วัสดุ พอลิเมอร์มีการใช้งานอย่างแพร่หลายเนื่องจากคุณสมบัติที่หลากหลาย ต้นทุนต่ำ และการผลิตที่สามารถปรับแต่งได้อย่างสูง วิทยาศาสตร์การสังเคราะห์พอลิเมอร์ช่วยให้สามารถควบคุมคุณสมบัติของตัวอย่างพอลิเมอร์ได้อย่างดีเยี่ยม อย่างไรก็ตาม ปฏิสัมพันธ์ของพื้นผิวของวัสดุพอลิเมอร์เป็นหัวข้อสำคัญในการศึกษาในด้านเทคโนโลยีชีวภาพนาโนเทคโนโลยีและ การใช้งาน การเคลือบ ทุกรูปแบบ ในกรณีเหล่านี้ ลักษณะพื้นผิวของพอลิเมอร์และวัสดุ และแรงที่เกิดขึ้นระหว่างกันเป็นตัวกำหนดประโยชน์ใช้สอยและความน่าเชื่อถือของวัสดุนั้นเป็นอย่างมากตัวอย่างเช่น ในการใช้งานทางการแพทย์ การตอบสนองของร่างกายต่อวัสดุแปลกปลอม และ ความเข้ากันได้ทางชีวภาพจึงถูกควบคุมโดยปฏิสัมพันธ์ของพื้นผิว นอกจากนี้วิทยาศาสตร์พื้นผิวยังเป็นส่วนสำคัญของการกำหนดสูตร การผลิต และการใช้งานของการเคลือบ^{[ 1 ]}

วัสดุพอลิเมอร์สามารถถูกปรับแต่งคุณสมบัติได้โดยการเติมโมเลกุล ขนาดเล็ก โอลิโกเมอร์หรือแม้แต่พอลิเมอร์อื่นๆ (โคพอลิเมอร์แบบกราฟต์) ลงบนพื้นผิวหรือส่วนต่อประสาน

ในบริบทของเคมีพอลิเมอร์ การปลูกถ่าย (Grafting ) หมายถึงการเพิ่มสายโซ่พอลิเมอร์ลงบนพื้นผิว ในกลไกที่เรียกว่า 'การปลูกถ่ายลงบน' (grafting onto) สายโซ่พอลิเมอร์จะดูดซับลงบนพื้นผิวจากสารละลาย ในกลไกที่กว้างขวางกว่าอย่าง 'การปลูกถ่ายจาก' (grafting from) สายโซ่พอลิเมอร์จะเริ่มต้นและแพร่กระจายที่พื้นผิว เนื่องจากสายโซ่พอลิเมอร์ที่ผ่านการพอลิเมอไรซ์แล้วซึ่งใช้ในวิธีการ 'การปลูกถ่ายลงบน' มี โครงสร้างที่เหมาะสม ทางอุณหพลศาสตร์ในสารละลาย (ปริมาตรไฮโดรไดนามิกที่สมดุล) ความหนาแน่นของการดูดซับจึงถูกจำกัดด้วยตัวมันเองรัศมีไจเรชันของพอลิเมอร์จึงเป็นปัจจัยจำกัดจำนวนสายโซ่พอลิเมอร์ที่สามารถเข้าถึงพื้นผิวและยึดเกาะได้เทคนิค 'การปลูกถ่ายจาก' หลีกเลี่ยงปรากฏการณ์นี้และช่วยให้มีความหนาแน่นของการปลูกถ่ายที่สูงขึ้น

กระบวนการกราฟต์แบบ "onto", "from" และ "through" ล้วนเป็นวิธีการที่แตกต่างกันในการเปลี่ยนแปลงปฏิกิริยาทางเคมีของพื้นผิวที่มันยึดติด การกราฟต์แบบ "onto" ช่วยให้พอลิเมอร์ที่เตรียมไว้ล่วงหน้า โดยทั่วไปอยู่ใน "สภาวะแบบเห็ด" สามารถยึดติดกับพื้นผิวของหยดหรือลูกปัดในสารละลายได้ เนื่องจากปริมาตรที่ใหญ่กว่าของพอลิเมอร์ที่ขดตัวและอุปสรรคทางกายภาพที่เกิดขึ้น ทำให้ความหนาแน่นของการกราฟต์แบบ "onto" ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับการกราฟต์แบบ "from" พื้นผิวของลูกปัดจะเปียกด้วยพอลิเมอร์ และปฏิกิริยาในสารละลายทำให้พอลิเมอร์มีความยืดหยุ่นมากขึ้น "โครงสร้างแบบยืดออก" ของพอลิเมอร์ที่กราฟต์หรือพอลิเมอไรซ์จากพื้นผิวของลูกปัดหมายความว่าโมโนเมอร์จะต้องอยู่ในสารละลายและดังนั้นจึง มีคุณสมบัติ ชอบน้ำ (lyophilic ) ส่งผลให้ได้พอลิเมอร์ที่มีปฏิกิริยาที่ดีกับสารละลาย ทำให้พอลิเมอร์สามารถก่อตัวเป็นเส้นตรงได้มากขึ้น ดังนั้นการกราฟต์แบบ "from" จึงมีความหนาแน่นของการกราฟต์สูงกว่า เนื่องจากสามารถเข้าถึงปลายโซ่ได้มากขึ้น

การสังเคราะห์ เปปไทด์สามารถเป็นตัวอย่างหนึ่งของกระบวนการสังเคราะห์แบบ 'ต่อเติมจาก' ในกระบวนการนี้ สายโซ่ ของกรดอะมิโน จะถูกสร้างขึ้นโดย ปฏิกิริยาควบแน่นหลายขั้นตอนจากพื้นผิวของเม็ดพอลิเมอร์ เทคนิคการต่อเติมนี้ช่วยให้สามารถควบคุมองค์ประกอบของเปปไทด์ได้อย่างยอดเยี่ยม เนื่องจากสายโซ่ที่เชื่อมต่อแล้วสามารถล้างออกได้โดยไม่หลุดออกจากพอลิเมอร์

สารเคลือบพอลิเมอร์เป็นอีกด้านหนึ่งของการประยุกต์ใช้เทคนิคการต่อเชื่อมโมเลกุล ในการผลิตสีน้ำ อนุภาค ลาเท็กซ์มักถูกปรับเปลี่ยนพื้นผิวเพื่อควบคุมการกระจายตัวของอนุภาค และด้วยเหตุนี้จึงควบคุมคุณลักษณะของสารเคลือบ เช่นความหนืดการขึ้นรูปฟิล์ม และความเสถียรต่อสภาพแวดล้อม ( การสัมผัสกับรังสี ยูวีและการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ)

การประมวลผล ด้วยพลาสมาการบำบัดด้วยโคโรนา และการบำบัดด้วยเปลวไฟ ล้วนสามารถจัดอยู่ในประเภทกลไกการออกซิเดชันของพื้นผิวได้ วิธีการเหล่านี้ล้วนเกี่ยวข้องกับการแตกตัวของโซ่พอลิเมอร์ในวัสดุและการรวมกลุ่มฟังก์ชันคาร์บอนิลและไฮดรอกซิล [ ^{2 ] การ}รวมออกซิเจนเข้าไปในพื้นผิวจะสร้างพลังงานพื้นผิวที่สูงขึ้น ทำให้สามารถเคลือบพื้นผิวได้

การบำบัดด้วยโคโรนาเป็นวิธีการปรับเปลี่ยนพื้นผิวโดยใช้การปล่อยประจุโคโรนาที่อุณหภูมิต่ำเพื่อเพิ่มพลังงานพื้นผิวของวัสดุ ซึ่งมักจะเป็นพอลิเมอร์และเส้นใยธรรมชาติ โดยทั่วไปแล้ว แผ่นพอลิเมอร์บางๆ จะถูกรีดผ่านแถวของอิเล็กโทรดแรงดันสูง โดยใช้พลาสมาที่เกิดขึ้นเพื่อปรับปรุงคุณสมบัติของพื้นผิว ความลึกในการแทรกซึมที่จำกัดของการบำบัดดังกล่าวทำให้การยึดเกาะดีขึ้นอย่างมาก ในขณะที่ยังคงรักษาคุณสมบัติทางกลของวัสดุโดยรวมไว้ได้

