Chyba każdy z nas trzymał w ręku tzw. patelnię z teflonu. Oczywiście wiemy, że jest ona pokryta tylko syntetycznym polimerem o handlowej nazwie "Teflon". I właśnie ten przykład pokazuje jak ważna jest rola powłok w codziennym życiu.
Polytetrafluoroethylene (w skrócie PTFE) jest syntetycznym polimerem tetraflouroetylenowym, szerzej znanym pod marką Teflon, której właścicielem jest od roku 1945, firma DuPont. PTFE został przypadkowo wynaleziony przez Roy'a Plunkett'a z firmy Kinetic Chemicals w New Jersey w 1938 roku, przy okazji prac doświadczalnych nad freonem, zaś w roku 1954, francuski inżynier Marc Gregoire, wytworzył pierwszą patelnię pokrytą teflonem o nazwie Tefal.
Dlaczego teflon zrobił tak oszałamiającą karierę? Bo do patelni pokrytej teflonem po prostu nic nie przywiera. Ułatwia to życie, prawda? A wyjaśnienie tkwi w budowie cząsteczki PTFE. To długie łańcuchy atomów węgla związanych z atomami fluoru, których wiązanie jest tak mocne, że nie pozwala już na wiązanie się z innymi atomami.
Dzisiaj inżynierią powierzchni zajmują się doskonali, wyspecjalizowani naukowcy a nauka o powłokach ma związek praktycznie z każdą gałęzią przemysłu. Nie omija również branży tworzyw sztucznych, gdyż z jednej strony, pokrywamy powłokami narzędzia do przetwórstwa TS, a z drugiej pokrywamy same tworzywa sztuczne. No i nie zapominajmy, że same tworzywa również doskonale sprawdzają się jako powłoki (vide: teflon).
Współczesny przemysł stawia materiałom polimerowym wysokie wymagania dotyczące właściwości mechanicznych i tribologicznych. W związku z tym, że dotychczas stosowane tworzywa sztuczne często nie spełniały oczekiwań rynku, podjęto próby kształtowania ich własności użytkowych poprzez wykorzystanie metod inżynierii powierzchni, w tym formowania warstw wierzchnich i powłok, umożliwiających zwiększenie niezawodności oraz trwałości eksploatacyjnej.
- Powłoki w przetwórstwie tworzyw sztucznych spełniają bardzo wiele funkcji. Jeśli chodzi o ich właściwości funkcjonalne to, w zależności od zastosowania, musimy szukać tego co jest nam potrzebne - mówi profesor Monika Madej z Politechniki Świętokrzyskiej.
Dr hab. inż., prof. Politechniki Świętokrzyskiej, Monika Madej jest cenionym naukowcem, ekspertem w dziedzinie tribologii, inżynierii powierzchni oraz eksploatacji systemów i biomechaniki. Specjalizuje się w obszarze fizycznego i chemicznego osadzania z fazy gazowej, PVD i CVD, w celu poprawy właściwości warstw wierzchnich i powłok podczas eksploatacji systemów tribologicznych.
Pani profesor Madej jest autorką licznych publikacji naukowych i kierownikiem projektów badawczych z zakresu funkcjonowania warstw wierzchnich i powłok oraz ich oddziaływań ze środkami smarowymi podczas eksploatacji systemów tribologicznych.
Istnieje wiele technik osadzania i odmian materiałów stosowanych na powłoki funkcjonalne oferowanych przez ośrodki naukowo-badawcze i przemysłowe, zarówno w Polsce jak i za granicą.
Do wytwarzania cienkich powłok stosuje się metody: osadzania warstw atomowych (ALD), chemicznego i fizycznego osadzania z fazy gazowej (odpowiednio CVD i PVD) oraz ich pochodnych. W większości są one dedykowane podłożom metalicznym, ze względu na wysoką temperaturę ich osadzania.
W ostatnich latach rozwój nowoczesnych technologii pozwolił na obniżenie temperatury osadzania powłok do temperatury otoczenia, co umożliwia zastosowanie technologii także w odniesieniu do tworzyw sztucznych. Powierzchnia elementów polimerowych z powłokami charakteryzuje się właściwościami osadzanych metali, związków metali lub ceramiki takich jak: twardość, antybakteryjność i fungistatyczność, odporność na zużycie przez tarcie i korozję, przewodnictwo elektryczne i cieplne.
- W tej chwili głównie wykorzystywane są techniki chemicznego i fizycznego osadzania z fazy gazowej, często wspomagane plazmą w celu obniżenia temperatury ale od kilku lat coraz częściej stosuje się powłoki ALD (Atomic Layer Deposition) uzyskiwane techniką osadzania warstw atomowych. Te powłoki są bardzo cienkie, bo jesteśmy w stanie osadzać powłoki od kilku nanometrów to kilkuset nanometrów, a zatem są one wręcz niewidoczne a tworzą bardzo dobrą barierę, zarówno dla wilgoci jak i drobnoustrojów - wyjaśnia profesor Monika Madej.
Powłoki w przemyśle narzędziowym i przetwórstwie tworzyw sztucznych charakteryzują nie tylko doskonałe właściwości mechaniczne (wysoka twardość, odporność na ścieranie, wysoka adhezja), ale również stabilność chemiczna. Posiadanie tych cech pozwala na stosowanie ich w systemach tribologicznych, w których wymagany jest niski współczynnik tarcia oraz duża odporność na zużycie przez tarcie m.in. w przemyśle samochodowym, elektronicznym, lotniczym oraz medycynie. Zaletą jest również fakt, że nie zwiększają one wymiarów pokrywanego detalu - grubość osadzanych warstw waha się od kilku nanometrów do kilku mikrometrów. Powłoki stanowią bardzo skuteczne zabezpieczenie antykorozyjne, mają dobre właściwości izolacyjne i ślizgowe, a także w wielu przypadkach dekoracyjne. Opracowanie technologii nanoszenia powłok ochronnych pozwala rozwiązać cały szereg problemów technicznych i uzyskać znaczne oszczędności materiałowe i ekonomiczne, z jednoczesnym uwzględnieniem działań proekologicznych.
Zastosowanie nowoczesnych technik wytwarzania powłok pozwala na uzyskanie powierzchni o lepszych właściwościach użytkowych, co przekłada się na wydłużenie czasu pracy systemów oraz zwiększenie trwałości eksploatacyjnej.
