고분자 표면

폴리머 소재는 다재다능한 특성과 가성비, 고도로 맞춤화된 생산으로 응용이 광범위하다.폴리머 합성 과학은 벌크 폴리머 샘플의 성질에 대한 뛰어난 제어를 가능하게 한다.그러나 폴리머 기판의 표면 상호작용은 생명공학, 나노테크놀로지 및 모든 형태의 코팅 적용에서 연구의 필수적인 영역이다.이 경우 폴리머와 물질의 표면 특성과 그 사이의 결과적인 힘은 그 효용성과 신뢰성을 크게 결정한다.예를 들어, 생물의학 응용에서, 이물질에 대한 신체 반응, 따라서 생체적합성은 표면 상호작용에 의해 관리된다.또한 표면 과학은 코팅의 제조, 제조 및 적용에 있어 필수적인 부분이다.^[1]null

화학적 방법

중합체 물질은 표면이나 인터페이스에 작은 모이티, 과점, 심지어 다른 중합체(접속 결합체)를 첨가하여 기능화할 수 있다.null

접목복합체

중합체 화학의 맥락에서 접붙이는 표면에 중합체 체인을 추가하는 것을 말한다.이른바 '접착형' 메커니즘에서는 폴리머 체인이 용액 밖의 표면에 흡착한다.보다 광범위한 '접종 대상' 메커니즘에서는 폴리머 체인이 표면에서 시작되고 전파된다.'접기 대상' 방법에 사용되는 사전 폴리머 체인은 열역학적으로 선호되는 용액(평형 유체역동적 체적)의 순응성을 가지기 때문에 흡착 밀도는 자가 제한적이다.따라서 폴리머의 교화 반지름은 표면에 도달하여 접착할 수 있는 폴리머 체인 수의 제한 요인이다.'접대 대상' 기술은 이 현상을 회피하고 더 큰 접붙임 밀도를 허용한다.null

"토론토", "출처", "통과"를 접목하는 과정은 모두 그들이 부착하는 표면의 화학반응도를 변화시키는 다른 방법이다.일반적으로 "무스룸 방식"에서 미리 형성된 고분자가 용액의 방울이나 비드의 표면에 들러붙을 수 있다.코일 폴리머의 부피가 크고 이것이 야기하는 강직성 장애로 인해 '토론토'의 경우 '접착 대상'에 비해 접착 밀도가 낮다.비드의 표면은 폴리머에 의해 젖게 되고 용액의 상호작용은 폴리머가 더 유연해지는 원인이 되었다.비드의 표면으로부터 이식되거나 중합된 폴리머의 '확장된 순응'은 모노머가 용액과 그 안에 있어야 함을 의미한다.이것은 용액과 좋은 상호작용을 하는 폴리머로 인해 폴리머가 더 선형적으로 형성될 수 있다.그러므로로부터의 접목은 체인 엔드에 대한 접근성이 더 높기 때문에 더 높은 접목 밀도를 가진다.null

펩타이드 합성은 '접기하는' 합성 과정의 한 예를 제공할 수 있다.이 과정에서 아미오산 체인은 폴리머 비드 표면에서 발생하는 일련의 응축 반응에 의해 성장한다.이 접목 기법은 접착된 체인을 폴리머에서 탈착하지 않고 세척할 수 있어 펩타이드 조성에 대한 탁월한 제어가 가능하다.null

중합체 코팅은 적용된 접목 기법의 또 다른 영역이다.수인성 페인트의 제형에서 라텍스 입자는 입자 분산을 제어하기 위해 표면이 변형되어 점성, 필름 형성, 환경 안정성 등의 코팅 특성(UV 노출 및 온도 변화)이 있다.null

산화

플라즈마 가공, 코로나 처리, 불꽃 처리 등은 모두 표면 산화 메커니즘으로 분류할 수 있다.이 방법들은 모두 물질 내 폴리머 체인의 갈라짐과 카보닐 및 히드록실 기능 그룹의 결합을 포함한다.^[2]표면에 산소를 결합하면 더 높은 표면 에너지가 생성되어 기질이 코팅될 수 있다.null

