ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО ЗАРЯДА НА ФОРМИРОВАНИЕ РЕЛЬЕФА КАРБОНИЗИРОВАННОГО СЛОЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ПОЛИМЕРА ПРИ ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКЕ

  • Авторы: Беляев А.Ю.1, Изюмов Р.И.2, Свистков А.Л.1
  • Учреждения:
    1. Институт механики сплошных сред Уральского отделения РАН – филиал Пермского федерального исследовательского центра Уральского отделения РАН
    2. Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН
  • Выпуск: № 2 (2023)
  • Страницы: 88-97
  • Раздел: Статьи
  • URL: https://ered.pstu.ru/index.php/mechanics/article/view/3784
  • DOI: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2023.2.08
  • Цитировать

Аннотация


Рассматривается гипотеза происхождения волнообразного рельефа на по-верхности полиуретана, обработанного плазмой. Выдвинуто предположение, что напряжения и деформации возникают из-за накопленного в приповерхностном слое одноименного заряда. Предложена методика расчета напряжений при усло-вии равномерного распределения заряда. Получены определяющие уравнения упругой среды с распределенным зарядом, исходя из закона сохранения энергии и термодинамического неравенства. В полученных уравнениях тензор напряжений Коши содержит слагаемое, зависящее от плотности распределения заряда. Прове-ден расчет, показывающий зависимость величины напряжений от энергии и накоп-ленной дозы. Расчет по предложенной модели показывает, что напряжения, возни-кающие в материале при некоторых дозах обработки достаточно высокие, чтобы вызвать изменение формы поверхности. Показано, что потеря устойчивости и, как следствие, возникновение волн на поверхности материала, характерно для низко-модульных полимеров. Проведено сравнение результатов расчета с реальными снимками поверхностей образцов после обработки, полученных с помощью опти-ческого и атомно-силового микроскопов. Сделаны выводы о состоятельности вы-двинутой гипотезы.

Полный текст

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.

Об авторах

А. Ю. Беляев

Институт механики сплошных сред Уральского отделения РАН – филиал Пермского федерального исследовательского центра Уральского отделения РАН

Р. И. Изюмов

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

А. Л. Свистков

Институт механики сплошных сред Уральского отделения РАН – филиал Пермского федерального исследовательского центра Уральского отделения РАН

Список литературы

  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

Статистика

Просмотры

Аннотация - 56

PDF (Russian) - 54

Cited-By


PlumX


© Беляев А.Ю., Изюмов Р.И., Свистков А.Л., 2023

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах