ОБРАЗОВАНИЕ ЗАРЯДОВЫХ СОСТОЯНИЙ В ПОЛИИМИДНЫХ ПЛЁНКАХ ПОД ДЕЙСТВИЕМ РАЗРЯДА И ИХ РОЛЬ В ГИДРОФИЛИЗАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ

Школа по плазмохимии для молодых ученых России и стран СНГ

ОБРАЗОВАНИЕ ЗАРЯДОВЫХ СОСТОЯНИЙ В ПОЛИИМИДНЫХ ПЛЁНКАХ ПОД ДЕЙСТВИЕМ РАЗРЯДА И ИХ РОЛЬ В ГИДРОФИЛИЗАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ.

Драчёв А.И., Гильман А.Б., Кузнецов А.А., Потапов В.К.

ГНЦ РФ “ Научно-исследовательский физико-химический институт им. .Я.Карпова”.

Воздействие плазмы тлеющего разряда на поверхность полиимидных плёнок (ПИ) марки ПМ приводит к значительному изменению их смачиваемости и поверхностной энергии. При этом в поверхностном слое ПИ происходит образование полярных групп NH и OH, увеличивается концентрация свободных радикалов и образуется электрический заряд. Однако процесс образования полярных групп на поверхности достигает быстрого насыщения и не объясняет уменьшения краевого угла смачивания (Q) до полного растекания при увеличении времени воздействия и тока разряда, а измеренных методом ЭПР концентраций свободных радикалов явно недостаточно для объяснения многократного (на порядки) увеличения полярного компонента поверхностной энергии.

Установлено, что при обработке ПИ в тлеющем НЧ-разряде на поверхности плёнки образуется отрицательный заряд, связанный с инжекцией электронов плазмы. Обнаружена корреляция между величинами Q и Q (плотность поверхностного заряда) (рис.1, точки 1), которая имеет общий характер для полиимидов различного строения (рис.1, Upilex S -точки 2, Upilex R - точки 3).

Исследования воздействия на ПИ разряда постоянного тока показали, что при помещении плёнки на катоде на её поверхности образуется положительный заряд, а на аноде и в области катодного падения – отрицательный. Отрицательный заряд связан с инжекцией электронов плазмы, а положительный возникает под действием положительных ионов. Методом ИК - спектроскопии МНПВО было подтверждено наличие четвертичных атомов азота (полоса поглощения 3280см^-1), являющихся носителями положительного заряда. Было установлено, что и в случае постоянного тока существует корреляция “Q - |Q|” (рис.1, точки 4 - отрицательный заряд и точки 5 - положительный). Из рис.1 видно, что зависимости Q от Q для НЧ-разряда и разряда постоянного тока отличаются друг от друга. Для ПИ, обработанного в НЧ-раряде, Q достигает определённых величин при значительно меньших значениях Q, чем при обработке в разряде постоянного тока. Исследования показали, что данный факт вызван одновременным присутствием в поверхностном слое образца, модифицированного в НЧ-разряде, зарядов обоих знаков. Это подтверждается экспериментами по перезарядке поверхности ПИ в разряде постоянного тока. Первоначально образцы распологали в области катодного падения и в результате обработки в течение 60с они имели Q=15⁰ и Q=-4,35нКл/см² . Затем их помещали на катод и подвергали обработке в течение 60с положительной составляющей разряда при различных токах (I). С ростом I величина

отрицательного Q постепенно уменьшалась до нуля, а затем меняла знак и увеличивалась до Q=+3,13нКл/см² (рис.2, кривая 1). При этом величина Q монотонно возрастала, достигая Q=25⁰(рис.2, кривая 2). Для образца ПИ с Q=0 величина Q=22⁰сильно отличалась от Q=70⁰ для исходного ПИ (исходный ПИ имеет Q0). Исследования перезаряженного ПИ с Q=0 методом термостимулированной деполяризации (ТСД) показали, что образец содержит в равном количестве достаточно высокие концентрации положительных и отрицательных заряженных состояний. Для измерения ТСД образец ПИ помещали во внешнее электрическое поле при температуре 523К, затем его охлаждали до комнатной температуры и выключали поле. Токи ТСД измеряли при последующем линейном нагреве ПИ. На термограмме ТСД перезаряженного

ПИ с Q=0 наблюдали два максимума (рис.3,кривая 1).Исследования методом термостимулированной релаксации показали, что первый–низкотемпературный максимум связан с перераспределением отрицательного заряда (рис.3, кривая 2), а второй – положительного (рис.3, кривая 3).

Таким образом, в процессах гидрофилизации поверхности ПИ, модифицированного в тлеющем разряде, основнуюроль играют зарядовые состояния. Образование отрицательного заряда в поверхностных слоях плёнки связано с захватом свободных электронов из объёма разряда, а положительных - с образованием четвертичного азота под действием положительно заряженных частиц.