Автореферат (1095156), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Рисунок 2 - Зависимости краевого угла смачивания водой поверхности пленок из ПЭТФ от продолжительности хранения образцов после обработки плазмой: 1 - аргона 5 мин , 2 – аргона 3 мин, 3 – аргона 30 с, 3 – кислорода 3 мин, 5 – кислорода 30 с.

Анализируя зависимости, представленные на рис. 1 и 2, не трудно заметить, что эффект от обработки поверхности полимерных пленок в плазме аргона или кислорода более стабилен во времени, чем обработка в коронном разряде. Вместе с тем, технологически более просто организовать в производственном процессе обработку поверхности коронным разрядом, чем плазмохимическую обработку при пониженном давлении. Однако, в обоих случаях, нанесение электропроводящей композиции необходимо осуществлять непосредственно после обработки поверхности.

Для обеспечения высокой адгезионной прочности важно, чтобы эффект от обработки коронным разрядом был равномерно распределен по поверхности полимерной пленки. В ряде научных работ, опубликованных на рубеже ХХ и XХI веков было показано, что эффект снижения краевого угла смачивания водой после обработки полимерной поверхности коронным разрядом во многом определяется плотностью инжектированного заряда. Собственные исследования, проведенные в этом направлении, показали, что равномерности распределения заряда, а следовательно, и смачиваемости поверхности полимерной пленки будут способствовать высокочастотный разряд и материал диэлектрического покрытия заземленного электрода.

Исследуя зависимости адгезионной прочности от режимов активации поверхности полимерных пленок и времени выдерживания образцов пленок до нанесения электропроводящих композиций, в работе было установлено, что адгезионная прочность, независимо от режимов активации, сильно зависит от продолжительности хранения. Это хорошо видно из результатов, представленных на рис.3.

Продолжительность обработки в плазме аргона или кислорода значительно влияет на эффект адгезионной прочности. Причем, из результатов, представленных на рис.3, видно, что наибольшие значения адгезионной прочности были получены при обработке в плазме кислорода. При этом более продолжительная обработка, как в плазме кислорода, так и в плазме аргона приводит к переактивации поверхности и снижению адгезионной прочности.

В процессе разработки электропроводящей композиции, содержащей наночастицы серебра, в качестве основных критериев были выбраны: высокая адгезионная прочность к исследуемым полимерным пленкам; требуемый уровень реологических характеристик композиций, позволяющий их использовать во флексографском и струйном методах печати; высокие значения электропроводности.

Рисунок 3 - Зависимости адгезионной прочности композиции, содержащей наночастицы серебра, от продолжительности хранения обработанных пленок из ПЭТФ до запечатывания в плазме: 1 – кислорода 30 с, 2 – аргона 30 с, 3 – кислорода 5 мин, 4 – аргона 5 мин

В качестве пленкообразующих разрабатываемых композиций были рассмотрены как водорастворимые полимеры, так и полимеры, растворимые в органических растворителях: поливиниловый спирт; поливинилацетат; поливинилпирролидон; водные дисперсии полиметилметакрилата и его сополимеров; полианилин.

Таблица 1 – Состав композиций, содержащих наночастицы серебра

На основании проведенных исследований по разработке рецептуры электропроводящей композиции, был выбран состав №3, (см. табл.1) который удовлетворительно наносился на струйном принтере и обладал определенной адгезионной способностью к активированной полимерной поверхности. Составы №1 и №2 являются водными, в связи с чем не наносились на поверхность полимерной пленки методом струйной печати.

Соотношение растворителей в составе №3 обеспечивало вязкость композиции на уровне 2-3 Па·с, что позволяло использовать данную композицию для нанесения методом струйной печати.

Вместе с тем, наличие поливинилпирролидона в качестве связующего в композиции отрицательно влияет на электропроводность наносимых слоев. Для снижения содержания поливинилпирролидона в поверхностном слое нанесенной композиции поверхность подвергали обработке в плазме кислорода или аргона. Эффективность процесса вытравливания поливинилпирролидона можно наблюдать, анализируя зависимости, представленные на рис.4.

Рисунок 4 - Зависимости массы вытравленного поливинилпирролидона от времени травления плазмой аргона (1) и кислорода (2)

При вытравливани нанесенного слоя композиции в плазме кислорода было замечено сильное почернение поверхностного слоя электропроводящей композиции, в то время как при обработке в плазме аргона слой становился серебристо-серым (рис. 5).

Рисунок 5 - Образцы с токопроводящей композицией №3 без обработки (1) и после обработки аргоном (2) и кислородом (3)

Рентгеноструктурный анализ образцов, подвергнутых травлению в плазме аргона или кислорода, позволил выявить причину почернения образцов в случае использования кислородной плазмы. Эти результаты представлены на рис.6.

Не трудно заметить, что в дифракционном спектре рентгеновского излучения для образца, подвергнутого плазмохимической обработке в среде аргона, присутствуют только полосы серебра, в то время как при плазмохимической обработке в среде кислорода, отсутствуют полосы серебра, но появляются полосы, соответствующие окисленной форме серебра.

