Apesar das inúmeras aplicações práticas já conhecidas dos materiais poliméricos devido principalmente as suas características de isolação elétrica e térmica, flexibilidade, entre outras, em muitos casos onde se expõe este material, ele não pode ser aplicado nas condições naturais de sua estrutura. É com esta idéia de melhora superficial do polímero que surgiram as deposições de filmes metálicos sobre superfície polimérica. Este processo tem como finalidade principal, aumentar a resistência do material, tanto térmica quanto mecânica, ampliando assim o campo de aplicação deste na indústria e em outras áreas tecnológicas.
Um setor que possui grande interesse na metalização de polímeros é a microeletrônica, na fabricação de displays dos mais variados aparelhos eletrônicos, como celulares, calculadoras, agendas eletrônicas, laptops e monitores de computadores, aparelhos estes que utilizam atualmente o vidro como material base de suas telas [FORTUNATO, 2002 I]. Com o polímero como material do substrato (base das telas), é possível obter-se a redução do peso geral do aparelho, assim como menor volume, maior flexibilidade, menor propensão a quebras ou danos provocados por quedas. Devido à facilidade de produção de grandes áreas metalizadas, e a flexibilidade do material recoberto, pode ser facilmente empregado em detectores de posição sensíveis, na produção de refletores IR, células solares e sensores ópticos [FORTUNATO et al, 2002 II].
Outro fator que ganha destaque na utilização da técnica de deposição de filmes finos sobre substratos poliméricos, é o fato de este ser um processo não poluente [KUPFER et al, 1999], uma vez que não há necessidade de utilização de produtos químicos, como ácidos ou outros reagentes, para a melhora estrutural do polímero e ampliação de seu campo de aplicação.
UEDA et al, demonstrou que a técnica de metalização de polímeros é precursora na indústria aeroespacial, uma vez que recobrimentos realizados na superfície de satélites e componentes espaciais constituídas de polímeros, reduzem a acelerada erosão que é causada nestes, quando localizados em órbita na Terra, acerca de 200-800km da superfície terrestre, devido principalmente a presença do oxigênio atômico e radiação ultravioleta proveniente do sol. Neste trabalho, íons de alumínio de 2,5, 5,0 e 7,0 kV de energia, foram depositados sobre substratos de Kapton, Mylar, polietileno e polipropileno, por imersão em plasma a arco. Neste caso o plasma ficou confinado por um campo magnético de 125 G, retendo assim, 1016 átomos/cm2 [UEDA et al, 2003]. O estudo demonstrou que o tempo de vida útil dos equipamentos que utilizaram a implantação de íons de alumínio, foi superior a aqueles sem o tratamento, além de reduzir os custos do processo. Devido ao menor peso geral dos equipamentos, que anteriormente eram constituídos de ligas metálicas e fibras, foi possível aumentar a carga útil lançada ao espaço com espaçonaves e satélites. A Figura 2.17 ilustra a superfície do filme de alumínio obtida por UEDA et al, depositada sobre Mylar, evidenciando que o filme depositado não altera a morfologia da amostra, e que em ambos os casos é possível observar que há a presença de pó na superfície, entretanto, macropartículas de alumínio não foram detectadas. Estes estudos evidenciaram que a maior parte dos átomos implantados, permaneceram na superfície das amostras.
Figura 2.17: Imagens de MEV com aumento de 2000x para: (a) Filmes de Mylar sem tratamento e (b) Filmes de Mylar implantados com alumínio a 7 kV, B = 125 G [UEDA et
Estudos com deposições reativas de TiN sobre substratos poliméricos também podem ser encontrados na literatura. Nestes estudos, pode-se observar que a morfologia do filme depositado depende não só dos parâmetros de deposição, mas principalmente do substrato, uma vez que este determina o tipo de estrutura obtida na camada de nitretos, existindo uma similaridade entre a camada depositada sobre a superfície polimérica e sobre um substrato não inerte, como no caso de metais e vidros. Porém, é compreensível que a temperatura de tratamento no caso de substrato polimérico deve ser inferior á aquelas utilizadas em substratos metálicos por exemplo, o que resulta em um filme com estrutura morfológica pertencente nas zonas 01 e T do modelo de Thorton. A análise de MEV, observada na Figura 2.18 retrata a diferença entre estruturas obtidas por meio de deposição de TiN sobre dois diferentes substratos poliméricos, cujas condições de tratamento foram idênticas, onde é possível observar a influência do tipo de substrato na morfologia do filme obtido [REISTER et al, 1999].
