Νανομηχανικές και νανοτριβολογικές ιδιότητες λεπτών υμενίων οξειδίου του πυριτίου σε πολυμερικές μεμβράνες

Abstract

Η παρούσα εργασία αναφέρεται στις νανομηχανικές και νανοτριβολογικές ιδιότητες υμενίων SiOx (με x~1.8) πάχους 50 nm, που εναποτίθενται με εξάχνωση μέσω δέσμης ηλεκτρονίων (Electron Beam Evaporation) πάνω σε μεμβράνες πολύ(αιθυλενο τερεφθαλικού) (PET). Το PET επιδεικνύει εξαιρετικό συνδυασμό ιδιοτήτων, που είναι υψηλής σημασίας για τις εφαρμογές της συσκευασίας, όπως εύκολη κατεργασιμότητα, καλές μηχανικές ιδιότητες, σχετικά χαμηλή διαπερατότητα από οξυγόνο και διοξείδιο του άνθρακα (ιδιότητες φραγμού) και καλή χημική σύνδεση με αντιβακτηριδιακές επικαλύψεις. Όμως, οι επιφανειακές ιδιότητες του PET δεν ανταποκρίνονται στις απαιτήσεις αντοχής σε εγχάραξη, διαβρεχτικότητας, βιοσυμβατότητας, διάχυσης αερίων ή τριβής. Η εναπόθεση SiOx μέσω πλάσματος πάνω σε υπόστρωμα PET δύναται να βελτιώσει τις επιφανειακές ιδιότητες. Σε συνδυασμό με το χαμηλό κόστος και την εύχρηστη τεχνική εναπόθεσης μέσω πλάσματος, το σύστημα SiOx/PET φαίνεται χρήσιμο εργαλείο στη βιομηχανία της συσκευασίας. Οι εξεταζόμενες μεμβράνες PET (πάχους 12 μm) παράχθηκαν σε ημιβιομηχανική κλίμακα και υπέστησαν κατεργασία διαξονικού τανυσμού και θερμικής ανόπτησης. Ένας ημιβιομηχανικός θάλαμος κενού με σύστημα κύλισης (roll-to-roll) χρησιμοποιήθηκε για την εναπόθεση του SiOx υμενίου πάχους 50 nm. Η σκληρότητα (Η) και το μέτρο ελαστικότητας (Ε) της μεμβράνης PET και της επικάλυψης μετρήθηκαν μέσω πειραμάτων νανοδιείσδυσης. Οι τιμές Η και Ε για το τανυσμένο PET αυξάνονται στην επιφάνεια/ περιοχή κοντά στην επιφάνεια, λόγω του αυξημένου προσανατολισμού των μορίων στην επιφανειακή στοιβάδα που επιτυγχάνεται με το μηχανικό τανυσμό και θερμική ανόπτηση της μεμβράνης. Για μεγαλύτερη βάθη διείσδυσης, οι τιμές Η και Ε μειώνονται φθάνοντας τις τιμές Η και Ε για το υλικό όγκου ΡΕΤ. Οι υψηλότερες τιμές Η και Ε της επικάλυψης SiOx που μετρήθηκαν για το σύστημα SiOx/ΡΕΤ, υποδηλώνουν ότι το υμένιο SiOx είναι αποτελεσματικό ως προστατευτικό υλικό επικαλύψεων. Με περεταίρω ανάλυση των δεδομένων νανοδιείσδυσης εξήχθησαν χρήσιμες πληροφορίες για τη μετάβαση από την ελαστική στην πλαστική παραμόρφωση του συστήματος SiOx/ΡΕΤ. Επίσης, πραγματοποιήθηκε εξαγωγή καμπυλών που προσομοιάζουν τις καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης από τις καμπύλες νανοσκληρομέτρησης, ώστε να κατανοηθεί η συμπεριφορά του υμενίου SiOx. Τέλος, από τις δοκιμές εγχάραξης εκτιμήθηκαν οι νανοτριβολογικές ιδιότητες του συστήματος SiOx/ΡΕΤ, μετρήθηκε ο συντελεστής τριβής και μελετήθηκε η μορφολογία των ιχνών εγχάραξης σε διαφορετικά επιβαλλόμενα κάθετα φορτία και ταχύτητες ολίσθησης. Η συνεκτική αντοχή του συστήματος SiOx/ΡΕΤ προσδιορίστηκε ότι ενισχύεται συγκριτικά με το μη επικαλυμμένο ΡΕΤ, επομένως, η δύναμη τριβής που απαιτείται για να υπερνικηθεί η συνάφεια του συστήματος αυξάνει.

The present work reports on the nanomechanical and nanotribological properties of 50 nm thick SiOx films (with x~1.8) deposited by Electron Beam Evaporation onto poly(ethylene terephthalate) (PET) membranes. PET demonstrates an excellent combination of properties, which are of high importance for packaging applications, such as easy processing, good mechanical properties, reasonably low permeability to oxygen and carbon dioxide gases (barrier properties) and good chemical coupling with antibacterial coatings. However, PET surface properties do not meet the demands regarding scratch-resistance, wettability, biocompatibility, gas transmission, or friction. Plasma deposition of SiOx onto PET can improve its surface properties. This, in combination with the flexibility and the relatively low cost of the plasma process, makes it very interesting as a tool for the packaging industry. The examined PET membranes (thickness ~12 μm) were industrially supplied, treated using biaxial stretching that is usually applied in industrial scale. An industrial roll-to-roll vacuum deposition coater was used to produce SiOx films of 50 nm thick. Hardness (H) and reduced elastic modulus (E) of the PET membrane and the coating were assessed by means of nanoindentation. Both H and E of drawn PET films are increased in the surface/near surface region, due to higher orientation of molecules in the surface layer that is obtained with mechanical stretching and annealing of the membrane. For higher contact depths, the H and E values tend to decrease approaching the bulk PET H and E values. Higher H & E values of SiOx coating, measured for SiOx/PET system, imply that SiOx film is effective as protective coating material. Further analysis of nanoindentation data provided useful information for the elastic to plastic transition of SiOx/PET system and it was possible to extract nanoindentation stress-strain curves in order to comprehend SiOx thin film behavior. Finally, scratch tests were performed in order to assess the nanotribological properties of the system SiOx/PET, measure coefficient of friction and study the morphology of scratches at different normal loads and tip velocities. The cohesive strength of the SiOx/PET system is enhanced comparing to that of uncoated PET, and as a result, the friction force needed to overcome the adhesion of the system increases.