방법론

산화 고분자 표면

코로나 처리

코로나 트리트먼트는 저온 코로나 방전을 이용한 표면 변형법으로 재료의 표면 에너지, 종종 폴리머, 천연 섬유 등을 증가시킨다.가장 일반적으로 얇은 폴리머 시트는 표면의 기능화를 위해 생성된 플라즈마를 사용하여 일련의 고전압 전극을 통해 굴려진다.그러한 처리의 제한된 침투 깊이는 대량 기계적 특성을 보존하면서 대단히 향상된 접착력을 제공한다.null

상업적으로, 코로나 시술은 플라스틱 포장 재료에 텍스트와 이미지를 인쇄하기 전에 염료 접착력 향상을 위해 널리 사용되어 왔다.코로나 처리 후 남은 오존의 위험성은 처리 중 세심한 여과와 환기를 요구하고, 엄격한 촉매 여과 시스템을 사용하는 용도에 구현을 제한한다.이러한 제한으로 인해 오픈 라인 제조 공정 내에서 널리 사용되는 것을 방지할 수 있다.

공기 대 가스 비율, 열 출력, 표면 거리, 산화 구역 체류 시간 등 불꽃 처리의 효율성에 영향을 미치는 요인은 몇 가지다.코로나 치료는 공정의 개념에 따라 즉시 필름의 외출을 따랐지만, 세심한 운반 기법의 발달로 최적의 장소에서 치료가 가능해졌다.반대로 인라인 코로나 시술은 신문업계 등 본격적인 생산라인으로 구현됐다.이러한 인라인 용액은 과도한 용매 사용으로 인한 습윤 특성 저하에 대응하기 위해 개발되었다.^[3]null

대기 및 압력에 따른 플라즈마 처리

플라즈마 가공은 인터페이스 에너지와 비교 가능한 공정보다 더 큰 단량체 조각을 주입한다.그러나 제한된 플럭스는 높은 공정률을 방지한다.또한 플라스마는 열역학적으로 불리하므로 플라즈마 가공 표면은 균일성, 일관성, 영속성이 결여되어 있다.플라즈마 처리가 수반되는 이러한 장애물은 산업 내에서 경쟁적인 표면 개조 방법이 되는 것을 방지한다.이 과정은 단량체 혼합물 또는 기체 운반체 이온에 침적하여 이온화를 통한 플라즈마 생산으로 시작한다.필요한 플라즈마 플럭스를 생산하는 데 필요한 힘은 활성 체적 질량/에너지 균형에서 얻을 수 있다.^[4]

${\displaystyle \textstyle \int \limits _{{V\!ol}_{I}{n_{0}}\,d{V\!ol}}_{I}}}={\frac{n_{n}}{n}}}}{V\!ol_{{{{}}}}}{{{{}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}{{{{{{{{{}}}}}}}}}}}}}}}}I}}$

어디에

${\displaystyle V_{}}$ ${\displaystyle o_{}}$ ${\displaystyle L_{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\$이(가) 활성 볼륨임$$

${\displaystyle k^{}}$ ${\displaystyle i^{}}$ ${\displaystyle o^{}}$ ${\displaystyle n^{}}$ ${\$는 이온화 비율이다.

${\displaystyle n_{}}$ ${\displaystyle {0\mathrm{}}_{}}$ ${\$은(는) 중립 밀도임

${\displaystyle n_{}}$ e ${\$는 전자 밀도임

${\displaystyle {\tau }_{}}$ ${\displaystyle n_{}}$ ${\$는 확산, 대류, 부착, 재결합에 의한 이온 손실이다.

방전은 일반적으로 직류(DC), 무선 주파수(RF) 또는 마이크로파 전원에 의해 시작된다.가스 이온화 효율은 캐리어 플라즈마 및 기질에 따라 전력 효율을 10배 이상 떨어뜨릴 수 있다.null

플라밍드 플라즈

불꽃 처리는 폴리오레핀과 금속성 부품의 표면 에너지와 습윤성을 증가시키는 제어되고 빠르고 비용 효율적인 방법이다.이 고온 플라즈마 치료는 표면을 가로질러 제트 불꽃을 통해 이온화된 기체 산소를 사용하여 극성 기능군을 추가하는 동시에 표면 분자를 녹여 냉각 시 제자리에 고정시킨다.null

