رسوب‌دهی یا انباشت فیزیکی بخار

نویسنده : بیتا نوری – دانشجوی دکتری مهندسی شیمی نساجی – دانشگاه امیر کبیر 

رسوب‌دهی یا انباشت فیزیکی بخار (PVD)، به‌عنوان یک روش سازگار با محیط‌زیست به‌منظور عمل آوردن منسوجات مورداستفاده قرار می‌گیرد. در این مقاله به اصول اساسی و پایه‌ای روش PVD و معرفی انواع روش‌های آن و برخی تحقیقات انجام‌شده درزمینه عمل‌آوری کالای نساجی به روش رسوب­دهی فیزیکی بخار پرداخته‌شده است. منسوجات عمل‌آمده توسط این روش بسته به نوع فرآیند رسوب­دهی، خواص متفاوت نوری، الکترونیکی، مکانیکی، شیمیایی و زیست سازگاری دارند.

۱-اساس روش رسوب­دهی فیزیکی بخار

PVD یک فرایند پوشش دهی تبخیری است که شامل تبدیل اتم به اتم یا مولکول به مولکول ماده از فاز جامد به فاز بخار و سپس تشکیل لایه‌ای بر روی سطح کالا است. به‌عبارت‌دیگر، فرایندی است که در آن ماده از فاز جامد یا مایع به فاز بخار تبدیل می‌شود و سپس مجدداً به‌صورت یک ‌لایه نازک در فاز جامد یا مایع بر روی سطح انباشته می‌شود. این روش یکی از رایج‌ترین روش‌ها در تشکیل فیلم بر روی سطوح مختلف است. در شکل ۱ تصویر شماتیک دستگاه رسوب­دهی فیزیکی بخار را مشاهده می‌کنید.

 

۲-انواع روش‌های رسوب‌دهی فیزیکی بخار

فرایندهای مختلفی زیرمجموعه روش PVD به‌حساب می‌آیند. فرایندهای کاشت یون، تبخیری و کندوپاش ازجمله مهم‌ترین آن‌ها محسوب می‌شوند.

۲-۱ کاشت یون

کاشت یون یک فرآیند اصلاح سطح می باشد که در آن یون های یک ماده بر روی سطح ماده‌ی دیگری می‌نشینند؛ و موجب ایجاد تغییرات فیزیکی و شیمیایی می‌شوند. این روش شامل یک منبع یونی، یک کاتالیزور و سطح هدف است. انرژی یون‌ها، کاربرد و عمق عبور یون‌ها از جسم را تعیین می‌کنند. این روش به‌طور عمده‌ای در اجسام نیمه‌هادی و صنایع مکانیکی استفاده می‌شوند.

۲-۲ فرایند تبخیری تحت خلأ

این روش یکی از رایج‌ترین روش‌ها در تشکیل فیلم بر روی سطوح مختلف می باشد. در این سیستم از خلأ استفاده می‌شود تا اجزاء بخار به‌طور مستقیم بر روی سطح جمع شوند و سپس به‌صورت جامد درآیند و فیلمی نازک را تشکیل دهند. در این سیستم از خلأ استفاده می‌شود تا اجزاء بخار ماده موردنظر به‌طور مستقیم بر روی سطح جمع شوند، سپس به‌صورت جامد درآمده و لایه‌ای نازک را تشکیل دهند. این فرآیند شامل دو مرحله‌ی اصلی تبخیر ماده‌ی پوشش‌دهنده و متراکم شدن بر روی سطح است.

در روش تبخیری تحت خلأ بالا از گرمای الکتریکی یا پرتو الکترونی به‌منظور ذوب کردن یا تبدیل ماده پوشش‌دهنده به بخار و گاز استفاده می‌شود. سپس بخار ماده به سطح جسم مهاجرت می‌کند و با سرد شدن تدریجی، لایه‌ی نازک باکیفیتی را تشکیل می‌دهد. از خلأ به‌منظور جلوگیری از برخورد ذرات بخار با گاز پس‌زمینه یا ذرات ناخواسته دیگر استفاده می‌شود.

