Metody stanovení povrchových energií tenkých vrstev na polymerních substrátech

Abstract

Článek shrnuje výsledky studia povrchových energií tenkých vrstev nanesených na polymerních substrátech ? polotovarech pro výrobu brýlových čoček (CR39 a Trivex). Stanovení povrchových energií probíhalo na základě měření statického kontaktního úhlu smáčení metodou sedící kapky, za použití vody, glycerolu, ethylenglykolu a diiodomethanu jako testovacích kapalin. Byly použity různé modely pro výpočet povrchových energií: Wu, Owens-Wendt-Rabel-Kaelble, van Oss a Stavová rovnice. Byly porovnávány vzorky s povrchovou úpravou, i surové substráty bez modifikací. Z analýzy získaných hodnot plyne, že stanovení povrchové energie tuhé látky není triviální záležitostí. Při výběru nevhodné metody nebo kombinace testovacích kapalin se může výsledek lišit až o stovky procent; roli můžou hrát i výpočetní algoritmy použitého software. U surových vzorků CR39 a Trivex byly zjištěny hodnoty povrchových energií podobné jako u standardních polymerů (35 ? 45 mJ/m2), u modifikovaných vzorků se povrchová energie pohybovala v rozmezí 10 ? 14 mJ/m2. S tím koresponduje zvýšení hodnoty kontaktních úhlů o 50 ? 100 %, podle použité testovací kapaliny. Jako nejvhodnější metoda pro stanovení povrchové energie hydrofobních povrchů (pokud je předmětem zájmu i disperzní a polární složka této veličiny) se ukázala grafická podoba metody Owens-Wendt-Rabel-Kaelble, jako nejvhodnější sestava testovacích kapalin pak voda-ethylenglykol-glycerol. Pomocí metody AFM bylo ověřeno, že rozdíly v povrchových vlastnostech mezi modifikovaným a nemodifikovaným materiálem jsou způsobeny chemickým složením tenké vrstvy a nikoliv její morfologií.

Presented work summarises results of the study focused on determining surface free energies of thin layers deposited on polymeric substrates ? semi products for glass lenses manufacturing (CR39 and Trivex). Surface free energy determination was based on sessile drop contact angle measurement, with water, glycerol, ethyleneglycol and diiodomethane used as testing liquids. Standard mathematical approaches were used: Wu, Owens-Wendt-Rabel-Kaelble, van Oss and Equation of state. Substrates with deposited thin layer and virgin samples were compared. Analysis of acquired data revealed that surface free energy determination is a nontrivial task. When unsuitable method or improper set of testing liquids is utilised, the results may vary in hundreds of percent. Computational algorithms of various software programs can also play significant role. Untreated CR39 and Trivex substrates showed surface energies similar to those for standard polymers (35 ? 45 mJ/m2), whereas treated materials had surface energies in the range from 10 to 14 mJ/m2. This corresponds with the increase of contact angle at treated materials in the range from 50 to 100 %, according to used testing liquid. The most suitable approach of surface energy calculation for hydrophobic substrates seems to be the graphical interpretation of the Owens-Wendt-Rabel-Kaelble method, with water-glycerol and ethyleneglycol as the advisable set of testing liquids. Atomic force microscopy confirmed that the variances between modified and virgin substrates are due to the chemical composition of deposited layer, rather than to its morphology.