Физика /2

к.т.н., доц. Таганова В.А., к.т.н., доц. Шумилин А.И., д.т.н., проф. Пичхидзе С.Я., д.т.н., проф. Родионов И.В.

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., Россия

Термонапыленные пленки меди на фторсодержащих полимерах

В современной промышленности широкое применение получили такие материалы, как фторполимеры (ФП). Образующиеся ФП, в результате полимеризации фторсодержащих мономеров, в основном, имеют хорошую стойкость к воздействию химических веществ. Все эти свойства позволяют применять ФП в медицине (в кардиохирургии при изготовлении эндопротезов, в качестве основы для тест-полосок глюкометров) [1]. Фторполимеры, в частности фторопласт-4 (ПТФЭ), вследствие особенностей химического строения инертны и обладают низкой адгезией к большинству материалов. Для повышения адгезионных характеристик ПТФЭ используются химические и физические методы обработки поверхности ПТФЭ [2].

Целью работы является исследование морфологии и состава поверхностных слоев ПТФЭ и фторсодержащей резины с медными пленками, сформированными PVD методом, анализ влияния наличия данных пленок на адгезионную прочность соединений указанных материалов, а также определение возможности использования пластинок ПТФЭ с медными пленками в качестве тест-полосок глюкометров.

Методика экспериментальных исследований и обсуждение результатов

Для проведения исследований использовались образцы из ПТФЭ, представляющие собой пластины размерами 90×90×1 мм. Медь на образцы ПТФЭ наносилась с помощью термического нанесения. Разность потенциалов составляла 2,5 кВ, а скорость напыления – 10-30 нм/с. Адгезионная прочность соединений контрольных образцов из ПТФЭ, а также с нанесенной на поверхность медью, определялась методом межслоевого расслаивания на универсальной испытательной машине ИР 5082-100 [3].

Рентгеноструктурный фазовый анализ проводился на дифрактометре ДРОН-4 с использованием рентгеновской трубки с медным анодом (Сu-K_α излучение). Для анализа дифрактограмм использовалась база данных PCPDFWIN, v. 2.02, 1999, Международного Центра по дифракционным данным (ICPDS).

Исследование морфологии поверхности образцов проводилось методом растровой электронной микроскопии (РЭМ). Для снятия статического заряда на поверхность образцов наносилась тонкая пленка Au методом магнетронного напыления.

Морфология поверхности ПТФЭ и резины после напыления меди изменилась не значительно (рис.1). Визуализируются отдельные фрагменты напыленного металла.

Рис. 1. РЭМ-изображения поверхности: а –ПТФЭ, б – Cu на ПТФЭ, в – резина, г – Cu на резине

ИК-анализ подтверждает образование ненасыщенных связей на ПТФЭ и резине (рис.2).

Рис. 2. ИКС НПВО: а - Cu на ПТФЭ (верх), ПТФЭ (низ), б - Cu на резине (верх), резина (низ)

На рис.3 представлена дифрактограмма образца ПТФЭ с термонанесением меди. Рентгенофазовый анализ показывает наличие пиков, характерных для кристаллической фазы меди, а также сигналов для CuF₂. Образование CuF₂ на поверхности ПТФЭ можно объяснить реакциями дефторирования полимерной цепи ПТФЭ. В процессе нанесения меди происходит видимое изменение цвета поверхностного слоя основы из ПТФЭ от белого до желто-зеленого, далее наблюдается появление металлического блеска меди на поверхности ПТФЭ.

Рис.3. Дифрактограмма ПТФЭ с напыленной медью

Анализ химического состава поверхности ПТФЭ показывает, что нанесение медных пленок толщиной до 10 нм приводит к образованию CuF_2. При толщине покрытия более 25…30 нм относительное содержание меди возрастает, а CuF₂ уменьшается.

Оценку влияния на адгезионные свойства поверхности ПТФЭ после термического нанесения пленок меди толщиной до 10 нм проводили методом межслоевого расслаивания с фторсодержащей резиной марки 420-264В/5 после сополимеризации по аналогии с известными исследованиями [4-9].

