Plasma-chemical modifications of polymeric materials

Mgr. David Pavliňák, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Tato práce se zabývá studiem modifikace polymerních materiálů pomocí plazmatu generovaného za atmosférického tlaku. Byly zpracovány tři případové studie, každá z nich se pak zabývá plazmo-chemickými úpravami na polymerů z jiného úhlu. První část je soustředěna na ošetření polymerních materiálů pomocí povrchového dielektrického výboje generovaného z kapalné elektrody. Tato práce popisuje výboj, který je vhodný pro ošetřování elektricky nevodivých dutých těles (jako jsou trubičky, hadičky a nádoby) a to jak z vnější, tak z vnitřní strany tělesa. Experiment s využitím PTFE trubiček zahrnoval provedené studie zabývající se charakterizací výboje, materiálových změn ošetřeného polymeru a studii stárnutí materiálu po ošetření. Tyto studie byly vypracovány s ohledem na potenciální využití v průmyslu. Druhá část je věnována plazmo-chemickým oxidačním procesům celulózy pro biomedicínské účely. Pomocí radiofrekvenční plazmové trysky bylo v kapalném médiu vygenerováno reaktivní prostředí, jež následně způsobilo oxidaci dispergované mikrokrystalické celulózy. Získaný materiál byl pomocí ATR-FTIR spektroskopie charakterizován jako 6-karboxycelulóza, která je dobře známá v chirurgické a regenerativní medicíně jako lokální hemostatikum s baktericidními účinky. Unikátní baktericidní vlastnosti byly posléze studovány na kmenu bakterie E.coli pomocí metody chemické bioluminiscence. Poslední praktickou částí byla studie řešící ošetření nanovláken vyrobených z polyamidu 6, pomocí mikrovlnné plazmové trysky. Ošetření nanovláken pomocí plazmatu se ukázalo jako vhodná metoda pro potenciální produkci mechanicky odolných filtračních materiálů s možností kontroly pórovitosti. Tato technika se ukázala být vhodná i pro chemickou modifikaci jednotlivých vláken a tím optimalizovat některé jejich vlastnosti pro případné průmyslové aplikace. Jednotícím rysem všech výše zmíněných studií byla snaha demonstrovat výhody výbojů v plazmatu, jako postupů schopných řešit současné technologické problémy na poli modifikací povrchů polymerních materiálů i polymerů samotných.

Abstract:

This thesis is dedicated to the study of modification of polymeric materials in plasma generated at atmospheric pressure. The experimental part is divided into three chapters, each of which examines issues of plasma-chemical treatment of polymeric materials from different perspective. The first experimental part is focused on plasma treatment of polymeric materials by surface dielectric barrier discharge generated from the liquid electrode. The novel invention of the work described in this chapter is the plasma discharge application on the internal and/or external surface of a hollow electrically non-conductive bodies (e.g. the tubes, hoses, containers). A brief experiment on PTFE tubes including the plasma diagnostics, study of material treatment and ageing effect examination were outlined with regard to a possible industrial applications. The second part is dedicated to plasma-chemical oxidation of pure microcrystalline cellulose for biomedical application. Using the radiofrequency plasma jet in liquids we generated the highly reactive species, responsible for the oxidation of dispersed microcrystalline cellulose. This inventive chemical process led to 6-carboxycellulose, which is known as an efficient local hemostatic and bactericidal agent in the field of surgery and regenerative medicine. The chemical structure was proven by ATR-FTIR spectroscopy. The unique bactericidal effect was studied on E.coli strain by method of chemical bioluminescence. The last experimental part describes the treatment of polyamide 6 nanofibers by microwave plasma torch. The effects of plasma treatment of PA6 mats seem to be a suitable method to produce mechanically stabilized nanofibrous filters with controllable pore size. Moreover, this technique is able to chemically modify the fibers, and to optimize the properties of nanofibrous materials for a given application. A common feature for all above mentioned studies was to show advantages of plasma discharge as an effective means for current technical problems in the field of polymeric surface treatment.

Keywords

atmospheric plasma discharge, polymers, plasma treatment, výboje za atmosférického tlaku, polymery, plazmové úpravy

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 13. 11. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 14. 12. 2015
• Supervisor: RNDr. Milan Alberti, CSc.
• Reader: doc. RNDr. Anna Zahoranová, Ph.D., Ing. Vladimír Špaček, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics (4-years) / Plasma Physics