Rivestimenti organici ed inorganici su substrati polimerici e metallici : analisi delle problematiche di accoppiamento all'interfaccia, individuazione di indici prestazionali e messa a punto di metodologie per la loro misura

Abstract

Durante l’attività di dottorato sono stati studiati due indici prestazionali fondamentali per la caratterizzazione delle superfici, al fine di valutare i fenomeni adesivi: la bagnabilità e l’energia superficiale. La metodologia classica per calcolare questi due indici, si basa sulla misura dell’angolo di contatto di opportuni liquidi applicati sulla superficie del materiale. Il valore di energia superficiale, misurato sperimentalmente, è tipicamente funzione sia dello stato chimico, sia della rugosità del materiale ed è per questo motivo che per aumentare tale indice prestazionale si cerca di modificare opportunamente questi due parametri. In questa attività di dottorato è stato affrontato in particolare lo studio dei fenomeni adesivi su componenti polimerici poiché, allo stato dell’arte, il problema della giunzione polimero-polimero, polimero-metallo, adesione di rivestimenti polimerici su metallo o adesione di coatings su substrati polimerici, è ancora aperto. L’attività è stata focalizzata inizialmente sullo studio delle modifiche apportate da trattamenti fisici quali il flame treatment, su differenti materiali polimerici per incrementare i bassi valori di questi due indici prestazionali. Attraverso una opportuna pianificazione degli esperimenti (tecniche DoE) ed una analisi multivariata, è stato possibile identificare il set di parametri di processo che maggiormente influenzano il trattamento ed i loro valori ottimali che massimizzano la bagnabilità e l’ energia superficiale. Successivamente, attraverso tecniche FIB, TEM ed XPS, è stata effettuata una completa caratterizzazione morfologica, microstrutturale e compositiva della superficie del campione attivato con i parametri ottimizzati, identificando il reale spessore dello strato ossidato a seguito del trattamento. Da questa attività è emerso che la modifica morfologica rappresenta un fattore molto significativo sul valore dell’energia superficiale e sulla bagnabilità rispetto alla variazione dello stato chimico. Sulla base di queste osservazioni, è stato effettuato uno studio sulle differenti tecniche per determinare una modifica superficiale senza alterare lo stato chimico, in modo tale da ottenere una superficie a rugosità controllata a livello micro e nanometrico. Infatti modificando opportunamente la morfologia della superficie è possibile ottenere proprietà estreme di idrofilia o idrofobia adatte a differenti applicazioni industriali. Da questo studio e dallo sviluppo di dispositivi sempre più piccoli, quali ad esempio gli stent per applicazioni biomedicali, è nata l’esigenza di studiare metodi che consentissero di valutare l’energia superficiale su piccole aree. In questo ambito, allo stato attuale, sono presenti solo metodologie di misura dell’energia superficiale su piccole aree che impiegano la microscopia a forza atomica o tecniche di nanoindentazione che prevedono la misura della forza di estrazione della punta o indenter, dal materiale (forza di pull-off o forza di adesione). Il limite di queste tecniche comporta che il valore misurato è relativoalla energia superficiale intrinseca del materiale poichè non tiene conto della morfologia originaria della superficie. Sulla base dei limiti riscontrati, è stato sviluppato un modello del tutto originale che si basa su misure con tecniche di tipo nanoindentazione o microscopia a forza atomica che permette di determinare l’energia superficiale a livello submicrometrico senza alterare le superfici dei materiali. Al fine di valutarne l’affidabilità, la sensibilità e la riproducibilità, questo modello è stato opportunamente testato e validato su differenti materiali. Attraverso questo modello, applicato sia all’ AFM che al nanoindentatore, insieme con il classico misuratore dell’angolo di contatto, è possibile effettuare analisi multiscala (macro, micro e nano) di energia superficiale, ampliando la conoscenza della fenomenologia che regola questo indice prestazionale relativo ai fenomeni adesivi