Анализ результатов показывает удовлетворительную адгезионную прочность при расслоении модифицированных образцов ПТФЭ и резины после термического нанесения меди (табл. 1). Представляется важным то, что при получении фторида меди на поверхности ПТФЭ, по-видимому, образуется активный углерод, лишенный фтора. Благодаря этому пленка меди держится на поверхности ПТФЭ особенно прочно. Прочность при расслоении соединений «ПТФЭ - резина» после термического нанесения меди возрастает, по-видимому, за счет дефторирования поверхности обоих фторполимеров.

Таблица 1

Прочность связи при расслоении «ПТФЭ - резина», Н/см

№	Резина 420-264В/5	ПТФЭ
		исходный	+ Cu
1	исходная	-	2,7
2	+ Cu (термонанесение)	2,5	4,9

Примечание: «–» значение прочности при расслоении менее 1 Н/см.

Были произведены измерения электрического сопротивления медных пленок, сформированных на моделях полосок глюкометра, применяемых для тестирования биохимических свойств крови. Измерения производили мультиметром цифровым Рecanta DT9208A. Полученные значения были пересчитаны под удельное сопротивление (табл.2.) [4].

Таблица 2

Удельное сопротивление ПТФЭ и меди

ПТФЭ	Cu
2×10^13Ом×м	1,72×10^-8 Ом×м

Выводы: 1) при термическом нанесении пленок меди толщиной до 10 нм на поверхности ПТФЭ образуется CuF₂, что обеспечивает достаточную адгезию ПТФЭ и резины;

2) при толщине покрытия меди более 25…30 нм обеспечивается необходимая электрическая проводимость, что позволяет использовать метод термонанесения меди при изготовлении тест-полосок для тестирования биохимических свойств крови.

Литература

1. Нудельман З.Н. Фторкаучуки: основы, переработка, применение / З.Н. Нудельман // М.: ПИФ-РИАС. 2006. - 384 с.

2. Вострокнутов Е.Г., Новиков М.И., Новиков В.И., Прозоровская Н.В. // Переработка каучуков и резиновых смесей (реологические основы, технология, оборудование). М.: Химия, 1980. – 141с.

3. ГОСТ 6768-75. Резина и прорезиненная ткань. Метод определения прочности связи между слоями при расслоении. М.: ИПК изд-во стандартов. – 6с.

4. Белорусов Н.И., Саакян А.Е., Яковлев А.И. Электрические кабели, провода и шнуры. Справочник. 5-е издание, переработанное и дополненное. М.: Энергоатомиздат, 1987. – 704с.

5. Шумилин А.И., Гринёв В.С., Фёдоров Е.Е., Таганова В.А., Телегин С.В., Пичхидзе С.Я. Адгезионная прочность при расслоении фторсодержащей резины и политетрафторэтилена. Пластические массы. 2014. № 3-4. С. 35-38.

6. Колибабчук Д.С., Скрипаченко К.К., Шумилин А.И., Таганова В.А., Пичхидзе С.Я. Анализ поверхности фторопласта-4 после термического нанесения меди. 4-ая международн. научн. конф. для молодых ученых, студентов и школьников. Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы. Саратов: СГТУ. 2015.- 3с.

7. Байбара В.С., Шумилин А.И., Таганова В.А., Пичхидзе С.Я. Поверхность фторопласта-4 при термическом нанесении меди. Конференция Элпит-2015. Тольятти: ТГУ. 2015. – 3с.

8. Солозобова Н.С., Горбачев И.А., Костин К.Б., Пичхидзе С.Я. Исследование термического нанесения меди на фторопласт-4 и фторсодержащую резину. Самара: Л-Журнал, 17 МНК, 2016. – 1с.

9. Солозобова Н.С., Таганова В.А., Шумилин А.И., Пичхидзе С.Я. Влияние термического нанесения меди на фторопласт-4 и фторсодержащую резину. Самара: Л-Журнал, 19 МНК, 2016. – 4с.