Введение к работе
Актуальность работы
Полимерные материалы уже давно и успешно применяются в электронной технике и медицине в качестве пассивных элементов изделий: изоляционных и конструкционных материалов, несущих элементов печатных плат, изделий для культуральной техники, имплантатов и т.д. Однако в настоящее время всё более активно развиваются направления, использующие полимеры и в качестве функциональных слоев. К ним относится производство нового поколения гибких печатных плат, светодиодные матрицы, солнечные элементы и т.д.
В связи с этим одной из центральных задач, стоящих перед наукой и техникой, является необходимость согласования полимерных материалов с другими материалами и конструктивными элементами. При этом во многих случаях требуется не только достижение высокой адгезии поверхности, но и обеспечение целого ряда других условий: минимальной дефектности поверхности, повышения износостойкости, стойкости к биокоррозии, придание антимикробных свойств материалам и изделиям медицинского назначения и т.д.
Поэтому задача комплексного управления свойствами поверхности полимерных материалов за счет наноструктурирования их поверхности является своевременной и актуальной задачей. Основная идея работы состоит в разработке технологии управления свойствами поверхности полимеров за счет формирования наноструктурированных поверхностей полимеров (НСП) и их модифицирования наноразмерными углеродсодержащими покрытиями толщиной от 10 до 100 нм (МНСП). Наиболее целесообразный способ создания полимерных материалов с наноструктурированной поверхностью - применение ионно-плазменной обработки, являющейся частью базовой технологии производства микроэлектронной аппаратуры. Это обусловлено её высокой разрешающей способностью, четким контролем параметров процессов, способностью локально подводить высокую энергию (от 100 и более эВ) и локализовать своё воздействие только в приповерхностном слое материала (2-і- 100 нм).
В качестве модельных полимерных материалов были выбраны полярный полимер с высокой поверхностной энергией - полиэтилентерефталат (ПЭТФ) и неполярный полимер с низкой поверхностной энергией - политетрафторэтилен (ПТФЭ). Выбор данных материалов обусловлен также их широким использованием в производстве изделий электронной техники и медицины.
Выбор углерода в качестве второго «строительного» материала обусловлен как химическим сродством с материалом подожки, так и возможностью существования углерода, кроме основных аллотропных модификаций (графита, алмаза, карбина, фуллеренов и т.д.) в виде бесконечного ряда гетерофазных систем, свойства которых изменяются в широких пределах.
Целью работы является разработка процессов формирования поверхности полимерных материалов путем объединения двух наноматериалов: полимера с наноструктурированной поверхностью и наноразмерной плёнки на основе углерода; исследование их свойств и возможности применения.
Для достижения указанной цели необходимо решение следующих задач: 1. Разработка процессов наноструктурирования поверхности модельных полимеров, проводимых методом ионно-плазменного травления.
Исследование физико-химических, геометрических и медико-биологических характеристик наноструктурированных поверхностей полимеров.
Разработка процессов формирования наноструктур на основе полимеров с наноструктурированнои поверхностью и наноразмерных углеродных пленок, сформированных ионно-стимулированным осаждением из газовой фазы.
Исследование физико-химических, геометрических и медико-биологических характеристик сформированных наноматериалов.
Исследование возможности применения указанных материалов и технологий их формирования в изделиях электронной техники и медицины.
Научная новизна работы:
На основе методов ионно-плазменной технологии разработаны новые полимерные наноматериалы (МНСП), путем объединения наноструктурированнои поверхности (НСП) полимера и наноразмерного углеродного покрытия.
Комплексно исследованы параметры рельефа и состава поверхности, энергетические и электрофизические характеристики НСП и МНСП модельных полимеров.
Впервые продемонстрирована возможность придания антимикробной активности (АА) в отношении грамположительных (Staphylococcus aureus), грамотрицательных микроорганизмов (Escherichia coli и Pseudomonas aeruginosa) и патогенных грибов (Candida albicans) поверхности полимеров при их наноструктурировании в зависимости от полной поверхностной энергии
Rq. Впервые установлена пороговая зависимость АА в отношении различных микроорганизмов от условий наноструктурирования поверхности.
Впервые выявлены наноматериалы, полученные ионно-плазменными методами и обладающие стойкостью к плесневым грибам, сохраняющие свои антимикробные свойства в экстремальных условиях: температура +29С, влажность более 90%, ионизирующая радиация - 400 мкэВ/сут, низкочастотное излучение от 0,1 до 300 кГц, высокочастотное излучение - от 0,1 до 100 МГц.
