Powłoki w przetwórstwie tworzyw sztucznych

Chyba każdy z nas trzymał w ręku tzw. patelnię z teflonu. Oczywiście wiemy, że jest ona pokryta tylko syntetycznym polimerem o handlowej nazwie "Teflon". I właśnie ten przykład pokazuje jak ważna jest rola powłok w codziennym życiu. 

Polytetrafluoroethylene (w skrócie PTFE) jest syntetycznym polimerem tetraflouroetylenowym, szerzej znanym pod marką Teflon, której właścicielem jest od roku 1945, firma DuPont. PTFE został przypadkowo wynaleziony przez Roy'a Plunkett'a z firmy Kinetic Chemicals w New Jersey w 1938 roku, przy okazji prac doświadczalnych nad freonem, zaś w roku 1954, francuski inżynier Marc Gregoire, wytworzył pierwszą patelnię pokrytą teflonem o nazwie Tefal.

Dlaczego teflon zrobił tak oszałamiającą karierę? Bo do patelni pokrytej teflonem po prostu nic nie przywiera. Ułatwia to życie, prawda? A wyjaśnienie tkwi w budowie cząsteczki PTFE. To długie łańcuchy atomów węgla związanych z atomami fluoru, których wiązanie jest tak mocne, że nie pozwala już na wiązanie się z innymi atomami.

Dzisiaj inżynierią powierzchni zajmują się doskonali, wyspecjalizowani naukowcy a nauka o powłokach ma związek praktycznie z każdą gałęzią przemysłu. Nie omija również branży tworzyw sztucznych, gdyż z jednej strony, pokrywamy powłokami narzędzia do przetwórstwa TS, a z drugiej pokrywamy same tworzywa sztuczne. No i nie zapominajmy, że same tworzywa również doskonale sprawdzają się jako powłoki (vide: teflon).

Współczesny przemysł stawia materiałom polimerowym wysokie wymagania dotyczące właściwości mechanicznych i tribologicznych. W związku z tym, że dotychczas stosowane tworzywa sztuczne często nie spełniały oczekiwań rynku, podjęto próby kształtowania ich własności użytkowych poprzez wykorzystanie metod inżynierii powierzchni, w tym formowania warstw wierzchnich i powłok, umożliwiających zwiększenie niezawodności oraz trwałości eksploatacyjnej. 

- Powłoki w przetwórstwie tworzyw sztucznych spełniają bardzo wiele funkcji. Jeśli chodzi o ich właściwości funkcjonalne to, w zależności od zastosowania, musimy szukać tego co jest nam potrzebne - mówi profesor Monika Madej z Politechniki Świętokrzyskiej.

Dr hab. inż., prof. Politechniki Świętokrzyskiej, Monika Madej jest cenionym naukowcem, ekspertem w dziedzinie tribologii, inżynierii powierzchni oraz eksploatacji systemów i biomechaniki. Specjalizuje się w obszarze fizycznego i chemicznego osadzania z fazy gazowej, PVD i CVD, w celu poprawy właściwości warstw wierzchnich i powłok podczas eksploatacji systemów tribologicznych.

Pani profesor Madej jest autorką licznych publikacji naukowych i kierownikiem projektów badawczych z zakresu funkcjonowania warstw wierzchnich i powłok oraz ich oddziaływań ze środkami smarowymi podczas eksploatacji systemów tribologicznych.

Istnieje wiele technik osadzania i odmian materiałów stosowanych na powłoki funkcjonalne oferowanych przez ośrodki naukowo-badawcze i przemysłowe, zarówno w Polsce jak i za granicą. 

Do wytwarzania cienkich powłok stosuje się metody: osadzania warstw atomowych (ALD), chemicznego i fizycznego osadzania z fazy gazowej (odpowiednio CVD i PVD) oraz ich pochodnych. W większości są one dedykowane podłożom metalicznym, ze względu na wysoką temperaturę ich osadzania. 

W ostatnich latach rozwój nowoczesnych technologii pozwolił na obniżenie temperatury osadzania powłok do temperatury otoczenia, co umożliwia zastosowanie technologii także w odniesieniu do tworzyw sztucznych. Powierzchnia elementów polimerowych z powłokami charakteryzuje się właściwościami osadzanych metali, związków metali lub ceramiki takich jak: twardość, antybakteryjność i fungistatyczność, odporność na zużycie przez tarcie i korozję, przewodnictwo elektryczne i cieplne. 

