ترشوندگی سطوح پلیمری

ترشوندگی قابل تنظیم در سطوح پلیمری

یک روش ساده برای تهیه مواد پلیمری با ترشوندگی کنترل شدۀ سطح توسعه داده شد. این روش در بسیاری از پلیمرها، هم ترموست و هم ترموپلاستیک قابل استفاده است. با این روش میتوان سطوح پلیمری با زوایای تماس ساکن آب از 0 (فوق آبدوست) تا 170 درجه سلسیوس (فوق آبگریز) را آماده کرد. این روش توسعه یافته مبتنی بر پوشش اسپین از مخلوط آبدوست/ آبگریز است که در یک حلال آلی یا مخلوط حلال بر روی سطح پلیمر پراکنده شده است. باتوجه به نسبت سیلیس آبدوست/ آبگریز در مخلوط پوشش، میتوان به سطوح پلیمری دست یافت که در آنها ترشوندگی به تدریج در حال تغییر از فوق آبدوست به فوق آبگریز است. در این مقاله، آماده سازی و خواص سطحی لایه های پلی استایرن (PS) و رزین اپوکسی پیوندی متقاطع (ER) بعنوان نمونه های کلی ارائه شده است. سطوح پلیمری بدست آمده با میکروسکوپ الکترونی روبشی، تداخل سنجی نور سفید، میکروسکوپ نیروی اتمی، اسپکتروسکوپی فوتوالکترون اشعه ایکس و اندازه گیری زاویه تماس آب مشخص شدند. همچنین، تأثیر نوع بستر پلیمری و ترکیب مخلوط سیلیس بر روی رفتار سطحی سیستم های کامپوزیتی نیز مورد بررسی قرار گرفت.

آماده سازی و شناسایی مواد با سطوح فوق آبدوست/ فوق آبگریز در 10 سال گذشته بطور گسترده مورد بررسی قرار گرفته است. علاوه بر کنجکاوی علمی برای درک عوامل شیمیایی/ فیزیکی/ حیاتی و یا پارامترهای منجر به تشکیل چنین سطوحی، کاربردهای تکنولوژیکی بالقوۀ این مواد در زمینه های مختلف من جمله مواد زیستی، میکروالکترونیک، میکروسیال، پوشش ها، منسوجات و غیره نیروهای محرک اصلی در این مطالعه محسوب می شوند. مشاهده شده است که رفتار ترشوندگی یک سطح توسط ساختار شیمیایی و توپوگرافی سطح یا زبری آن کنترل می شود. سطوح آبگریز (برای مثال سیستم های حاوی دی متیل سیلوکسان یا کاملآ فلوئوره) که زبری در مقیاس میکرومتر و یا نانومتر را بعنوان فوق آبگریزی نشان می دهند که معمولآ اثر لوتوس نامیده می شود؛ زیرا ساختار این مواد شبیه به برگ های نیلوفر آبی است. تفسیر تئوری اثر زبری سطح بر رفتار ترشوندگی توسط ونزل و همکارانش ارائه شده است. مطالعات بسیاری به بررسی سطوح فوق آبگریز یا فوق آبدوست پرداخته اند، اما مطالعات درمورد آماده سازی سطوح با ترشوندگی کنترل شده یا خواص ترشوندگی قابل تنظیم نسبتآ محدود بوده است. کامپوستو و همکارانش ترشوندگی سطوح پلیمری حاصل از واکنش نانوذرات سیلیس اصلاح شده به آمین با قطرهای 15-350 نانومتر را بر روی لایه های پلی (استایرن - رندوم - اکریلیک اسید) مورد مطالعه قرار دادند. باتوجه به اندازه و پوشش سطح، آنها توانستند مقادیر زاویه تماس ساکن آب را بین 75-120 درجه تخمین بزنند. همچنین استافورد و همکارانش ترشوندگی سطوح تحت درمان با اشعه ماوراء بنفش/ ازون و سطوح PDMS خشک را بررسی کردند. آنها بعنوان تابعی از زبری سطح توانستند زوایای تماس ساکن آب را بین 60-110 درجه تخمین بزنند. روشی برای آماده سازی سطح با ترشوندگی قابل تنظیم براساس رسوب چندلایه پلی الکترولیت بر روی یک بستر ناهموار و به دنبال آن تبادل یونی کنتریون گزارش شده است. با این روش، زاویه تماس استاتیک آب سطح را میتوان بین 5-164 درجه تغییر داد. فیلم های پیچیده ای که نشان دهندۀ رفتار ترشوندگی قابل تنظیم هستند، با زوایای تماس ساکن آب بین 60-100 درجه گزارش شده اند. فیلم ها با رویکرد خودآرایی یونی تهیه شدند؛ جایی که متیل اورانژ و دودکانوئیک اسید پرفلوئوره به یک چارچوب پلی (مایع یونی) متصل شدند. لایه های سیلیسی با رفتار ترشوندگی قابل تنظیم که نشان دهندۀ زوایای تماس ساکن آب بین 10-150 هستند، بر روی شبکه های فولادی ضدزنگ با تکنیک سل- ژل و به دنبال آن اصلاح سطح و بازپخت تهیه شدند. حالت های ترشوندگی قابل تنظیم با تغییر شیمی سطح و مورفولوژی کنترل شدند. همچنین مشاهده شد که نانونیدل ها و نانونیل ها با پایۀ  ZnOنشان دهندۀ زوایای تماس ساکن آب بین 90-125 درجه هستند. جالب اینجاست که پس از بازپخت هوا، این مواد فوق آبدوست می شوند؛ درحالی که درصورت تیمار با اسید استئاریک، فوق آبگریز شده و زوایه تماس نیز به حدود 160 درجه می رسد.