Положения, выносимые на защиту:
основные закономерности процессов наноструктурирования поверхности модельных полимеров; результаты комплексного исследования параметров рельефа НСП полимера, состава поверхности, энергетических и электрофизических характеристик НСП;
основные закономерности процессов формирования модифицированных НСП (МНСП) путем нанесения наноразмерных углеродных пленок на наноструктурированную поверхность полимеров; результаты исследования параметров рельефа поверхности МНСП, состава поверхности и электрофизических характеристик поверхности материалов;
технология наноструктурирования поверхности ПТФЭ, используемая при герметизации коаксиально-волновых переходов СВЧ-трактов с целью увеличения надежности и времени эксплуатации малошумящих усилителей С-и Х-диапазонов и материала HFS (плёнка ПТФЭ, армированная нитями стекловолокна) с целью снижения стоимости гибких печатных плат (ГПП);
результаты исследования антимикробной активности поверхности полимеров и создания материалов и изделий медицинской техники, в том числе создание полимерных материалов, обладающих выраженной стойкостью к плесневым грибам и обеспечивающих защиту от биоповреждений в экстремальных условиях;
результаты исследования динамики роста клеточной популяции на поверхности наноструктурированных полимерных материалов ПЭТФ и ПЭТФ ТМ.
Достоверность полученных результатов обеспечивается:
использованием современных методов исследования (электронная микроскопия, сканирующая зондовая микроскопия, рентгеновская фотоэлектронная микроскопия, измерение краевых углов смачивания гониометрическим методом в условиях натекания и избирательного смачивания с последующим расчетом энергий поверхности и т.д.);
использованием метрологически аттестованного оборудования, анализом и учетом возможных источников погрешности измерений, статистической обработкой результатов измерений;
соответствием теоретических предпосылок и выводов, опубликованных в научно-технической литературе, с представленной математической моделью степени развития поверхности и экспериментальными данными.
Практическая значимость работы:
Внедрена технология наноструктурирования поверхности ПТФЭ, обеспечивающая увеличения надежности и времени эксплуатации малошумящих усилителей С- и Х-диапазонов за счет лучшей герметизации коаксиально-волновых переходов СВЧ-трактов и снижение себестоимости гибких печатных плат (ГПП) за счет применения тонких рулонных полимерных материалов, уменьшения стоимости операции нанесения медной фольги, уменьшения энергозатрат и увеличения выхода годного материала.
Создана технология обработки поверхности для повышения качества склеивания изделий из оксидированного сплава Д-16Т.
Разработана технология придания антимикробной активности поверхности полимеров, а также выявлены материалы, обладающие выраженной стойкостью к плесневым грибам и обеспечивающие защиту полимеров и полимерных изделий от биоповреждений в экстремальных условиях.
Апробирована технология формирования наноматериалов, позволяющая увеличить скорость пролиферации клеток на поверхности ПЭТФ и ПЭТФ ТМ.
Апробация работы
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались более, чем на 38 российских и международных конференциях и симпозиумах: на VIII-XII и XV Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в промышленности России» (МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2002-2007 и 2009 г.); на 4-ом Международном симпозиуме «Вакуумные технологии и оборудование» (Украина, Харьков, 2001 г.); на VIII-XIV научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника» (2001-2007 г.); на I и IV-й Всероссийской конференции по прикладной химии высоких энергий (Москва, 2001 и 2009 г.), на 5-ом Международном симпозиуме «Алмазные пленки и
пленки родственных материалов» (Харьков, Украина, 2002 г.); на европейской конференции «Diamond Films and Related Materials» (Zaltstmrg, Австрия, 2003 г.); на 9, 10 и 11-й международной конференции «Plasma and Surface Engineering» (Garmisch-Partenkirchen, Германия, 2004, 2008 и 2010 г.); на IV международной конференции «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология» (Москва, 2005 г.); на XXXIII международной конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, Россия, 2006 г.); 8-ой Всероссийской конференции «Новые технологии в стоматологии и имплантологии» (Саратов, Россия, 2006 г.); на 3-й Всероссийской конференции «Химия поверхности и нанотехнология» (С. Петербург, Россия, 2006 г.); на Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» (Москва, 2006 и 2010 г.); на 6-9-ой международной конференции «Высокие медицинские технологии XXI века» (Бенидорм, Испания, 2007-2010 г.); на международной конференции «Вопросы инженерной нанотехнологии» (Москва, 2008 г.); на IV и V международной научно-технической конференции «Вакуумная техника, материалы и технология» (Москва, 2009 и 2010 г.); на IX съезде Научного общества гастроэнтерологов России (Москва, 2009 г); на XXXV академических чтениях по космонавтике «Актуальные проблемы российской космонавтики», (Москва, январь, 2011).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 46 печатных работ, из которых 5 статей опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК, 1 патент РФ и 40 статей, опубликованных в различных российских и международных изданиях.
Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 92 наименований. Общий объем диссертации составляет 157 страниц. Диссертация содержит 88 рисунков и 27 таблиц.
