Полимерные пленки

Введение

Полимерная пленка является тонкой структурой, составленной из двух типов полимеров, образующих исходный блок-сополимер. В зависимости от методов приготовления, «формат» и, конечно, сама структура пленки могут быть различными. Это могут быть параллельные к подложке ламели, а могут сферические на поверхности мицеллы. Для фиксированного рецепта приготовления пленки существует множество факторов, которые отвечают за внутреннее устройство и взаимное расположение различных полимеров. В конечном итоге, если мы имеем равновесие, это устройство будет определяться условием минимума свободной энергии, значит, коэффициентами взаимодействия полимеров друг с другом, с внешним пространством (воздух) и подложкой. Бесспорно, за такими скорпулезными исследованиями стоят важные практические применения, которые можно определить стремлением к уменьшению размеров устройств. Тем самым, полимерные пленки удовлетворяют поставленной задаче, обладая устойчивой структурой при размерах от микронов до нанометра. Если не смотреть далеко вперед, не изобретать нановелосипед, достаточно сказать, что ламельная структура важна прежде всего механическими свойствами в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Мицеллы на поверхности, как правило, используют отдельно от пленки и изготавливают из них девайсы наномасштабов для решения самых деликатных задач. Цилиндрическая структура представляет собой базу для формирования структуры другой, неорганической природы, например, углеродных наностержней или ферромагнитных хранилищ информации. Данная работа посвящена анализу тонких пленок и их применению. В начале предлагается небольшой обзор о полимерах, затем речь пойдет о пленках, экспериментальных методах получения и исселедования, потом последует более подробный анализ различных конформаций полимерных звеньев в пленке, в конце уделено особое внимание приложениям тонких полимерных стурктур.


Полимеры
Полимером называют органическое или неорганическое соединение, состоящее из мономерных звеньев, которые соединены в длинные макромолекулы. Количество элементарных мономеров определяет так называемую степень полимеризации. Полимер может являться структурой из мономеров различной природы, такие структуры принято называть сополимеры (copolymers). Классифицируют регулярные и нерегулярные сополимеры, различие которых в наличии или отсутствиии закономерности в чередовании полимерных звеньев. Большинство биополимеров представляют класс нерегулярных сополимеров, что позволяет им выполнять функции хранения генетической информации (нуклеиновые кислоты) и приобретать различные конформации в пространстве (аминокислоты белка). Выделяют линейные полимеры, например, целлюлоза. В конце 19 века человек научился синтезировать полимеры, что способствовало бурному развитию машиностроения, текстильной промышленности, сельского хозяйства, медицины и многих иных отраслей.
Пленки.
Полимерные пленки представляют особенный инетерес для современных технологий. Пленки блок-сополимеров интересны своей удивительной неоднородной структурой, которую можно с успехом контролировать, изменяя параметры мономеров, такие как молекулярную массу, их взаимодействие друг с другом и подложкой, относительную длину мономерных звеньев, а также внешние параметры: давление, температура, прикладываемое электрическое поле, способ приготовления. Построенные структуры полезны своими разными механическими свойствами в различных направлениях. Пленки блок-сополимеров используют как «строительный материал» для получения других более сложных объектов и решения задач минимизации устройств, точечного управления биологическими процессами. Особенный рывок тонкие пленки определили в биоинженерии, где проблема малости устройств зачастую связана с толщиной кровяных сосудов в теле человека и надобностью решать важные перспективные задачи в медицине. С появлением очередной новой идеи применения этих структур, как правило, возникают целые области инженерии, образуются рабочие теоретические и экспериментальные группы по всему миру, сплоченные реализацией актуального проекта. Находясь на передовых позициях, эти лаборатории двигают прогресс и находят применение своим исследованиям.
Способы получения.
Самым эффективным способом получения наноструктур в тонких полимерных пленках является так называемый spin-coating. Процесс проходит в несколько этапов. Особое место занимает аккуратная подготовка подложки – место локализации пленки. Часто используются чашка Петри. Подложка очищается в ванне 35% раствора серной кислоты в течение нескольких минут. Затем ополаскивается дистиллированной водой и тщательно высушивается. Раствор блок-сополимера помещают на подложку и продолжительным вращением добиваются растекания вещества на подложке и далее, увеличением температуры (процесс накаливания может достигать нескольких месяцев), полного испарения растворителя, получается высушенная структурированная полимерная пленка. Меняя условия протекания реакции, можно получать различное взаимное расположение полимеров, составляющих исходный сополимер. Как было сказано выше, образованная структура также зависит от взаимных параметров отдельных полимеров. В состоянии равновесия она может представлять собой последовательные ламели, сферические мицеллы, а также различные комбинации этих элементов. Прикладывая к пленке внешнее электрическое поле можно добиваться цилиндрической структуры, выстроенной вдоль силовых линий поля. Без структурных потерь можно удалить выстроенный полимер. Полученные полые цилиндры используют в качестве нанопор или нанопроводов при добавлении металла внутрь полых цилиндров (подробнее этот процесс будет рассмотерен ниже)