VET برای تشکیل فیلم‌های کاربردی – مانند آن دسته از فیلم‌هایی که مقاومت بالایی در برابر حرارت، اکسید و احیا شدن دارند و خواص رسانندگی، نفوذپذیری و عایق‌بندی را بر روی سطوح مختلف ارتقاء می‌دهند -استفاده می‌شود.این روش معایبی نیز همچون قدرت پیوند کم بین ماده پوشش‌دهنده با سطح دارد.

۲-۳ کندوپاش

روش کندوپاش یکی از مهم‌ترین روش‌ها در تکنولوژی PVD می باشد که در اواخر دهه‌ی ۱۹۷۰ توسعه پیدا کرد و به‌طور گسترده‌ای در بیشتر صنایع برای ایجاد تغییرات سطحی مورداستفاده قرار گرفت.

این روش شامل فرایندی است که در آن اتم‌ها از ماده‌ی جامد هدف به علت بمباران آن توسط یون های پرانرژی جدا می‌شوند. این اتم‌ها یا مولکول‌های خارج‌شده انرژی جنبشی و سمت‌وسوی معینی دارند که موجب می‌شود بر روی سطح ماده جمع شوند و سپس فیلم نازکی را تشکیل دهند.نرخ ترک کردن ماده‌ی پوشش‌دهنده از سطح هدف به تعداد یون های بمباران کننده‌ی سطح بستگی دارد. همچنین برای حصول نرخ بالای تشکیل فیلم، افزایش چگالی پلاسما در مقابل منبع کندو پاش مطلوب است. استفاده از این روش بدون پلاسما دارای معایبی مانند نرخ پایین تشکیل فیلم و راندمان کم یونیزه شدن است. این محدودیت‌ها منجر به توسعه‌ی روش کندوپاش مغناطیسی شده است. در این روش با قرار دادن آهن‌رباهای موازی در مجاورت سطح هدف، موجب محدود شدن حرکت الکترون‌های خارج‌شده توسط بمباران یونی از سطح، در نزدیکی آن می‌شود. با افزایش شدت میدان مغناطیسی، جریان یونی نیز بیشتر از سیستم‌های کندوپاش دیودی معمولی افزایش می‌یابد و منجر به نرخ بالاتر تشکیل فیلم در فشار کم‌تر می‌شود.

شکل ۲ تصویری شماتیک از تکنیک کندو پاش مغناطیسی را نشان می‌دهد.

 

تکنیک‌های کندوپاش را به‌طورکلی با توجه به کاربرد آن‌ها به گروه‌های مختلف می‌توان تقسیم‌بندی کرد. تکنیک‌ها شامل جریان مستقیم DC، فرکانس رادیویی (RF)، واکنشی و کند پاش مغناطیسی می‌باشند.

کندوپاش جریان مستقیم معمولاً برای هدف‌های فلزی به‌کاربرده می‌شود. فرکانس رادیویی، به‌منظور جلوگیری از تجمع بار الکتریکی بر روی سطوح نیمه‌رسانا و یا هنگامی‌که سطح هدف عایق است، استفاده می‌شود. در کندو پاش مغناطیسی از میدان‌های قوی الکتریکی و مغناطیسی به‌منظور حبس الکترون‌ها در نزدیکی سطح هدف استفاده می‌گردد.

آرگون که گازی بی‌اثر است معمولاً به‌عنوان گاز بمباران کننده در پروسه‌ی کندوپاش مورداستفاده قرار می‌گیرد. درروش کندوپاش واکنشی، لایه‌ی تشکیل‌شده نتیجه‌ی واکنش شیمیایی بین فلز هدف و گاز واکنشی است که وارد راکتور شده است. در این روش که کاربردهای الکترونیکی دارد، از گازهایی مانند ‏O_۲‎، ‏ N_۲‎و ‏H_۲S‏ استفاده می‎شود]۱[.

۳-برخی تحقیقات انجام‌شده درزمینه عمل‌آوری منسوجات به روش PVD

تشکیل فیلم‌هایی نازک بر روی سطوح انعطاف‌پذیر به روش کندوپاش توجه زیادی را در دهه‌های اخیر به خود جلب کرده است. در مقایسه با روش‌های دیگر تشکیل فیلم، مهم‌ترین مزیت روش کندوپاش در این است که حتی موادی با بالاترین دمای ذوب به‌راحتی می‌توانند مورداستفاده قرار گیرند. فیلم تشکیل‌شده به روش کندوپاش نسبت به روش تبخیری چسبندگی بیشتری بر روی سطح دارد و ضخامت فیلم با ثابت کردن پارامترهای فرآیند و تنظیم زمان به‌راحتی قابل‌کنترل است ]۶[

Wei و همکارانش بر روی مورفولوژی سطح و رفتار رطوبتی الیاف پلی‌استر پوشش داده‌شده با استفاده از روش کندوپاش نقره تحقیق کردند.

این گروه تحقیقاتی مطالعات بیشتری را نیز بر روی منسوجات بی بافت پلی‌پروپیلن با استفاده از کندوپاش نقره و مس انجام دادند. پوشش دهی به روش کندوپاش با ترکیبات مس و نقره به‌طور محسوسی عبور اشعه ماوراءبنفش و مرئی را کاهش می‌دهد. همچنین با افزایش ضخامت فیلم این میزان انتقال کاهش بیشتری میابد. خواص آنتی باکتریال منسوجات عمل‌آمده با نقره توسط این روش نیز موردبررسی قرارگرفته است.

در شکل ۳ مشاهده می‌شود که بعد از پوشش دهی به روش کندوپاش، ذرات نقره بر روی سطح الیاف پخش‌شده‌اند.

نتایج نشان داد که نمونه‌های پلی‌پروپیلن پوشش داده‌شده با نقره در برابر تست هر دو باکتری staphylococcus aureus و Escherichia coli بسیار مؤثرتر بوده‌اند. نتایج آزمایشگاهی همچنین نشان‌دهنده بهبود چشمگیر خاصیت ضد باکتریایی با افزایش ضخامت فیلم است. با افزایش ضخامت فیلم نقره، میزان پوشش دهی فیلم نیز افزایش میابد، متعاقباً نرخ آزادسازی یون های نقره نیز افزایش میابد و این امر منجر به افزایش خاصیت ضد باکتریایی نمونه‌ها می‌شود.

آزمون محافظت از تداخل امواج الکترومغناطیسی EMI، بر روی منسوج بی بافت پلی‌پروپیلن عمل‌آمده با نقره به روش کندوپاش در شکل ۴ قابل‌مشاهده است. مشخص است که با افزایش ضخامت فیلم بهبود خاصیت محافظتی از تداخل امواج الکترومغناطیسی حاصل گشته است.

تشکیل لایه مس بر روی منسوجات بی بافت پلی‌پروپیلن با قطرهای متفاوت الیاف به روش کندوپاش توسط Wang و همکارانش موردبررسی قرار گرفت. پوشش مس به روش DC انجام شد. نتایج اندازه‌گیری مقاومت الکتریکی، کاهش چشمگیر مقاومت سطح را برای تمامی نمونه‌ها بعد از عملیات کندوپاش نشان می‌دهد ]۹.[

فیلم‌های آلومینیوم بر روی منسوجات بی بافت پلی‌استر نیز توسط Deng و همکارانش موردبررسی قرار گرفت و تغییرات در مورفولوژی سطح توسط آنالیز AFM مشاهده شد. به وجود آمدن لایه‌ای از فیلم آلومینیوم توسط EDX نصب‌شده بر روی میکروسکوپ الکترونی روبشی نیز مورد تائید قرار گرفت. مشخص شد که مقاومت الکتریکی منسوج بی بافت پوشش داده‌شده با آلومینیوم به روش کندوپاش به‌طور چشمگیری کاهش‌یافته است.

SCHOLZ و همکاران لایه‌ای از فلزات گران‌بها نقره، مس، طلا، پلاتین و پلاتین / رودیوم را بر روی پارچه‌های SiO_۲ و توسط کندو پاش مغناطیسی DC به وجود آوردند. ضخامت لایه به‌دست‌آمده در حدود ۳۰۰ نانومتر بود. خواص ضد باکتریایی پارچه پوشش داده‌شده با توجه به استانداردهای مناسب مورد آزمایش قرار گرفت. نتایج تجربی نشان داد که مس در برابر باکتری‌ها و قارچ‌ها مؤثر بوده است. نقره نیز در برابر باکتری‌ها مؤثر بوده، اما تأثیرش در برابر قارچ به نظر می‌رسد که محدودتر بوده است. فلزات دیگری که مورد آزمایش قرار گرفتند هیچ‌گونه بهبودی را در خاصیت ضد باکتریایی به همراه نداشته‌اند.

رسوب مواد پلیمری توسط روش کندوپاش RF به فناوری امیدوارکننده‌ای در بسیاری از صنایع تبدیل‌شده است.

پوشش PTFE بر روی سطوح منسوجات توسط محققین بررسی‌شده است. Huang و همکاران عمل آوردن پارچه ابریشمی توسط کندوپاش مغناطیسی PTFE را بررسی کردند. پوشش PTFE به منظور بهبود خواص آب‌گریز پارچه ابریشم مورداستفاده قرار گرفت.

طیف گسترده‌ای از فیلم‌های اکسید فلزی می‌توانند به روش کندوپاش تشکیل شوند، مانند تیتانیوم دی‌اکسید، اکسید روی، ایندیم-دوپ اکسید قلع و آلومینیوم- دوپ اکسید روی.

Xu و همکاران از روش کندوپاش مغناطیسی برای تشکیل فیلمی از نانو ذرات TiO_۲ بر روی پارچه‌ی پنبه‌ای تاری پودی و پلی‌استر حلقوی در دمای اتاق استفاده کردند و خواص فوتوکاتالیستی را موردبررسی قراردادند. نتایج نشان داد که پارچه با پوشش فیلم TiO_۲ درصد تجزیه مطلوبی از متیلن بلو را به‌عنوان آلاینده آلی از خود نشان می‌دهد. همچنین مشخص شد که پارچه پنبه عمل‌آمده، خواص فوتوکاتالیستی بهتری نسبت به پارچه PET از خود نشان می‌دهد. وجود گروه‌های آب‌دوست در الیاف پنبه پوشش داده‌شده با TiO_۲ موجب افزایش میزان رادیکال‌های آزاد اکسیژن و هیدروژن و یون های اکسیژن منفی می‌شود که نقش مهمی در فرآیند فوتوکاتالیستی TiO2 ایفا می‌کند. نتایج تجربی نیز نشان داد که TiO_۲ به‌راحتی توسط اشعه UV در طول‌موج زیر ۴۰۰ نانومتر فعال می‌شود.

فیلم کامپوزیت TiO_۲/Ag به دو روش‌های کندوپاش مغناطیسی DC و RC بر روی سطح کالای پلی‌استر به‌منظور بررسی خواص فوتوکاتالیستی، توسط Yuan و همکارانش موردبررسی قرار گرفت. همچنین تهیه فیلم TiO_۲ نیز به دو روش صورت گرفت. درروش اول لایه‌ای از Ti به روش کندوپاش DC تشکیل شد و سپس به‌منظور تبدیل‌شدن به فیلم TiO_۲ در معرض هوا قرار گرفت. درروش دوم به‌طور مستقیم فیلم TiO2 به روش کندوپاش واکنشی RF تشکیل شد.

۴-آینده پیش رو

از منسوجات به‌طور روزافزونی در صنایع مختلفی از خودروسازی تا هوافضا استفاده می‌شود. برای بسیاری از این کاربردها تولید منسوجات با خواص سطحی خاص مطلوب است.

پوشش دهی به روش کندوپاش یک فنّاوری امیدوارکننده برای عمل آوردن سطوح منسوجات است. این روش مزایای بیشتری را نسبت به فنّاوری‌های دیگر پیشنهاد می‌کند. ازجمله ویژگی‌های برجسته این روش می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.