Рисунок 6 - Результаты рентгеноструктурного анализа образцов с композицией №3, обработанных плазмой

аргона (а) и кислорода (б)

Исследуя влияние параметров плазмохимической обработки в среде аргона на поверхностное электрическое сопротивление, в работе было установлено, что с увеличением мощности разряда при плазмохимической обработке величина электрического сопротивления снижается, при этом увеличение концентрации аргона в камере обработки отрицательно сказывается на эффекте снижения электрического сопротивления. Это подтверждается результатами, представленными на рис.7.

Композиция №3, нанесённая на подложку, без плазменной обработки, не обеспечивала электропроводность слоя ввиду наличия значительного количества диэлектрического пленкообразующего. Применение плазмохимической обработки поверхности позволяет «вытравить» часть пленкообразующего на определенную глубину поверхностного слоя.

Рисунок 7 - Зависимости удельного электрического сопротивления слоя электропроводящей композиции №3 от мощности плазмохимической обработки при различных концентрациях аргона в разрядной камере,

1 – 2,0% , 2 –1,0%, 3 – 0,2%

Дальнейшая плазмохимическая обработка в аргоне не целесообразна, так как она будет затрагивать обработку по глубине электропроводящего слоя, что не окажет значительного влияния на электропроводность поверхностного слоя. При плазмохимической обработке образцов с нанесенным серебросодержащим слоем происходит удаление поливинилпирролидона из поверхностного слоя. При этом, наночастицы серебра, теряя опору, которую они имели в матрице пленкообразующего, опускаются на более низкий уровень, вступая в контакт с находящимися ниже наночастицами серебра. Это, в свою очередь, приводит к кажущемуся увеличению размеров наночастиц серебра (см. рис.8). В результате этого контакт между электропроводящими частицами повышается, что приводит к снижению поверхностного электрического сопротивления.

Вместе с тем, не исключается и эффект оплавления наночастиц серебра при плазмохимической обработке и, как следствие, увеличение их размеров. Исследуя возможность использования углеродных нанотрубок и чешуек графенов в качестве электропроводящих элементов в композициях для нанесения на полимерные пленки полиграфическим способом, в работе было установлено, что необходимо использовать связующее, которое также должно обладать определенным уровнем электропроводности.

Рисунок 8 – СЭМ фотографии слоя композиции №3, нанесённой методом “spin-coating”, до плазмохимической обработки (а) и после плазмохимической обработки в аргоне (б); увеличение 5000^х

В качестве такого связующего в композиции использовался полианилин. При составлении композиций, содержащих чешуйки графенов или углеродные нанотрубки, на основе микроскопических исследований было установлено, что диспергирование композиции с помощью ультразвука приводит к образованию в объеме весьма разрозненных участков, содержащих нанотрубки или чешуйки графенов. В то же время, в объеме композиции после диспергирования в ней нанотрубок или чешуек графена наблюдалось большое количество пузырьков воздуха. Последнее отрицательно сказывается на электропроводности.

При увеличнии концентрации нанотрубок в пленкообразующем возрастает плотность их распределения в полимерной матрице, что приводит к снижению поверхностного электрического сопротивления.

Рисунок 9 - Электронные микрофотографии углеродных нанотрубок (а) и чешуек графенов (б), использованных в рецептуре электропроводящих композиций, увеличение 150000^×

На рис.9 представлены микрофотографии использованных в работе углеродных нанотубок и чешуек графена.

Рисунок 10 - Зависимости удельной электропроводности от концентрации чешуек графена – 1 и углеродных нанотрубок – 2 в поливиниловом спирте и чешуек графена – 3 и нанотрубок – 4 в полианилине.

Создавая различные концентрации нанотрубок и графенов в модельной электропроводящей композиции, а также меняя вязкость пленкообразующего, удалось получить композицию, толщина которой при нанесении на ПЭТФ пленку составляла не более 0,3 мкм. При этом была достигнута значительная плотность углеродных трубок и графенов в слое пленкообразующего.

На рисунке 10 представлены зависимости электропроводности от концентрации чешуек графена или углеродных нанотрубок в поливиниловом спирте и полианилине. В данном случае поливиниловый спирт взят в качестве модельного пленкообразующего.

Как видно из результатов, представленных на рис.10 использование в композиции нанотрубок позволяет получить более высокую электропроводность чем при использовании в качестве наполнителя графенов.

Главными преимуществами «печатной электроники» являются простота реализации и возможность её производства полиграфическими методами с большой скоростью и низкими энергозатратами.

На основании полученных результатов была предложена структурно-технологическая схема для производства изделий, содержащих электропроводящие композиции, наносимые на полимерные пленки полиграфическим способом (рисунок 11).

Очевидно, что для многофункциональности такое оборудование следует строить по модульному линейному принципу, допуская возможность исключения из производственной цепи одних модулей и включения других.

Характеристики

Список файлов диссертации