خواص سطحی ABS توسط پلاسما

تغییر خواص سطحی پلاستیک ABS با پلاسما

این مقاله به بحث در مورد تیمار پلاسما در اکریلونیتریل بوتادین استایرن (ABS) می پردازد. پلاستیک با تخلیۀ مانع سطحی همسطح انتشار (DCSBD) و قوس لغزشی در فشار اتمسفر تیمار می شود. ABS به دلیل قیمت پایین و کاربرد گسترده ای که در صنعت دارد، برای این مطالعه انتخاب شده است. نمونه ها با اندازه گیری زاویه تماس تجزیه و تحلیل شدند و در ادامه، انرژی سطح نیز تعیین شد. نتایج حاصل از این مطالعه نشان می دهد که تیمار چند ثانیه ای با پلاسما می تواند باعث تغییر در قابلیت ترشوندگی می شود.

در چند دهه اخیر، اکریلونیتریل بوتادین استایرن (ABS) به کاربرد صنعتی گسترده ای من جمله ساخت کلاه ایمنی، ابزار کوچک آشپزخانه، اسباب بازی هایی مانند عروسک، ماشین و لگو دست یافته است. امروزه، علت اصلی این محبوبیت ABS را می توان ساختار شیمیایی، هوازدگی، مقاومت در برابر پیری و خواص حرارتی آن دانست. ABS به لطف ساختار شیمیایی که دارد، در گروه پلی استایرن های مقاوم به ضربه قرار گرفته است و در برابر پیری یا تغییرات دمایی و رطوبت نیز مقاوم است. اگرچه با خواص شیمیایی و فیزیکی ABS آشنا هستیم، اما شتاخت کاملی از تغییرات این خواص پس از تیمار پلاسما نداریم. در سال های اخیر، تخلیه مانع دی الکتریک غیر حرارتی (DBD) در فشار اتمسفر کاربرد فراوانی در عملکرد سطحی پلیمرها داشته است. تیمار پلاسما در مقایسه با عملکرد شیمیایی بسیار زیست سازگار است. این روش تخلیه از مزایایی نیز برخوردار است؛ برای مثال نیازی به وکیوم نیست و نمونه ها را می توان در فشار اتمسفر با روش های کم هزینه تیمار کرد. برای این کار، می توانیم از گازهای مختلف مانند He، Ar و N₂ استفاده کنیم. اخیرآ، اصلاح سطح پلیمرها به دلیل بهبود خواص فیزیکی مورد بررسی قرار گرفته است. با این حال، پلیمرها به دلیل چگالی کم و انعطاف پذیری برای کاربردهای صنعتی مناسب هستند و خواص سطحی آنها با الزامات زیست سازگاری، ترشوندگی، چسبندگی و اصطکاک همراه نیست؛ در واقع، این نکته را میتوان هدف اصلی این مطالعه دانست؛ یک اصلاح سطح مناسب می تواند استفاده از این پلاستیک را افزایش دهد. پس از تیمار با پلاسما، انرژی سطحی بیشتری آزاد شده و ترشوندگی بهبود می یابد. در اینجا، از قوس لغزشی و تخلیه DCSBD بعنوان دو منبع پلاسمای فشار اتمسفر استفاده کردیم. این دو منبع به دلیل هزینه کم و عدم نیاز به وکیوم مورد استفاده قرار می گیرند. DCSBD نوع خاصی از DBD با آرایش موازی الکترودها است که در صفحه سرامیکی (بعنوان بخشی از مانع دی الکتریک) و روغن خنک کننده دی الکتریک قرار دارند. این نوع خاص از پلاسمای غیر همدما به منظور استفاده در چوب، منسوجات، ایلاف، تصفیه پلیمرها و غیره توسعه یافته است. در کل، هدف از این فرایند بیان تغییرات در ترشوندگی و میزان انرژی سطحی آزاد شده پس از تیمار پلاسما در ABS است.

روند آزمایشی

از دو نوع تیمار DCSBD و قوس لغزشی به دلیل کاربردهای صنعتی که دارند و کم هزینه بودن برای انجام این آزمایشات استفاده شده است.

1- DCSBD

DCSBD مخفف "تخلیه مانع سطحی همسطح انتشار" است؛ نوع خاصی از تخلیه مانع دی الکتریک است که در فشار اتمسفر و در بسیاری از گازهای مختلف من جمله هوا عمل می کند. در شکل زیر آرایش همسطح الکترودها ارائه شده است.

شکل 1:

هدف اصلی از این منبع پلاسما، انجام عملکرد پلاسمایی در نمونه های مسطح در حالت جامد است. این نوع تخلیه مانع توسط گروه Cernak در بخش فیزیک الکترونیک دانشگاه Masaryk و Comenius در براتیسلاوا صورت گرفته است. همانطور که در شکل زیر مشخص است، این منبع پلاسما متشکل از الکترودهای فلزی موازی است که در سرامیک تعبیه شده و با روغن خنک کننده خنک می شوند.