• امکان استفاده از طیف گسترده‌ای از مواد به‌عنوان ماده پوشش‌دهنده
• امکان تشکیل فیلم در دمای پایین برای الیاف پلیمری
• چسبندگی بالای فیلم با سطح منسوج
• امکان ترکیب مواد مختلف برای تشکیل فیلم

 

منابع

[۱] WEI, Q., (2009), Surface modification of textiles, Elsevier.

[۲] WONG, K., ZINKE-ALLMANG, M., AND WAN, W., (2006), ‘N+ surface doping on nanoscale polymer fabrics via ion implantation’, Nuclear Instruments and Methods.

[۳] JANKOWSKI, A., AND HAYES, J., (2004), ‘The evaporative deposition of aluminum coatings and shapes with grain size control’, Thin Solid Films, 447–۴۴۸, ۵۶۸–۵۷۴, doi: 10.1016/ j.tsf.2003.07.018.

[۴] KUNIAKI, T., MAO, K., AND HIROAKI, U., (2000), ‘Preparation of ITO electrode on the organic layer by sputtering’, Electronics and Communications in Japan, 83, 23–۳۰.

[۵] OHRING, M., (2002), Materials Science of Thin Films, Academic Press, Oxford, UK.

[۶] WILMERT, D. B., AND HUGO, L., (1999), ‘Advances in magnetron sputter sources’, Thin Solid Films, 351,15–۲۰, doi: 10.1016/S0040-6090(99)00149-2

[۷] WEI, Q. F., WANG, X. Q., AND GAO, W. D., (2004), ‘AFM and ESEM characterization of functionally nanostructured fibers’, Applied Surface Science, 236, 456–۴۶۰, doi: 10.1016/ j.apsusc.2004.05.094.

[۸] WEI, Q. F., WANG, Y. Y., WANG, X. Q., AND HUANG, F. L., (2007a), ‘Surface nanostructure evolution of functionalized polypropylene fibers’, Journal of Applied Polymer Science, 106, 1043–۱۲۴۷, doi: 10.1002/app.25401.

[۹] WEI, Q. F., WANG, Y. Y., WANG, X. Q. AND HUANG, F. L., (2007a), ‘Surface nanostructure evolution of functionalized polypropylene fibers’, Journal of Applied Polymer Science, 106, 1043–۱۲۴۷, doi: 10.1002/app.25401.

[۱۰] DENG, B. Y., WEI, Q. F., GAO, W. D. AND YAN, X., (2007a), ‘Surface functionalization of nonwovens by aluminum sputter coating’, Fibers & Textiles in Eastern Europe, 15(4), 90–۹۲.

[۱۱] SCHOLZ, J., NOCKE, G., AND HOLLSTEIN, F., (2005), ‘Investigations on fabrics coated with precious metals using the magnetron sputter technique with regard to their anti-microbial properties’, Surface and Coatings Technology, 192, 252–۲۵۶, doi: 10.1016/ j.surfcoat.2004.05.036.

[۱۲] HUANG, F. L, WEI, Q. F., LIU, Y., GAO, W. D., AND HUANG, Y. B., (2007), ‘Surface functionalization of silk fabric by PTFE sputter coating’, Journal of Materials Science, 42, 8025–۸۰۲۸, doi: 10.1007/s10853-007-1580-3.

[۱۳] XU, Y., WEI, Q. F., WANG, Y. Y., AND HUANG L., (2007), ‘Preparation of TiO2 coated on fabrics and their photocatalytic reactivity’, Journal of Donghua University, 24, 333–۳۳۶.

[۱۴] Yuan, X., Liang, S., Wei, Q., Huang, Z., & Chen, D., (2020), Photocatalytic property of polyester fabrics coated with Ag/TiO2 composite films by magnetron sputtering. Vacuum, ۱۷۲, ۱۰۹۱۰۳.

[۱] Physical vapor deposition

[۲] Ion implantation

[۳] Target

[۴] Vacuum evaporation

[۵]Vacuum evaporation technology

[۶] Sputtering

[۷] Magnetron sputtering

[۸] Reactive

[۹] Electromagnetic interference

[۱۰] Deng

[۱۱] Scholz