Плазма заменила клей для соединения полимеров

Японские химики из Университета Осаки придумали способ соединения фторопластов, тефлона (PTFE) и перфторалкана (PFA), и вулканизированного кремниевого полимера, полидиметилсилоксана (PDMS), без использования клея и с высокой адгезией. Полученные материалы этим же методом ученые нанесли на металл и стекло. Разработка полезна для пищевой промышленности и медицины, где наличие клея и дополнительных загрязнений лучше исключить. Работа была опубликована в журнале Nature.

Фторопласты обладают хорошими водо- и маслоотталкивающими способностями, скользящей поверхностью, устойчивы к химическому воздействию и различным погодным условиям. Однако к фторопластам сложно что-либо прикрепить, молекулы на поверхности полимера очень слабо взаимодействуют с другими материалами. Химическое травление – один из способов решить эту проблему, но оно токсично для человека, пагубно влияет на экологию, и в процессе травления фторопласты окрашиваются, что часто нежелательно. Соединять полимеры можно методом плазменной обработки, который экономичен, более безопасен для окружающей среды и обеспечивает высокую чистоту материала. Но обычное воздействие плазмой не позволяет добиться достаточной адгезии.

Юджи Окубо (Yuji Ohkubo) вместе с коллегами нашли новый способ, заключающийся в обработке плазмой поверхностей при повышенной температуре. Механизм процесса исследовался на соединении тефлона, PDMS и пластинки меди. Сила адгезии полученных материалов превысила 2 Ньютона на миллиметр.

При температуре выше 200 градусов Цельсия на поверхность фторопласта действовали плазмой гелия, а PDMS бомбардировали плазмой, генерируемой дуговым разрядом. Так на поверхности полимеров создали функциональные группы: карбонильную и карбоксильную (-COH, -COOH) у фторопласта и силанольную (-SiOH) у PDMS. Затем полимеры соединили этими сторонами и при нагревании сжимали, чтобы между функциональными группами образовались прочные связи, например, -Si-O-C- и водородные связи. «Склеенные» полимеры и медь снова обработали плазмой для получения силанольной группы (-SiOH) на поверхности PDMS, и гидроксильной группы (-ОН) на меди. Вещества подвергли термическому сжатию, в результате чего на их стыке образовались связи медь-кислород-кремний (Cu-O-Si).

Итак, получился «сэндвич» из трех различных слоев, которые соединены достаточно прочно. Аналогичным образом ученые нанесли тефлон и PDMS на стекло и сталь. Сочетание этих двух полимеров дополняет свойства каждого: химическая устойчивость, гидро- и маслофобность, гладкая и необрастающая поверхность от тефлона и эластичность от PDMS. Ученые добились прозрачности материала, когда заменили тефлон и медь на перфторалкан и стекло.