- W tej chwili głównie wykorzystywane są techniki chemicznego i fizycznego osadzania z fazy gazowej, często wspomagane plazmą w celu obniżenia temperatury ale od kilku lat coraz częściej stosuje się powłoki ALD (Atomic Layer Deposition) uzyskiwane techniką osadzania warstw atomowych. Te powłoki są bardzo cienkie, bo jesteśmy w stanie osadzać powłoki od kilku nanometrów to kilkuset nanometrów, a zatem są one wręcz niewidoczne a tworzą bardzo dobrą barierę, zarówno dla wilgoci jak i drobnoustrojów - wyjaśnia profesor Monika Madej.

Powłoki w przemyśle narzędziowym i przetwórstwie tworzyw sztucznych charakteryzują nie tylko doskonałe właściwości mechaniczne (wysoka twardość, odporność na ścieranie, wysoka adhezja), ale również stabilność chemiczna. Posiadanie tych cech pozwala na stosowanie ich w systemach  tribologicznych, w których wymagany jest niski współczynnik tarcia oraz duża odporność na zużycie przez tarcie m.in. w przemyśle samochodowym, elektronicznym, lotniczym oraz medycynie. Zaletą jest również fakt, że nie zwiększają one wymiarów pokrywanego detalu - grubość osadzanych warstw waha się od kilku nanometrów do kilku mikrometrów. Powłoki stanowią bardzo skuteczne zabezpieczenie antykorozyjne, mają dobre właściwości  izolacyjne i ślizgowe, a także w wielu przypadkach dekoracyjne. Opracowanie technologii nanoszenia powłok ochronnych pozwala rozwiązać cały szereg problemów technicznych i uzyskać znaczne oszczędności materiałowe i ekonomiczne, z jednoczesnym uwzględnieniem działań proekologicznych.

Zastosowanie nowoczesnych technik wytwarzania powłok pozwala na uzyskanie powierzchni o lepszych właściwościach użytkowych, co przekłada się na wydłużenie czasu  pracy systemów oraz zwiększenie trwałości eksploatacyjnej. 

Powłoki z tworzyw sztucznych

Tworzywa sztuczne znalazły szerokie zastosowanie w technice nie tylko jako surowce służące do wyrobu określonych elementów konstrukcyjnych, ale również jako materiał powłokowy. Powłoki z tworzyw sztucznych stanowią bardzo skuteczne i dobre zabezpieczenie antykorozyjne, mają dobre własności izolacyjne i ślizgowe, a także w wielu przypadkach dekoracyjne. 

Opracowanie technologii nanoszenia powłok ochronnych z tworzyw sztucznych pozwoliło rozwiązać cały szereg problemów technicznych i uzyskać znaczne oszczędności materiałowe i finansowe. Ochrona przed korozją ma szczególne znaczenie w przemyśle chemicznym, gdzie uszkodzenia aparatury chemicznej, wynikające z korozji mogą w rezultacie skutkować wyciekami niebezpiecznych substancji stanowiąc ogromne zagrożenie dla środowiska.

Istnieje kilka metod nakładania powłok z tworzyw sztucznych, jednak w każdym przypadku, aby w celu wytworzenia adhezji pomiędzy tworzywem a materiałem, tworzywo musi zostać przeprowadzone w stan ciekły lub plastyczny. Proces ten umożliwia zwilżanie powierzchni materiału i następnie adsorpcję, a sama warstwa wierzchnia materiału musi być odpowiednio przygotowana. Wśród metod nanoszenia powłok z TS wyróżnijmy: 

Nanoszenie fluidyzacyjne(proszkowe) polega na wytworzeniu zawiesiny sproszkowanego tworzywa w złożu fluidalnym i wprowadzeniu do niego przedmiotu nagrzanego do temperatury nieco wyższej niż temperatura topnienia tworzywa. W złożu cząstki tworzywa stykając się z nagrzanym przedmiotem stapiają się tworząc powłokę związaną adhezyjnie z materiałem przedmiotu

Nanoszenie fluidyzacyjno - elektrostatyczne; podobnie jak w nanoszeniu fluidyzacyjnym do zawiesiny sproszkowanego tworzywa w fluidyzatorze wprowadza się przedmiot, przy zastosowaniu tej metody komora fluidyzacyjna wyposażone jest w elektrody. Naelektryzowane ziarna proszku osiadają na uziemionym przedmiocie pokrywając nawet bardzo skomplikowane powierzchnie.

Nanoszenie płomieniowe, podczas którego zachodzi jednocześnie rozpylanie i przenoszenie tworzywa sproszkowanego w strumieniu gazu i ciepła z pistoletu nanoszącego na powierzchnię przedmiotu. 

