Томские ученые реализуют комплексный подход к получению полимерных покрытий

Ученые из ИСЭ СО РАН, Томского госуниверситета и ТНЦ СО РАН заложили фундаментальные основы синтеза широкого класса полимерных покрытий с уникальными свойствами с использованием плазмы газового разряда низкого давления, поддерживающегося в потоке газа. Такие полимеры востребованы в медицине, машиностроении, а также в качестве защитных покрытий изделий, эксплуатируемых в агрессивной среде космоса и в суровых условиях Арктики. Полученные результаты были представлены в высокорейтинговом журнале Vacuum .

– Полимеры – это вещества, состоящие из длинных макромолекул, где атомы связаны друг с другом посредством ковалентных связей. Существуют природные полимеры, например, хорошо знакомые целлюлоза или белки. Существуют и синтетические полимеры, это, например, полиэтилен или поливинилхлорид, – рассказывает один из соавторов статьи аспирант Даниил Зуза. – Как правило, при синтезе полимеров полимеризация инициируется в результате химической реакции между мономером и другими веществами. В настоящее время актуальным направлением является плазмохимический синтез полимеров, позволяющий получать полимерные покрытия путем активации молекул мономера в плазме газового разряда.

По словам молодого ученого, к преимуществам плазмохимического синтеза относятся возможность создавать полимеры из множества органических или элементоорганических химических веществ, в том числе из тех, которые не могут полимеризоваться традиционным подходом, а также возможность получать полимерные покрытия за относительно короткое время в одну стадию и без использования растворителей.

В плазме происходит передача энергии от частиц плазмы к испаренным молекулам мономера, благодаря чему молекулы активируются. В результате образуются высокореакционноспособные частицы, которые впоследствии осаждаются на поверхность и формируют покрытие. Полученные таким способом полимерные покрытия обладают уникальными свойствами, которые можно «настроить» заранее путем варьирования различных параметров плазмохимической установки.

Научный коллектив, в состав которого вошли ученые из трех организаций, подходит к развитию темы комплексно – изучая фундаментальные основы процессов, приводящих к плазменной полимеризации, создавая оборудование и разрабатывая современные методы получения полимерных покрытий. Итогом поисковых исследований, поддержанных грантом РФФИ в 2019 году, стало создание на базе Института сильноточной электроники СО РАН прототипа экспериментальной установки для нанесения полимерных покрытий с помощью плазмы газового разряда в потоке газа.

Особенность установки заключаются в том, что активация мономера происходит в ограниченном объеме плазмохимического реактора, тогда как осаждение реакционноспособных частиц происходит на поверхности материала, расположенного в вакуумной камере. Таким образом, формирование полимеров происходит практически без воздействия плазмы на материал, что позволяет покрывать изделия, чувствительные к такому рода воздействию. Также благодаря такому подходу размер обрабатываемого материала может быть достаточно большим и ограничиваться лишь размерами вакуумной камеры, а не электродной системы.

Как поясняет Даниил Александрович, плазмохимическое осаждение полимерных покрытий является сложным многофакторным процессом, на который влияет целый ряд параметров, описать их и учесть во всем многообразии крайне сложно. Поэтому необходимо планомерно выявлять эмпирические закономерности и факты, способствующие дальнейшему развитию метода.

Научный коллектив из сотрудников лабораторий вакуумной электроники и низкотемпературной плазмы ИСЭ СО РАН, Центра исследований в области материалов и технологий химфака ТГУ и лаборатории перспективных технологий Томского научного центра СО РАН исследует процессы плазмохимического синтеза полимеров и устанавливает влияние целого ряда параметров (состав рабочей газо-паровой смеси, скорость потока смеси, природа подложки, параметры газового разряда, давление в системе) на выход полимерного покрытия, его химический состав и, следовательно, на его физико-химические свойства.

Ученым удалось выявить режимы работы плазмохимической установки, приводящие к наиболее эффективной плазменной полимеризации гексаметилдисилоксана, при которых формируются полиметилсилоксановые полимеры, обладающие высокой диэлектрической прочностью, термостабильностью, стойкостью к химически агрессивным средам и высокой адгезией к металлическим материалам.

Дальнейшее развитие плазмохимического синтеза полимерных покрытий позволит создать заделы современных технологий получения новых материалов с заранее заданными свойствами в интересах медицины, машиностроения, пищевой промышленности и аэрокосмической отрасли.