ในเชิงพาณิชย์ การบำบัดด้วยโคโรนาถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อปรับปรุงการยึดเกาะของสีย้อมก่อนการพิมพ์ข้อความและรูปภาพบนวัสดุบรรจุภัณฑ์พลาสติก เนื่องจากโอโซนที่เหลืออยู่หลังการบำบัดด้วยโคโรนามีอันตราย จึงจำเป็นต้องมีการกรองและการระบายอากาศอย่างระมัดระวังในระหว่างกระบวนการ ซึ่งจำกัดการใช้งานเฉพาะในระบบที่มีการกรองแบบเร่งปฏิกิริยาอย่างเข้มงวด ข้อจำกัดนี้จึงขัดขวางการใช้งานอย่างแพร่หลายในกระบวนการผลิตแบบเปิด

ปัจจัยหลายประการส่งผลต่อประสิทธิภาพของการบำบัดด้วยเปลวไฟ เช่น อัตราส่วนอากาศต่อก๊าซ กำลังความร้อน ระยะห่างของพื้นผิว และระยะเวลาการคงอยู่ของโซนออกซิเดชัน เมื่อเริ่มกระบวนการ การบำบัดด้วยโคโรนาจะเกิดขึ้นทันทีหลังจากการอัดรีดฟิล์ม แต่การพัฒนาเทคนิคการขนส่งอย่างระมัดระวังทำให้สามารถบำบัดในตำแหน่งที่เหมาะสมที่สุดได้ ในทางกลับกัน การบำบัดด้วยโคโรนาแบบอินไลน์ได้รับการนำไปใช้ในสายการผลิตขนาดใหญ่ เช่น ในอุตสาหกรรมหนังสือพิมพ์ โซลูชันแบบอินไลน์เหล่านี้ได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อต่อต้านการลดลงของคุณลักษณะการเปียกที่เกิดจากการใช้ตัวทำละลายมากเกินไป^{[ 3 ]}

การประมวลผลด้วยพลาสมาทำให้พลังงานที่ผิวสัมผัสและชิ้นส่วนโมโนเมอร์ที่ฉีดเข้าไปมีขนาดใหญ่กว่ากระบวนการที่เทียบเคียงได้ อย่างไรก็ตาม ฟลักซ์ที่จำกัดทำให้ไม่สามารถดำเนินการในอัตราที่สูงได้ นอกจากนี้ พลาสมายังไม่เอื้ออำนวยต่ออุณหพลศาสตร์ ดังนั้นพื้นผิวที่ผ่านกระบวนการด้วยพลาสมาจึงขาดความสม่ำเสมอ ความคงที่ และความคงทน อุปสรรคเหล่านี้ทำให้การประมวลผลด้วยพลาสมาไม่สามารถเป็นวิธีการปรับเปลี่ยนพื้นผิวที่แข่งขันได้ในอุตสาหกรรม กระบวนการเริ่มต้นด้วยการผลิตพลาสมาผ่านการแตกตัวเป็นไอออนโดยการตกตะกอนบนส่วนผสมของโมโนเมอร์หรือไอออนพาหะที่เป็นก๊าซ พลังงานที่จำเป็นในการผลิตฟลักซ์พลาสมาที่จำเป็นสามารถหาได้จากสมดุลมวล/พลังงานของปริมาตรที่ใช้งานอยู่: ^{[ 4 ]}

${\displaystyle \textstyle \int \limits _{{V\!ol}_{I}}{k^{ion}}{n_{e}}{n_{0}}\,d{{V\!ol}_{I}}={\frac {n_{e}}{\tau _{n}}}{V\!ol_{I}}}$

ที่ไหน

${\displaystyle {{V\!ol}_{I}}}$คือวอลุ่มที่ใช้งานอยู่

${\displaystyle k^{ion}}$คืออัตราการแตกตัวเป็นไอออน

${\displaystyle n_{0}}$คือความหนาแน่นที่เป็นกลาง

${\displaystyle n_{e}}$คือความหนาแน่นของอิเล็กตรอน

${\displaystyle \tau _{n}}$คือการสูญเสียไอออนโดยการแพร่ การพา การเกาะติด และการรวมตัวใหม่