짧은 산소 혈장 노출로 처리된 열가소성 폴리에틸렌과 폴리프로필렌은 접촉 각도가 22°에 이르며, 이에 따른 표면 수정은 적절한 포장으로 수년간 지속될 수 있다.불꽃 플라즈마 치료는 의료산업에서 요구하는 정밀도와 가성비로 인해 풍선 카테터 등 혈관내 기기에서 점점 인기를 끌고 있다.^[5]null

접목기법

표면에 폴리머를 접목하는 것은 구조적으로 다른 폴리머 기질에 폴리머 체인을 고정하는 것으로 상상될 수 있으며, 대량 기계적 성질을 보존하면서 표면 기능성을 변화시킬 목적으로 한다.표면 기능화의 특성과 정도는 복합체의 선택과 접목의 종류와 범위 둘 다에 의해 결정된다.null

포토그라프팅

기능성 비닐 모노머를 접목하여 폴리오레핀, 폴리에스테르, 폴리아미드 등의 불활성 표면을 변형하여 수산화력, 염료흡수력, 폴리머 접착력을 높여왔다.이 포토그라프트 방식은 일반적으로 연속 필라멘트나 박막 가공 시 사용된다.대량 상업적 규모에서 접붙임 기법을 광 개시 라미네이션이라고 하는데, 여기서 두 필름 사이에 고분자 접착 네트워크를 접붙임으로써 원하는 표면을 접합한다.polyolefins, polyster, polyamides의 낮은 접착과 흡수는 개시자의 UV-방사선에 의해 개선되며, 단층체는 증기 단계를 통해 기질로 전달된다.다공성 표면의 기능화는 고온의 광자 유도 기법으로 큰 성공을 거두었다.null

마이크로 유체 칩에서, 채널 기능화는 접합 부분과 접합 부분 사이의 항성 거동을 보존하기 위해 유도된 흐름을 허용한다.^[6]마이크로 유체 응용 프로그램의 역류 흐름은 채널 상호의존성과 네트워크 복잡성의 증가된 수준으로 인한 요소 고장 모드를 복합적으로 만들 수 있다.또한 미세유체 채널의 각인된 디자인을 재현하여 정확도가 높은 해당 채널을 포토그라프트할 수 있다.^[7]null

표면 해석 기법

표면 에너지 측정

산업용 코로나 및 플라즈마 공정에서는 주어진 기질에 대한 적절한 표면 기능성을 확인하기 위해 비용 효율적이고 신속한 분석 방법이 필요하다.표면 에너지 측정은 종종 비싸고 까다로운 도구인 현미경이나 분광학 없이도 표면 기능 그룹의 존재를 확인하는 간접적인 방법이다.접촉 각도 측정(곤도계)을 사용하여 처리된 표면과 처리되지 않은 표면의 표면 에너지를 찾을 수 있다.영의 관계는 3상 평형(즉, 제어된 대기에서 평평한 강체 고체 표면에 액체 방울을 가함)에 대한 실험 조건의 단순화를 가정하여 표면 에너지를 찾는 데 사용될 수 있다.

${\displaystyle {\\chostsymbol {\reason }}{{SG}={\boldsymbol {\gamma }}}{{SL}+{\boldsymbol {\gamma }}}{{LG}~{\cos {{\boldsymbol {\theta }_{c}}}}}}$

어디에

${\displaystyle {\mathit{\gamma }}_{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle j_{}}$ ${\$property $symbol {\property }_{$ij}}은$$ 고체-유체-가스 또는 고체-가스 인터페이스의 표면 에너지를 나타낸다.

${\displaystyle {\mathit{\theta }}_{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\$은(는) 측정된 접촉 각도

표면 장력이 알려진 일련의 용액(예: Dyne 용액)을 사용하여 각 용액의 습도를 관찰하여 폴리머 기질의 표면 에너지를 정성적으로 추정할 수 있다.이러한 방법은 산업 공정에서와 같이 거시적 표면 산화에도 적용할 수 있다.null

적외선 분광기

산화 처리의 경우 처리된 표면에서 추출한 스펙트럼은 적외선 분광 상관 관계 표에 따라 카보닐 및 히드록실 영역의 기능성을 나타낸다.null

XPS 및 EDS

X선 광전자 분광기(XPS)와 에너지 분산형 X선 분광기(EDS/EDX)는 화학적 구성을 정량화하기 위해 이산 에너지 수준에 대한 전자의 X선 분광기를 사용하는 합성 특성화 기법이다.이러한 기법은 플라즈마 및 코로나 처리에서 대략 산화 범위인 1-10 나노미터의 표면 깊이에서 특성화를 제공한다.또한 이러한 공정은 표면 구성의 미세한 변화를 특징짓는 이점을 제공한다.null

