Spis treści – plik PDF

Spis treści
Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Część 1. Lasery jako narzędzia modyfikowania warstwy wierzchniej
materiałów polimerowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1. Charakterystyka działania i rodzaje laserów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1. Podstawy fizyczne działania laserów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2. Klasyfikacja laserów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1. Lasery Nd:YAG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.2. Lasery CO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.3. Lasery ekscymerowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.4. Lasery półprzewodnikowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3. Parametry wiązki promieniowania laserowego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2. Modyfikowanie laserowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1. Uwarunkowania procesu modyfikowania laserowego . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2. Oddziaływanie promieniowania laserowego z materiałami
polimerowymi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1. Propagacja promieniowania laserowego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.2. Absorpcja i odbicie promieniowania laserowego . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.3. Zmiany poziomów energetycznych cząsteczek wieloatomowych . . .
3. Zmiany struktury warstwy wierzchniej zachodzące pod wpływem
promieniowania laserowego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1. Fotoliza i generacja wolnych rodników . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2. Fotoutlenianie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3. Fotosieciowanie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4. Ablacja laserowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4. Wybrane zastosowania laserów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1. Cięcie laserowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2. Kształtowanie struktury geometrycznej wytworów . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3. Kształtowanie struktury geometrycznej powierzchni . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4. Znakowanie laserowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5. Zastosowanie laserów w metalizacji materiałów polimerowych . . . . . . . . .
4.5.1. Metody metalizowania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5.2. Modyfikowanie w ośrodku gazowym . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5.3. Modyfikowanie w roztworach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5.4. Modyfikowanie cienkich warstw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5.5. Modyfikowanie materiałów kompozytowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
13
15
15
19
20
21
21
22
22
25
25
26
26
28
31
34
34
38
40
43
49
49
54
57
59
63
63
66
69
70
71
6
Spis treści
4.6. Laserowe nanoszenie cienkich warstw polimerowych . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6.1. Implementacja molekularna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6.2. Obrazowanie termiczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6.3. Bezpośrednie nanoszenie z zastosowaniem osnowy polimerowej . . .
4.7. Renowacja dzieł sztuki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Część 2. Charakterystyka plazmy i jej rola w modyfikowaniu
warstwy wierzchniej materiałów polimerowych . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5. Charakterystyka ogólna plazmy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1. Naturalne źródła plazmy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2. Plazma wysoko- i niskotemperaturowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3. Parametry fizyczne plazmy niskotemperaturowej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.1. Podstawowe parametry charakteryzujące plazmę . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.2. Średnia droga swobodna i przekrój czynny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.3. Temperatura, energia i prędkość cząstek plazmy . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.4. Długość Debye’a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.5. Rozkład plazmy w komorze reaktora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.6. Prawo Paschena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6. Rodzaje i metody generowania plazmy niskotemperaturowej . . . . . . . . . . . . . . .
6.1. Rodzaje plazmy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2. Plazma DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.1. Warunki generowania plazmy DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.2. Charakterystyka różnych obszarów plazmy DC . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.3. Reaktor plazmy DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3. Plazma AC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.1. Znaczenie częstotliwości wyładowań plazmowych . . . . . . . . . . . . . .
6.3.2. Rola napięcia referencyjnego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.3. Reaktory plazmy AC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4. Plazma pulsacyjna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5. Plazma silnie zjonizowana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5.1. Reaktor cyklotronowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5.2. Reaktor magnetyczny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5.3. Reaktor mikrofalowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7. Wyładowania niezupełne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.1. Charakterystyka wyładowań niezupełnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2. Wyładowania barierowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2.1. Charakterystyka reaktorów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2.2. Warunki wyładowań barierowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3. Wyładowania koronowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.1. Charakterystyka wyładowań . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.2. Warunki powstawania wyładowań koronowych . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4. Modyfikowanie materiałów polimerowych wyładowaniami koronowymi . . .