Nanoszenie zanurzeniowe polega na zanurzeniu przedmiotu w tworzywie będącym w stanie ciekłym lub plastycznym. W czasie przebywania przedmiotu w tworzywie przywiera ono adhezyjnie do uprzednio przygotowanej jego powierzchni oraz tworzy powłokę.

Nanoszenie elektrostatyczne polega na przeniesieniu sproszkowanego tworzywa w polu elektrostatycznym z głowicy napylającej stanowiącej biegun ujemny na powierzchnię przedmiotu będącego biegunem dodatnim. 

Nanoszenie elektroforetyczne to osadzanie na powierzchni przedmiotu cząstek tworzywa z układu dyspersyjnego pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego.

Przyszłość powłok

- Myślę, że cały czas idziemy w stronę miniaturyzacji różnego rodzaju elementów i o ile kiedyś wytwarzane były powłoki o grubości do nawet kilku centymetrów, to teraz wchodzimy w powłoki, których grubość jest rzędu atomów, wypełniając doskonale swoje funkcje – wyjaśnia profesor Monika Madej.

Czy zatem przyszłość to nanotechnologie?

W ostatnich latach coraz popularniejsze stają się tzw. powłoki inteligentne, czyli np. warstwy samooczyszczające się czy samonaprawiające się. Tego typu powłoki znajdą zastosowanie przede wszystkim w medycynie, energetyce, elektronice i przemyśle militarnym, czyli przede wszystkim tam gdzie jakość i funkcjonalność są ważniejsze niż cena.

Naukowcy z Wrocławia opracowują powłoki antyoblodzeniowe, od których krople wody odbijają się jak kauczukowe piłki. Nowe powłoki superhydrofobowe opracowuje Laboratorium Materiałów Polimerowych z Polskiego Ośrodka Rozwoju Technologii (PORT) we Wrocławiu. Efekty prac badawczych laboratorium mogą w przyszłości znaleźć zastosowanie w branży energetycznej, budowlanej czy lotniczej.

Wyniki badań wstępnych pokazały, że nowe powłoki opóźniają zamarzanie o 15-20 minut w porównaniu do powłok dostępnych komercyjnie. O tyle później zamarza kropla wody na powierzchni schłodzonej do minus 30 stopni.

W dziedzinie farb i lakierów doświadczenia ze zmianami parametrów pomalowanej powłoką powierzchni trwają już od lat. Motorem zmian jest oczywiście branża morska, w której od zarania dziejów istnieje zapotrzebowanie na wodoodporne powłoki.

Powierzchnie hydrofobowe posiadają właściwości samooczyszczania oraz są przeciwkorozyjne, dlatego przyciągają uwagę naukowców i technologów. Hydrofobowość to przede wszystkim pochodna budowy chemicznej powierzchni, ale wpływ na tę właściwość może mieć również porowatość. Tę ostatnią można kontrolować poprzez tworzenie lub osadzanie na powierzchni nanostruktur lub nanocząstek. Jednym z najlepszych naturalnych przykładów powierzchni superhydrofobowych jest liść lotosu, natomiast najpopularniejszym, stworzonym przezczłowieka -  wspomniany już teflon.

Popularne są powłoki zapobiegające pojawieniu się na pomalowanych powierzchniach bakterii, pleśni, grzybów czy porostów, ale także graffiti, które są zmorą administratorów budynków.

Kilka lat temu Amerykanie opracowali farbę antybakteryjną, która podczas wysychania uwalnia bakteriobójcze substancje. Z kolei naukowcy z University of Eastern Michigan wymyślili powłokę, która reaguje na szkodliwe zewnętrzne czynniki i stosownie do ich mocy reguluje wydzielanie substancji "leczniczych". Dzięki temu zaczyna ona "działać" obliczu korozji lub ataku grzybów, a na co dzień pozostaje nieaktywna.

Dzięki zastosowaniu nanotechnologii możliwe stało się też samodzielne naprawianie zniszczeń przez powłokę. Wyroby takie oferują już światowe koncerny. Zewnętrzne warstwy takich powłok potrafią regenerować się, podobnie jak (w dużym uproszczeniu) ludzka skóra.

Jak widać, rozwój nanotechnologii otwiera w dziedzinie powłok ogromne, niezbadane wcześniej możliwości, dając jednocześnie pewność, że przemysł przyszłości bez unikatowych właściwości powłok już się nie obejdzie.

JL