โดยทั่วไป การกระจายพลังงานจะเริ่มต้นด้วยพลังงานกระแสตรง (DC), คลื่นความถี่วิทยุ (RF) หรือคลื่นไมโครเวฟ ประสิทธิภาพการแตกตัวเป็นไอออนของก๊าซสามารถลดประสิทธิภาพการใช้พลังงานได้มากกว่าสิบเท่า ขึ้นอยู่กับพลาสมาตัวพาและวัสดุรองรับ

การบำบัดด้วยเปลวไฟเป็นวิธีการควบคุมที่รวดเร็ว คุ้มค่า และประหยัดต้นทุนในการเพิ่มพลังงานพื้นผิวและความสามารถในการเปียกของโพลีโอเลฟินและส่วนประกอบโลหะ การบำบัดด้วยพลาสมาอุณหภูมิสูงนี้ใช้ก๊าซออกซิเจนที่แตกตัวเป็นไอออนผ่านเปลวไฟพุ่งผ่านพื้นผิวเพื่อเพิ่มหมู่ฟังก์ชันที่มีขั้วในขณะที่หลอมโมเลกุลบนพื้นผิวและล็อคให้อยู่กับที่เมื่อเย็นตัวลง

เทอร์โมพลาสติกโพลีเอทิลีนและโพลีโพรพีลีนที่ผ่านการบำบัดด้วยการสัมผัสกับพลาสมาออกซิเจนในระยะเวลาสั้นๆ พบว่ามุมสัมผัสต่ำถึง 22° และการปรับเปลี่ยนพื้นผิวที่เกิดขึ้นสามารถคงอยู่ได้นานหลายปีหากบรรจุภัณฑ์เหมาะสม การบำบัดด้วยพลาสมาเปลวไฟได้รับความนิยมเพิ่มมากขึ้นในอุปกรณ์ที่ใช้ในหลอดเลือด เช่น สายสวนบอลลูน เนื่องจากความแม่นยำและความคุ้มค่าที่ต้องการในอุตสาหกรรมการแพทย์^{[ 5 ]}

การเชื่อมต่อโคพอลิเมอร์เข้ากับพื้นผิวสามารถมองได้ว่าเป็นการเชื่อมโซ่พอลิเมอร์เข้ากับพื้นผิวพอลิเมอร์ที่มีโครงสร้างแตกต่างกัน โดยมีจุดประสงค์เพื่อเปลี่ยนแปลงฟังก์ชันการทำงานของพื้นผิวในขณะที่ยังคงรักษาคุณสมบัติทางกลโดยรวมไว้ ลักษณะและระดับของฟังก์ชันการทำงานของพื้นผิวจะถูกกำหนดโดยทั้งการเลือกใช้โคพอลิเมอร์และประเภทและขอบเขตของการเชื่อมต่อ

การปรับเปลี่ยนพื้นผิวเฉื่อยของพอลิโอเลฟิน โพลีเอสเตอร์ และพอลิอะไมด์โดยการเชื่อมต่อโมโนเมอร์ไวนิลที่มีฟังก์ชันการทำงาน ได้ถูกนำมาใช้เพื่อเพิ่มคุณสมบัติไม่ชอบน้ำ การดูดซับสี และการยึดเกาะของพอลิเมอร์ วิธีการเชื่อมต่อด้วยแสงนี้โดยทั่วไปใช้ในกระบวนการผลิตเส้นใยต่อเนื่องหรือฟิล์มบาง ในระดับเชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่ เทคนิคการเชื่อมต่อนี้เรียกว่าการเคลือบด้วยแสง (photoinitiated lamination) ซึ่งพื้นผิวที่ต้องการจะถูกเชื่อมต่อโดยการเชื่อมต่อเครือข่ายการยึดเกาะของพอลิเมอร์ระหว่างฟิล์มทั้งสอง การยึดเกาะและการดูดซับที่ต่ำของพอลิโอเลฟิน โพลีเอสเตอร์ และพอลิอะไมด์ได้รับการปรับปรุงโดยการฉายรังสี UV ไปยังตัวเริ่มต้นและโมโนเมอร์ที่ถ่ายโอนผ่านเฟสไอไปยังพื้นผิว การเพิ่มฟังก์ชันการทำงานให้กับพื้นผิวที่มีรูพรุนประสบความสำเร็จอย่างมากด้วยเทคนิคการเชื่อมต่อด้วยแสงที่อุณหภูมิสูง

ในชิปไมโครฟลูอิดิก การปรับแต่งช่องทางช่วยให้การไหลแบบกำหนดทิศทางสามารถรักษาพฤติกรรมแบบแผ่นระหว่างและภายในจุดเชื่อมต่อได้^{[ 6 ]}การไหลแบบปั่นป่วนที่ไม่พึงประสงค์ในการใช้งานไมโครฟลูอิดิกอาจทำให้โหมดความล้มเหลวของส่วนประกอบรุนแรงขึ้นเนื่องจากระดับการพึ่งพาซึ่งกันและกันของช่องทางและความซับซ้อนของเครือข่ายที่เพิ่มขึ้น นอกจากนี้ การออกแบบช่องไมโครฟลูอิดิกที่พิมพ์ไว้สามารถทำซ้ำได้สำหรับการปลูกถ่ายด้วยแสงของช่องทางที่เกี่ยวข้องด้วยความแม่นยำสูง^{[ 7 ]}

ในกระบวนการโคโรนาและพลาสมาในอุตสาหกรรม จำเป็นต้องมีวิธีการวิเคราะห์ที่มีประสิทธิภาพและรวดเร็วเพื่อยืนยันการทำงานของพื้นผิวที่เหมาะสมบนพื้นผิวที่กำหนด การวัดพลังงานพื้นผิวเป็นวิธีการทางอ้อมในการยืนยันการมีอยู่ของหมู่ฟังก์ชันบนพื้นผิวโดยไม่จำเป็นต้องใช้กล้องจุลทรรศน์หรือสเปกโทรสโกปี ซึ่งมักเป็นเครื่องมือที่มีราคาแพงและซับซ้อน การวัดมุมสัมผัส (โกนิโอเมตรี) สามารถใช้เพื่อหาพลังงานพื้นผิวของพื้นผิวที่ผ่านการบำบัดและไม่ได้ผ่านการบำบัด ความสัมพันธ์ของยัง (Young's relation) สามารถใช้เพื่อหาพลังงานพื้นผิวโดยสมมติว่าเงื่อนไขการทดลองง่ายขึ้นเป็นสมดุลสามเฟส (เช่น หยดของเหลวที่หยดลงบนพื้นผิวแข็งเรียบในบรรยากาศที่ควบคุมได้) ซึ่งจะได้ผลลัพธ์ดังนี้

${\displaystyle {\boldsymbol {\gamma }}_{SG}={\boldsymbol {\gamma }}_{SL}+{\boldsymbol {\gamma }}_{LG}~{\cos {{\boldsymbol {\theta }}_{c}}}}$

ที่ไหน

${\displaystyle {\boldสัญลักษณ์ {\gamma }__{ij}}$แสดงถึงพลังงานพื้นผิวของส่วนต่อประสานระหว่างของแข็งกับของเหลว ของเหลวกับก๊าซ หรือของแข็งกับก๊าซ

${\displaystyle {{\boldsymbol {\theta }}_{c}}}$คือมุมสัมผัสที่วัดได้

สามารถใช้สารละลายหลายชนิดที่มีแรงตึงผิวที่ทราบค่า (เช่น สารละลายไดน์) เพื่อประเมินพลังงานพื้นผิวของวัสดุพอลิเมอร์ในเชิงคุณภาพได้ โดยการสังเกตความสามารถในการเปียกของแต่ละสารละลาย วิธีการเหล่านี้สามารถนำไปใช้กับการออกซิเดชันของพื้นผิวในระดับมหภาค เช่น ในกระบวนการผลิตทางอุตสาหกรรม