플라즈마 가공 폴리머 표면의 맥락에서 산화 표면은 분명히 더 큰 산소 함량을 보일 것이다.소자 분석은 양적 데이터를 입수하여 공정 효율성 분석에 사용할 수 있도록 한다.null

원자력 현미경

스캐닝포스 현미경의 일종인 원자력현미경(AFM)은 원자 표면의 3차원 지형적 변화를 고해상도(나노미터의 분율 순서대로)로 매핑하기 위해 개발됐다.AFM은 전자전송과 스캔 현미경 검사법(SEM & STM)의 물질 전도 한계를 극복하기 위해 개발됐으며, 1985년 빈니그, 퀘이트, 게르베가 발명해낸 원자력 현미경 검사는 레이저 빔 편향을 이용해 원자 표면의 변화를 측정한다.이 방법은 스캐닝 터널링 현미경(STM)처럼 물질을 통한 전자 전도 변화에 의존하지 않기 때문에 중합체를 포함한 거의 모든 물질에 대한 현미경 검사가 가능하다.null

고분자 표면에 AFM을 적용하는 것은 폴리머 일반 결정성의 결여가 표면 지형의 큰 변화를 초래하기 때문에 특히 유리하다.접목, 코로나 처리, 플라즈마 가공 등의 표면 기능화 기법은 표면 거칠기를 크게 증가시켜(처리되지 않은 기판 표면과 비교) 따라서 AFM에 의해 정확하게 측정된다.^[8]null

적용들

바이오소재

생체 재료 표면은 대량 기계적 성질을 손상시키지 않고 표면을 기능화하기 위해 광 활성 메커니즘(광자형광기법 등)을 사용하여 수정되는 경우가 많다.null

중합체를 생물학적으로 불활성으로 유지하기 위한 표면의 수정은 심혈관계 스텐트와 많은 골격 보형물과 같은 생물의학 용도에 광범위한 용도를 발견했다.폴리머 표면을 기능화하면 단백질 흡착을 억제할 수 있으며, 그렇지 않으면 의료용 보형물의 주요 고장 모드인 임플란트에 대한 세포 조사를 시작할 수 있다.null

고분자	메디컬 어플리케이션	기능화 방법 및 목적
폴리비닐클로로이드(PVC)	기관내 튜브	친수성을[9] 높이기 위해 처리된 플라즈마
실리콘 고무	가슴성형	캡슐섬유화[10] 방지를 위한 할로푸기논으로 광방전 플라즈마 가공 코팅
폴리에틸렌(PE)	합성 혈관 이식	피브로넥틴의[11] 선택적 흡착을 위한 PDMS(Polydimethylsiloxane) 미세유체 패터닝
폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)	인공안경렌즈	광학적 감도를 높이기 위한 광전자파형 나노기계 구조

의료 산업 내에서의 좁은 생체적합성 요건은 지난 10년 동안 전례 없는 수준의 정확도에 도달하기 위해 표면 수정 기법을 주도했다.null

코팅스

수인성 코팅에서 수용성 고분자 분산은 용제가 증발한 후 기질에 필름을 생성한다.폴리머 입자의 표면 기능화는 분산, 필름 형성 온도 및 코팅 레히ology와 같은 특성을 제어할 수 있는 코팅 제형의 핵심 구성 요소다.분산 보조 기구는 종종 중합체 입자의 강직성 또는 정전기적 저항을 수반하여 콜로이드의 안정성을 제공한다.분산 작용은 라텍스 입자에 흡착을 보조하여 기능을 부여한다.흡착 폴리머 재료와 함께 오른쪽의 개략도에 표시된 걸쭉기와 같은 다른 첨가제의 결합은 복잡한 rheological 거동과 코팅의 흐름 특성에 대한 뛰어난 제어를 야기한다.^[12]null

참고 항목

표면 수정

코팅된 표면 사이의 힘

표면공학

시련학

중합

기능 그룹

참조