شکل 2:

روغن خنک کننده به دلیل برخورد بین ذرات باردار که دستگاه را گرم می کنند، ضروری است. سرامیک را می توان با کاهش دی الکتریک نیز گرم کرد. علاوه براین، روغن خنک کننده توسط یک سیستم خنک کننده آب تا دمای حدود 20-16 درجه سانتیگراد خنک می شود. محدوده فرکانس ولتاژ تغذیه 50-15 کیلوهرتز، توان ورودی بین 700-50 وات، حداکثر ولتاژ تا 20 کیلو ولت و دامنه جریان تخلیه نیز حدود 0.4 آمپر است. مزیت آرایش DCSBD ایجاد یک محدودۀ تخلیۀ بزرگ است و بنابراین، نمونه های بزرگتر را نیز می تواند پردازش کند. محدودۀ مناسب برای پلاسمای تولید شده با DCSBD 20×8 سانتیمتر و ضخامت آن حدود 0.3 میلیمتر است. با استفاده از DCSBD می توان چسبندگی، ترشوندگی و غیره را هم تغییر داد. این روش تخلیه اغلب برای تغییر خواص مواد کاربرد دارد؛ برای مثال، اگر بخواهیم ماده آبگریز را به آبدوست تغییر دهیم، از این روش استفاده می کنیم. در اینجا، از توان 400 وات و فرکانس 15 کیلوهرتز استفاده شده است.

2- قوس لغزشی

قوس لغزشی یک منبع پلاسمای تجاری است که پلاسمای غیرهمدما را تولید کرده و تخلیۀ بین دو الکترود گوشه ای که از مواد مختلف تشکیل شده اند، برانگیخته می شود. تخلیه در باریک ترین نقطه تشکیل شده و سپس منبسط می شود؛ در کنار الکترودها می لغزد و از بین می رود. مواد جدید بلافاصله در همان محل ظاهر می شود. این نوع درمان در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل 3:

این روند تخلیه با هندسۀ الکترودها، جریان هوا و ولتاژ مشخص می شود. این منبع پلاسما در فرکانس 40 کیلوهرتز با توان تقریبی 500 ولت کار می کند. ژنراتور ولتاژ بالا تا 10 کیلووات ولتاژ تولید می کند. محدوده تیمار نیز تقریبآ 60-50 میلی متر است. از طرفی، قوس لغزشی به دلیل وجود فیلامنت های پلاسما که دائمآ در حال حرکت هستند، زمان ثابتی ندارد و در نتیجه، می توان گفت که پلاسمای تولید شده به اندازۀ DBD همگن نیست.

تغییر انرژی سطحی

وابستگی زاویه تماس آب به زمان پیری پس از عملیات پلاسمایی پلاستیک ABS توسط دو منبع پلاسمای اتمسفری در شکل های زیر ارائه شده است.

شکل 4:

شکل 5:

شکل 6:

شکل 7:

تغییرات زاویه تماس و انرژی سطحی پس از تیمار پلاسما در چند زمان مختلف و با چند نوع پیری اندازه گیری شدند. به این معنا که فاصله زمانی پس از تیمار و قبل از اندازه گیری زاویه تماس صورت گرفته است؛ درست زمانی که نمونه ها در پتری دیش ذخیره می شوند تا از تغییر دما یا رطوبت جلوگیری شود. همان طور که در نمودارهای هر یک از شکل های بالا مشخص شده است، زمان قرار گرفتن در معرض پلاسما یا زمان پیری و نوع منبع پلاسما تأثیر بسزایی بر خواص آبدوستی نمونه ها دارد. برای بدست آوردن کمترین زاویه تماس، یعنی بالاترین رطوبت دوستی سطح، بایستی بیشتر در معرض پلاسما قرار می گرفت. عملیات پلاسمایی ABS باعث افزایش ترشوندگی سطح شد. همچنین، زاویه تماس آب 94.7 درجه است؛ به این معنا که زاویه تماس بیش از 40 درجه کاهش داشته است و در نتیجه، خواص آبدوستی در ABS پس از تیمار با پلاسما بسیار افزایش یافت.

زبری سطح پس از تیمار با پلاسما

زبری سطح با میکروسکوپ کانفوکال Olympus LEXT OLS4000 اندازه گیری شد. ضریب Ra در 646×464 میکرومتر محاسبه شد. نتایج زبری سطح پس از تیمار با پلاسما با استفاده از هر دو منبع یکسان بود. ما با استفاده از این مدل میکروسکوپ به این نتیجه رسیدیم که نمی توانیم با کمک هر کدام از این دو منبع، تغییر چشمگیری در میزان زبری سطح نمونه ها ایجاد کنیم.

با توجه به این یافته ها، می توان گفت که تغییر پلاسما در هوای آزاد برای افزایش انرژی سطح و کاهش زاویه تماس بسیار مناسب است. با این حال، خواص ترشوندگی سطح ارتقا می یابد. نتیجۀ اصلی حاصل از این مطالعه، مقایسۀ بین دو منبع پلاسما است؛ هر دو منبع می توانند خواص سطح را به خوبی تغییر دهند. حتی اگر نمونه های تیمار شده با قوس لغزشی زاویه تماس کمتری داشته باشند، تفاوت محسوسی نداشتند اما نتایج حاصل از ارزیابی انرژی سطحی نشان می دهد که قوس لغزشی انتخاب بهتری برای تغییر خواص سطح ABS است.