412. doi: 10.1016/j.nimb.2006.06.026
  10. Improvement of polyurethane surface biocompatibility by plasma and ion beam techniques / V. Melnig, N. Apetroaei, N. Dumitrascu, Y. Suzuki, V.J. Tura // Optoelectron. Adv. Mater. – 2005. – Vol. 7. – P. 2521.
  11. Free radical functionalization of surfaces to prevent adverse responses to biomedical devices / M.M.M. Bilek, D.V. Bax, A. Kondyurin, Y.B. Yin, N.J. Nosworthy, K.P. Fisher // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of Ameri-ca. – 2011. – Vol. 108. – P. 14405-14410.
  12. Studying the Influence of Surface Topography on Bacterial Adhesion using Spatially Organized Microtopographic Surface Patterns / D. Perera-Costa, J.M. Bruque, M.L. González-Martín, A.C. Gómez-García, V. Vadillo-Rodríguez // Langmuir. – 2014. – Vol. 30. – P. 4633–41.
  13. Елинсон В.М., Щур П.А. Технология формирования антимикробных фторуглеродных покрытий с углеродным под-слоем на поверхности полимеров // Наноиндустрия. – 2021. – Т. 14, № S6. – С. 211–220. doi: 10.22184/1993-8578.2021.14.6s.211.220
  14. Елинсон В.М., Щур П.А., Кравчук Е.Д. Параметры ре-льефа антиадгезионных антимикробных покрытий, сформиро-ванных методами ионно-плазменной технологии на поверхно-сти ПЭТФ // Наноиндустрия. – 2020. – Т. 13, № S2. – С. 228–235. doi: 10.22184/1993-8578.2020.13.2s.228.235
  15. Control of Nanotexture and Wetting Properties of Polydi-methylsiloxane from Very Hydrophobic to Super-Hydro¬phobic by Plasma Processing / K. Tsougeni, A. Tserepi, G. Bou¬lou¬sis, V. Constantoudis, E. Gogolides // Plasma Processes and Polymers. – 2007. – Vol. 4, no. 4. – P. 398–405.
  16. Croll A.B., Crosby A.J. Pattern driven localization in thin diblock copolymer films // Macromolecules. – 2012. – Vol. 45. – P. 4001–6.
  17. Structural-mechanical and antibacterial properties of a soft elastic polyurethane surface after plasma immersion N2+ implanta-tion / I.A. Morozov, A.S. Mamaev, I.V. Osorgina, L.M. Lem¬kina, V.P. Korobov, A.Yu. Belyaev, S.E. Porozova, M.G. Sherban // Materials Science Engineering C. – 2016. – Vol. 62. – P. 242–248.
  18. Evaluation of the deformation strength properties of a fluor-inated polymer layer on the surface of poly(ethylene terephthalate) films / A.L. Volynskii, V.G. Nazarov, L.M. Yarysheva, V.P. Stoly-arov, S.V. Tsypysheva, D.V. Bagrov, E.G. Rukhlya, A.Yu. Yarysheva, N.F. Bakeev // Doklady Physical Chemistry. – 2012. – Vol. 442. – P. 5–7. doi: 10.1134/S0012501612010034
  19. Nikravesh S., Ryu D., Shen Y.-L. Instabilities of Thin Films on a Compliant Substrate: Direct Numerical Simulations from Surface Wrinkling to Global Buckling // Scientific Reports. – 2020. – Vol. 10. – P. 5728. doi: 10.1038/s41598-020-62600-z
  20. Nikravesh S., Ryu D., Shen Y.-L. Surface Instability of Composite Tin Films on Compliant Substrates: Direct Simulation Approach // Frontiers in Materials. – 2019. – Vol. 6. – P. 214. doi: 10.3389/fmats.2019.00214
  21. Folding wrinkles of a thin stiff layer on a soft substrate / J.-Y. Sun, S. Xia, M.-W. Moon, K. Hwan Oh, K.-S. Kim // Proc. R. Soc. – 2011. – A. 468932. – P. 953. doi: 10.1098/rspa.2011.0567
  22. Surface and subsurface AFM study of carbon-implanted polyurethane / I.A. Morozov, A.S. Kamenetskikh, A.Y. Beliaev, R.I. Izumov, M.G. Scherban, D.M. Kiselkov // Plasma Processes Polym. – 2022. – Vol. 19. – P. 2100156. doi: 10.1002/ppap.202100156
  23. Yilgör I., Yilgör E., Wilkes G.L. Critical parameters in de-signing segmented polyurethanes and their effect on morphology and properties: A comprehensive review // Polymer. – 2015. – Vol. 58. – P. 1–36. doi: 10.1016/j.polymer.2014.12.014.
  24. Müller I., Ruggeri T. Extended Thermodynamics V. 37. Springer Tracts in Natural Philosophy. – Springer, Berlin, 1993.
  25. Lurie S.A., Belov P.A. On the nature of the relaxation time, the Maxwell–Cattaneo and Fourier law in the thermodynamics of a continuous medium, and the scale effects in thermal conductivity // Continuum Mech. Thermodyn. – 2020. – Vol. 32. – P. 709–728. doi: 10.1007/s00161-018-0718-7
  26. Wave reflection at a free interface in an anisotropic pyroelec-tric medium with nonclassical thermoelasticity / Aen. Abd-alla, I. Giorgio, L. Galantucci [et al.] // Continuum Mech. Thermo¬dyn. – 2016. – Vol. 28. – P. 67–84. doi: 10.1007/s00161-014-0400-7
  27. Комар Л.А., Свистков А.Л., Беляев А.Ю. Метод реше-ния линеаризированных тепловых задач с учетом явления ре-лаксации теплового потока // Вычислительная механика сплош-ных сред. – 2022. – № 15(2). – С. 185–192. doi: 10.7242/1999-6691/2022.15.2.14
  28. Kukushkin Surface charge of polymer materials modified by nanostructured fluorocarbon coatings / V.M. Elinson [et al.] // J. Phys.: Conf. Ser. – 2020. – Vol. 1713. – P. 012016. doi: 10.1088/1742-6596/1713/1/012016
  29. Влияние поверхностного заряда электретов на грибо-стойкость фторуглеродных полимерных материалов / В.М. Елин¬сон, А.С. Аболенцев, Т.В. Ходырев, П.А. Щур // Вакуумная наука и техника: материалы XXVIII Научно-технической конференции с участием зарубежных специали-стов, Крым, Судак, 16–21 сентября 2021 года. – Судак, 2021. – С. 260-267.
  30. Lurie S., Solyaev Y. On the formulation of elastic and elec-troelastic gradient beam theories // Continuum Mech. Thermodyn. – 2019. – Vol. 31. – P. 1601–1613. doi: 10.1007/s00161-019-00781-3

Statistics

Views

Abstract - 59

PDF (Russian) - 56

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2023 Beliaev A.Y., Izyumov R.I., Svistkov A.L.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies