Polümeeride töötlemise maailmas on optimaalse nakkuvuse, prinditavuse ja märguvuse saavutamine oma olemuselt mitte{0}}polaarsetel plastpindadel, nagu polüpropüleen ja polüetüleen, jätkuvalt väljakutse. Need materjalid, mida hinnatakse nende keemilise vastupidavuse ja barjääriomaduste poolest, jäävad sageli alla rakendustes, mis nõuavad tugevat sidet tindi, katete või liimidega. Selle jõudluse puudujäägi ületamiseks on pinna muutmise tehnoloogiad muutunud asendamatuks. Nende hulgas paistab koroonaheidete töötlemine silma nurgakiviga tööstusprotsessina, mis on tuntud oma tõhususe, kulutasuvuse-ja pideva töövõime poolest.
Koroona heite teaduslikud põhimõtted
Koroonaravi on põhimõtteliselt plasmaprotsess atmosfäärirõhul. See loob plasmalahenduse kõrgepingeelektroodi ja maandatud rulli vahel, kusjuures plastkile või põhimik läbib pilu. Rakendatud kõrgepinge (tavaliselt vahemikus kHz) ioniseerib ümbritseva õhu, luues nähtava kuma või filamentlahenduse, mis on rikas energiliste liikide poolest. See "külm plasma" sisaldab vabade elektronide, ioonide, metastabiilsete molekulide ja ultraviolettkiirguse (UV) footoni segu, mis kõik kannavad olulist energiat.
Kui see energiline plasma põrkub polümeeri pinnale, toimuvad peaaegu samaaegselt mitu olulist füüsikalist{0}}keemilist reaktsiooni. Peamine mehhanism on pinna pommitamine suure-energiaga elektronide ja UV-kiirgusega, mis lõhuvad polümeeriahelates stabiilsed süsinik-süsinik- ja süsinik-vesiniksidemed. See sidemete katkemine tekitab pinnale väga reaktiivseid vabu radikaale. Seejärel reageerivad need polümeer{7}vabad radikaalid kiiresti õhuplasmas leiduvate hapniku- ja lämmastikuliikidega (nagu aatomhapnik, osoon ja lämmastikoksiid). See reaktsioon viib polaarsete funktsionaalrühmade -eelkõige karbonüül- (C=O), karboksüül- (COOH) ja hüdroksüülrühmade (OH) püsiva liitumiseni varem inertsele polümeeri pinnale. Nende hapnikku{13}}sisaldavate rühmade lisamine suurendab märkimisväärselt plasti pinnaenergiat, muutes selle hüdrofoobsest hüdrofiilseks. See täiustatud pinnaenergia on võti parema märguvuse saavutamiseks, mis on tugeva nakkumise eeltingimus, kuna see võimaldab vedelikel, nagu tindid, liimid ja katted, ühtlaselt levida ja moodustada aluspinnaga lähedase kontakti.
Eelised ja tööstuslikud rakendused
Koroonaravi laialdane kasutuselevõtt tööstusharudes on tingitud tehniliste ja majanduslike eeliste mõjuvast kombinatsioonist. Selle peamiseks eeliseks on võime integreerida pideva, tootmisvoogu häirimata liiniprotsessina, mis on ülioluline suuremahulise-tootmise, näiteks kilede teisendamise puhul. See töötab atmosfäärirõhul, kasutades reaktiivse keskkonnana õhku, välistades vajaduse kallite vaakumsüsteemide järele, mida nõuavad muud plasmatehnoloogiad. See muudab seadmed lihtsamaks, vastupidavamaks ja oluliselt kuluefektiivsemaks{5}}nii kapitaliinvesteeringute kui ka tegevuskulude osas.
Need eelised muudavad koroonatöötluse sobivaks meetodiks{0}}polüolefiinkilede modifitseerimisel. Hea näide on biaksiaalselt orienteeritud polüpropüleenkile (BOPP) – materjal, mida leidub kõikjal toiduainete pakendites, kleeplintides ja üldotstarbelistes -pakendites. Töötlemata olekus on BOPP madal pinnaenergia ja halb märguvus, mistõttu see ei sobi printimiseks ega lamineerimiseks. Koroonatöötlus aktiveerib tõhusalt selle pinna, võimaldades kvaliteetset-graafilist printimist ja usaldusväärset liimimist liimikihtidega. Lisaks pakendamisele kasutatakse seda tehnoloogiat ka biolagunevate polümeeride, näiteks polüpiimhappe (PLA) muutmiseks. Uuringud on näidanud, et koroonaravi võib viia PLA-pindadele funktsionaalseid hapnikurühmi, mis mitte ainult ei paranda adhesiooni, vaid võivad kiirendada ka polümeeri biolagunemise kiirust.
Piirangud ja täiendavad tehnoloogiad
Vaatamata oma domineerimisele ei ole koroonaravi universaalne lahendus ja sellel on spetsiifilised piirangud. Tekkiv plasma on suhteliselt väikese -tihedusega ja töötlemisefekt on tavaliselt madal, tungides ainult materjali kõige välimistesse molekulikihtidesse (paar nanomeetrit). See on küllaldane kilede jaoks, kuid muutub piiranguks kolmemõõtmeliste objektide, tekstiilide või lahtiste kiududega materjalide puhul. Töötlemise efekt võib ebatasastel pindadel olla ebaühtlane ja väga väikeste elektroodivahede (umbes 1 mm) nõue võib olla praktiliseks piiranguks paksude või tekstureeritud substraatide töötlemisel. Lisaks võib töödeldud pind kogeda "vananemist", mille mõju aja jooksul väheneb madala -molekulaarse- oksüdeeritud materjalide migreerumise või polaarsete rühmade ümberorienteerumise tõttu polümeeri koostisesse.
Rakendustes, kus koroonaravi on ebapiisav, kasutatakse alternatiivseid ja täiendavaid tehnoloogiaid.Leegi ravion veel üks kõrgelt väljakujunenud atmosfäärirõhu{0}}tehnika. See toimib nii, et plastpind puutub lühiajaliselt kokku gaasileegiga, mis oksüdeerib pinna läbi koroonatöötlusega sarnase vaba-radikaali mehhanismi, viies sisse polaarsed rühmad. Leektöötlus mõjutab veidi suuremat sügavust (4-9 nm) ja seda eelistatakse sageli paksemate materjalide, keerukate 3D-kujude (nt autoosad) või puhumisvormitud-pudelite puhul. Uuringud on näidanud, et see on kasulik ja täiendab koroonalahendust, kusjuures optimeerimisel on olulised sellised parameetrid nagu õhu{9}}gaasi suhe ja kokkupuuteaeg. Kõige täpsema ja täiustatud pinnatöötluse jaoksmadalrõhu{0}}plasmaravipakub suurepärast kontrolli. See juhitakse vaakumkambris täpselt valitud protsessigaasiga (nt hapnik, argoon), mis loob tihedama, ühtlasema plasma, mis võib toota suuremat valikut pinna funktsionaalsust ja sügavamaid modifikatsioone ilma puistematerjali kahjustamata. Kuigi see on kallim ja partiile orienteeritud-, on see kõrgtehnoloogiliste rakenduste, näiteks meditsiiniseadmete jaoks hädavajalik.
Kokkuvõte ja tulevikuväljavaade
Koronaheidete töötlemine on endiselt ülitähtis,{0}}teaduspõhine tehnoloogia, mis on aastakümneid olnud plasti- ja pakenditööstuse kasvu aluseks. Selle elegantne plasmafüüsika rakendamine praktiliste haardumisprobleemide lahendamiseks annab tunnistust tõhusast inseneritööst. Muutes põhjalikult plastide pinnakeemiat polaarsete funktsionaalrühmade kasutuselevõtuga, võimaldab see jõudlust, mida tänapäevased rakendused nõuavad. Kuigi sellel on teatud geomeetria ja materjalidega seotud piirangud, on selle roll kiletöötluse ületamatu kulu{4}}kiiruse tõttu kindel. Pinna modifitseerimise tulevik ei seisne mitte koroonatöötluse väljatõrjumises, vaid selle intelligentses integreerimises teiste tehnoloogiatega, nagu leek ja madalrõhuplasma{6}}.