. Чашка Петри. Также в изучении тонких пленок уделено определенное внимание приготовлению слоев, зажатых двумя механическими границами. В этом случае растекание пленки ограничено, а толщина определяется из концентрации сополимера в растворе. Для теоретического описания структуры важно, что в этом случае равновесие не достигается, и поэтому сама структура будет иначе зависеть от начальных параметров.
Основные методы производства и модификации пленок.
Многообразие видов применяемых пленок определяет разнообразие методов их
производства. Основной объем изготовляемых в мире полимерных пленок
приходится на пленки из расплавов пластических масс, основу которых
составляют полимеры, способные при нагреве переходить в вязкотекучее или
высокоэластическое состояние, не подвергаясь при этом термической деструкции.
Метод производства пленки определяется химической природой полимера и
назначением готовой пленки. В настоящее время можно выделить четыре группы
методов изготовления пленки: из полимера, находящегося в вязкотекучем или
высокоэластическом состоянии: экструзия, каландрование, производство
комбинированных пленок, физико-химическая модификация пленок.
Физическая сущность методов экструзии и каландровании заключается в
формовании из расплава полимера заготовок с последующим их деформированием до заданных размеров пленки и фиксирование их охлаждением.
Процесс производства комбинированных пленок связан с совмещением или
внедрением полимера в вязкотекучем состоянии в другой ленточный материал с
обеспечением при этом необходимой межслоевой адгезии. Вопросы направленного
влияния на физико-механические и эксплуатационные свойства пленок решают
использованием методов физической и химической модификации. В первом случае
преобразование, например, надмолекулярных структур полимеров происходит под
влиянием физических факторов. При химической же модификации происходят
изменения в химическом строении макромолекул, изменяется характер связи между
ними.
Экструзионный метод производства полимерных пленок.
Таким методом перерабатывают в пленки полиэтилен, полипропилен,
поливинилхлорид, полизтилентерефталат и другие полимеры, преимущественно в
виде гомогенных материалов, реже наполненных газами или минеральными
порошками и другими компонентами, улучшающими их перерабатываемость,
эксплуатационные свойства. Различают метод экструзии через головки
плоскощелевую (плоская пленка) и кольцевую (рукавная пленка).

 Производство рукавных пленок, их свойства.
Процесс производства рукавной пленки заключается в непрерывном выдавливании
расплава полимера через кольцевую фильеру в виде рукава и последующем его
раздуве до необходимых размеров. Перерабатываемый материал из бункера
поступает в экструдер и далее через фильтр в кольцевую головку. В зависимости
от выбранной схемы производства используют головки угловые или прямоточные.
После выхода из головки цилиндрическая заготовка расплава полимера
раздувается (поперечная вытяжка) до необходимых размеров, затем рукав
охлаждается и поступает в приемные устройства.
Для подготовки расплава при производстве рукавных и других экструзионных
пленок можно использовать следующие виды экструдеров: червячные прессы,
дисковые экструдеры, комбинированные червячно-дисковые и дисково-червячные
экструдеры, каскадные экструдеры.
Пленочный рукав можно охлаждать с наружной и внутренней поверхностей
устройством, в котором в качестве хладагента используют воздух или жидкость.
В обоих случаях хладагент в виде концентрической сходящейся струи подается на
поверхность рукава. При охлаждении жидкостью используют устройства, в которых
пленка либо погружается непосредственно в жидкость (окунание), либо
контактирует с поверхностью насадки, охлаждаемой жидкостью, либо охлаждается
стекающей по пленке жидкостью.
К приемным относятся устройства: стабилизирующее, складывающее, фальцовочное,
тянущее, ширительно-центрирующее.
Способ экструзии полимерного рукава раздувом выгодно отличается простотой и
экономичностью при производстве из различных термопластов широкого
ассортимента пленок шириной 50-24000 мм, толщиной 0,005-0,5 мм.
Способ производства рукавной пленки применяют при изготовлении пленок любой
ширины. Схема производства сверху-вниз рациональна для производства узких,
тонких пленок. Горизонтальный прием рукава представляет интерес при
изготовлении, например, толстых газонаполненных (вспененных) пленок.

Производство плоских пленок, их свойства
Процесс производства плоских пленок заключается а следующем: расплав из
экструдера подается через фильтр в плоскощелевую головку, далее образованное
пленочное полотно поступает в охлаждающее устройство, затем в тянущее,
обрезное и намоточное.
В основном используют два способа охлаждения плоской пленки: на валках
или в ванне с водой. Плоская пленка, полученная быстрым охлаждением при
окунании в ванну с водой или подачей расплава на полированный металлический
валок, имеет ряд положительных свойств, например, высокие прозрачность и
глянец, повышенную жесткость и прочность и т. д. Благодаря этим свойствам ее
широко используют в качестве упаковочного материала. Изготовляют плоские
пленки преимущественно из полиэтилена высокой плотности, полипропилена,
поливинилхлорида.
Методом экструзии через плоскощелевую головку изготовляют как товарную
пленку, идущую непосредственно в потребление, так и заготовки для последующей
ориентации.
При экструзии через плоскощелевую головку достигаются скорости изготовления
пленки, превышающие в 2-3 раза скорости приема рукавной пленки