ในกรณีของการบำบัดด้วยการออกซิไดซ์ สเปกตรัมที่ได้จากพื้นผิวที่ผ่านการบำบัดจะบ่งชี้ถึงการมีอยู่ของหมู่ฟังก์ชันในบริเวณคาร์บอนิลและไฮดรอกซิลตาม ตารางความสัมพันธ์ของสเปกโทรส โก ปีอินฟราเรด

X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS/EDX) are composition characterization techniques that use x-ray excitation of electrons to discrete energy levels to quantify chemical composition. These techniques provide characterization at surface depths of 1–10 nanometers, approximately the range of oxidation in plasma and corona treatments. In addition, these processes offer the benefit of characterizing microscopic variations in surface composition.

In the context of plasma processed polymer surfaces, oxidized surfaces will obviously show a greater oxygen content. Elemental analysis allows for quantitative data to be obtained and used in the analysis of process efficiency.

Atomic force microscopy (AFM), a type of scanning force microscopy, was developed for mapping three-dimensional topographical variations in atomic surfaces with high resolution (on the order of fraction of nanometers). AFM was developed to overcome the material conduction limitations of electron transmission and scanning microscopy methods (SEM & STM). Invented by Binnig, Quate, and Gerbe in 1985, atomic force microscopy uses laser beam deflection to measure the variations in atomic surfaces. The method does not rely on the variation in electron conduction through the material, as the scanning tunneling microscope (STM) does, and therefore allow microscopy on nearly all materials, including polymers.

The application of AFM on polymeric surfaces is especially favorable because polymer general lack of crystallinity leads to large variations in surface topography. Surface functionalization techniques such as grafting, corona treatment, and plasma processing increase the surface roughness greatly (compared to the unprocessed substrate surface) and are therefore accurately measured by AFM.^[8]

Biomaterial surfaces are often modified using light-activated mechanisms (such as photografting) to functionalize the surface without compromising bulk mechanical properties.

The modification of surfaces to keep polymers biologically inert has found wide uses in biomedical applications such as cardiovascular stents and in many skeletal prostheses. Functionalizing polymer surfaces can inhibit protein adsorption, which may otherwise initiate cellular interrogation upon the implant, a predominant failure mode of medical prostheses.

ข้อกำหนดด้านความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่เข้มงวดในอุตสาหกรรมการแพทย์ในช่วงสิบปีที่ผ่านมา ได้ผลักดันให้เทคนิคการปรับเปลี่ยนพื้นผิวไปสู่ระดับความแม่นยำที่ไม่เคยมีมาก่อน

ในการเคลือบแบบใช้น้ำ การกระจายตัวของพอลิเมอร์ในน้ำจะสร้างฟิล์มบนพื้นผิวเมื่อตัวทำละลายระเหยไป การปรับแต่งพื้นผิวของอนุภาคพอลิเมอร์เป็นองค์ประกอบสำคัญของสูตรการเคลือบที่ช่วยให้สามารถควบคุมคุณสมบัติต่างๆ เช่น การกระจายตัว อุณหภูมิการก่อตัวของฟิล์ม และคุณสมบัติทางรีโอโลยีของการเคลือบ สารช่วยกระจายตัวมักเกี่ยวข้องกับการผลักกันของอนุภาคพอลิเมอร์ด้วยแรงทางกายภาพหรือไฟฟ้าสถิต ทำให้เกิดความเสถียรของคอลลอยด์ สารช่วยกระจายตัวจะดูดซับ (เช่นในรูปแบบการปลูกถ่าย) บนอนุภาคลาเท็กซ์ ทำให้มีคุณสมบัติเฉพาะ การรวมตัวของสารเติมแต่งอื่นๆ เช่น สารเพิ่มความหนืดที่แสดงในแผนภาพด้านขวา กับวัสดุพอลิเมอร์ที่ดูดซับ ทำให้เกิดพฤติกรรมทางรีโอโลยีที่ซับซ้อนและการควบคุมคุณสมบัติการไหลของการเคลือบได้อย่างยอดเยี่ยม^{[ 12 ]}

• การปรับเปลี่ยนพื้นผิว
• วิศวกรรมพื้นผิว
• ไทรโบโลยี