8. Plazma płomieniowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1. Walory użytkowe plazmy płomieniowej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2. Główne fazy procesu spalania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
72
73
74
74
75
77
79
79
80
83
83
84
84
86
87
88
90
90
90
90
92
93
94
94
96
97
99
100
101
103
103
105
105
105
105
107
108
108
108
110
112
112
112
7
Spis treści
8.2.1. Inicjacja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.2. Reakcje rodnikowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.3. Propagacja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3.4. Terminacja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.4. Strefy płomienia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.4.1. Obszar ciemny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.4.2. Główny obszar spalania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.4.3. Wtórny obszar spalania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.5. Prędkość i stabilność płomienia laminarnego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9. Wybrane konstrukcje generatorów plazmy strumieniowej . . . . . . . . . . . . . . . .
9.1. Charakterystyka ogólna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2. Rodzaje generatorów plazmy strumieniowej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2.1. Generatory strumieniowe DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2.2. Generatory strumieniowe AC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10. Procesy fizykochemiczne indukowane plazmą w materiałach polimerowych . .
10.1. Rodzaje procesów indukowanych plazmą . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2. Polimeryzacja plazmowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2.1. Charakterystyka ogólna polimeryzacji plazmowej . . . . . . . . . . . .
10.2.2. Geneza polimeryzacji plazmowej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2.3. Mechanizmy polimeryzacji plazmowej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2.4. Reakcje rodnikowe w polimeryzacji plazmowej . . . . . . . . . . . . . .
10.2.5. Fragmentacja monomerów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2.6. Rola promieniowania ultrafioletowego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3. Modyfikowanie chemiczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3.1. Mechanizmy modyfikowania chemicznego . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3.2. Rola tlenu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3.3. Ablacja materiału polimerowego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
112
113
113
113
114
114
114
115
115
119
119
119
123
123
128
128
128
128
129
130
131
133
133
134
134
135
136
11. Charakterystyka stosowanych technik badawczych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.1. Spektroskopia fotoelektronowa (XPS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.1.1. Zasada działania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.1.2. Budowa spektrometru XPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.1.3. Widma rozkładu energii fotoelektronów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.1.4. Aparatura stosowana w badaniach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.2. Spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR) . . . . . . .
11.2.1. Promieniowanie elektromagnetyczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.2.2. Rodzaje drgań atomów i cząsteczek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.2.3. Technika wielokrotnego odbicia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.2.4. Aparatura stosowana w badaniach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.3. Mikroskopia sił atomowych (AFM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.3.1. Zasada działania i budowa AFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.3.2. Aparatura stosowana w badaniach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.4. Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.4.1. Zasada działania mikroskopu SEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
141
141
141
143
144
145
146
146
147
150
151
152
152
154
155
155
Część 3. Wyniki i analiza wybranych własnych badań eksperymentalnych . . . 139
8
Spis treści
11.4.2. Budowa mikroskopu SEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.4.3. Aparatura stosowana w badaniach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.5. Goniometria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.5.1. Zwilżalność . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.5.2. Aparatura i sposób prowadzenia badań . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.6. Obliczenia wartości swobodnej energii powierzchniowej (SEP) . . . . . . .
12. Modyfikowanie laserowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.1. Stosowane lasery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.2. Rezultaty modyfikowania promieniowaniem laserowym o energii
poniżej progu ablacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.3. Rezultaty modyfikowania promieniowaniem laserowym o energii
powyżej progu ablacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.3.1. Zmiany struktury geometrycznej warstwy wierzchniej . . . . . . . . .
12.3.2. Przygotowanie warstwy wierzchniej materiałów polimerowych
do metalizowania bezprądowego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13. Modyfikowanie plazmowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.1. Rezultaty modyfikowania polilaktydu plazmą w warunkach
obniżonego ciśnienia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.2. Rezultaty modyfikowania wyładowaniami koronowymi . . . . . . . . . . . . .
Podsumowanie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Spis ważniejszych symboli i akronimów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Skorowidz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
158
161
161
161
162
163
166
166
167
177
177
180
198
198
206
213
215
223
225
229