رفتار ترشوندگی میکروکانال های سیلیکونی طرح دار پوشش داده شده با پلیون های باردار مثبت و منفی و همچنین نانوذرات آبدوست TiO₂ با استفاده از تکنیک رسوب لایه-به-لایه مورد بررسی قرار گرفت. باتوجه به نوع پوشش و ضخامت، زوایای تماس ساکن آب بین 10-160 درجه بود. خواص ترشوندگی الکتروشیمیایی پلی پیرول با اعمال ولتاژهای بسیار کم نیز بررسی شده است. زوایای تماس استاتیک آب بین 107-133 درجه به ترتیب برای نمونه های اکسید شده و کاهش یافته مشاهده شد. بطور مشابه، ادوینکولا و همکارانش رفتار ترشوندگی ناشی از پتانسیل دانه های پلی استایرن نانوساختار لایه ای روی سطوح طلا یا ITO را بررسی کردند که در ادامه، توسط لایه های پلی تیوفن ازطریق الکترو پلیمریزاسیون پوشش داده شدند. مواد بدست آمده زوایای تماس ساکن آب را بین 60-150 درجه برای چندین چرخه با استفاده از یک سوئیچینگ بالقوه بین 0-1.05 ولت را نشان می دهند. راپکین و همکارانش علاوه بر مطالعۀ ترشوندگی- آبگریزی کنترل شده و برگشت پذیر در سطوح نانوساختار، ماهیت و مکانیسم برگشت پذیری را نیز بطور تجربی و تئوری بررسی کردند. آماده سازی این سطوح با رفتار ترشوندگی قابل تنظیم از فوق آبگریز تا فوق آبدوست در مواجهه با اشعه ماوراء بنفش UV و ازون نیز گزارش شده است. علاوه بر مطالعات تجربی، این رفتار در مواد نانوساختار بیومیمتیک تحت میدان الکتریکی نیز با استفاده از شبیه سازی های مولکولی مورد بررسی قرار گرفته است. همانطور که قبلآ مشاهده شد، بیشتر تکنیک های آزمایشی مورد استفاده در آماده سازی سطوح با رفتار ترشوندگی قابل تنظیم علاوه بر مبتنی بودن بر فرایندهای نسبتآ پیچیده و دشوار، در سیستم های پلیمری خاصی قابل اجرا بوده و همچنین فقط کسری از محدوده فوق آبدوست- فوق آبگریز را پوشش می دهند. در اینجا، ما یک رویکرد بسیار ساده برای بدست آوردن سطوح پلیمری با رفتار ترشوندگی قابل تنظیم با زوایای تماس ساکن آب بین 0-175 درجه ارائه می دهیم.

در این مقاله یک روش ساده و کاربردی باتوجه به پوشش اسپین مخلوط سیلیس آبدوست/ آبگریز پراکنده در یک حلال آلی یا مخلوط حلال بر روی سطح پلیمر، برای آماده سازی سطوح پلیمری با ترشوندگی کنترل شده یا قابل تنظیم توسعه داده شد. مشاهده شد که با این روش میتوان با زوایای تماس ساکن آب از 0 درجه (فوق آبدوست) تا بیش از 170 درجه (فوق آبگریز) آماده کرد. در این گزارش، آماده سازی و شناسایی سطوح با ترشوندگی کنترل شده براساس پلی استایرن (PS) و رزین اپوکسی متقاطع (ER) بعنوان نمونه های کلی ارائه شده است. ما معتقدیم که این روش برای تعداد زیادی پلیمر، ترموپلاستیک یا ترموست قابل استفاده است. اگرچه در اینجا فقط یک فرایند پوشش دهی مورد بحث قرار گرفته است، اما ممکن است بتوانیم به سطوح پلیمری دست پیدا کنیم که نشان دهندۀ رفتار ترشوندگی قابل تنظیم را با پوشش دادن مخلوط سیلیس آبدوست/ آبگریز با استفاده از روش پاشش/ غوطه وری یا تکنیک های پوشش تیغه ای باشند.