Além da morfologia do filme obtido depender do substrato no qual está sendo depositado, a energia com a qual os átomos chegam á amostra é altamente influente na estrutura da camada. Os polímeros têm tendência à decomposição quando a energia dos átomos que se depositam é alta, limitando assim a temperatura de trabalho. Geralmente esta não deve exceder o valor de 100 ºC, ou então, deve ser bem abaixo da temperatura de fusão do polímero. A elevação da temperatura pode induzir a modificação química do material do substrato ou originar a evaporação de voláteis de baixo peso molecular, que podem ser absorvidos ou absorverem água [REISTER et al, 1999].
Estudos envolvendo melhoria superficial de peças automotivas, elementos de máquinas e blocos de freios também utilizam hoje da tecnologia de deposição de filmes sobre substratos poliméricos [FRUTH et al, 1999]. Existem, porém alguns problemas quanto ao uso da técnica de PVD na deposição de filmes metálicos em polímeros, como já compreendido, a temperatura de degradação, o que limita o processo em termos de energia dos átomos que se depositam e a necessidade da obtenção de uma boa adesão do filme com o substrato polimérico. É então necessário que haja ativação do polímero e formação de uma fase intermetálica para produzir uma maior adesão [GRIMBERG et al, 1997]. Observou-se por meio de estudos que filmes de TiN depositados sobre polímeros melhoram a resistência deste, bem como sua aparência. Análises da estrutura e das propriedades mecânicas como, por exemplo, resistência ao desgaste do substrato, mostrou que este material apresenta relativa melhora em termos de propriedades mecânicas após
deposição de TiN e ZrN, devido principalmente a produção de uma camada intermetálica de Ti entre o nitreto e o polímero, provocando assim, aumento da adesão do filme. Observou-se ainda que houve queda do coeficiente de atrito para algumas condições.
(b) (a)
Figura 2.18: Micrografias SEM de multicamadas de Ti/TiN: (a) em substrato de PBT (Ultradur B 4300 K6, BASF), observando-se a estrutura de crescimento características da zona T do modelo de Thorton. (aumento de 20.000X); (b) em PA (Ultramid A3ZM4, BASF), evidenciando a estrutura de crescimento característica da zona 01 (aumento de 20.000X) [REISTER et al, 1999]
Estruturalmente, estes filmes apresentaram-se nanocristalinos ou uma mistura de estruturas nanocristalinas e amorfas, como no caso de filmes de TiN depositados em baixa temperatura. Uma micrografia obtida para este tipo de deposição pode ser visualizada na Figura 2.19, onde é possível observar-se as diferenças entre as fases e a formação de uma camada intermetálica de Ti entre o polímero e o TiN [ZHITOMIRSKY et al, 1998].
Alguns estudos mostraram que outra forma de provocar maior adesão do filme no substrato é realizar um pré-tratamento com argônio puro, oxigênio puro ou uma mistura de argônio com oxigênio, de 1:1. Porém, observou-se que o oxigênio produz uma adesão um pouco superior àquela obtida com o uso de uma mistura de argônio e oxigênio e muito maior que o argônio puro. A principal razão disto reside no fato que o efeito provocado pelo argônio é estritamente físico, de rompimento das cadeias, enquanto que os efeitos do oxigênio são fortemente químicos, produzindo radicais do tipo OH, CO, COOH nas cadeias carbônicas do polímero [ZHITOMIRSKY et al, 1998].
Figura 2.19: Micrografia da interface entre o filme de TiN, a intercamada metálica de Ti e substrato de polisulfano.
A indústria de alimentos também tem se beneficiado da tecnologia de metalização de polímeros. Para a conservação dos alimentos dentro das embalagens, como os derivados de leite e produtos perecíveis sensíveis a ação dos gases presentes no ambiente, estuda-se hoje embalagens poliméricas ou de papelão, que são facilmente recicláveis, recobertas com uma fina camada de metal, como por exemplo, alumínio, níquel e outras ligas, a fim de formar uma barreira contra gases, proporcionando desta forma a conservação dos alimentos durante um período mais longo e mantendo as propriedades do produto inalteradas. A combinação das propriedades de alta resistência ao desgaste, baixo peso, facilidade de fabricação, flexibilidade no projeto e baixo custo [GRIMBERG et al, 1997], são atrativos para a utilização desta técnica de deposição, que possui inúmeras aplicações e que ganha espaço em muitas áreas tecnológicas.
2.8 Filmes metálicos como atenuadores da energia da onda eletromagnética na faixa