Cammarano, Aniello (2013) Sviluppo di un substrato polimerico ad elevate prestazioni termo-meccaniche e migliorate proprietà adesive nei confronti di layer inorganici. [Tesi di dottorato]

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Abstract

Obiettivo del presente lavoro di dottorato è stata la preparazione e lo studio di sistemi compositi polimerici, trasparenti e flessibili, dalle elevate proprietà termomeccaniche e buone proprietà adesive nei confronti di layer inorganici. Lo studio ha avuto inizio con la selezione di substrati polimerici commerciali idonei alle applicazioni optoelettroniche attraverso analisi chimico-fisiche e morfologiche preliminari. I poliesteri termoplastici, già utilizzati nel settore della microelettronica, sono risultati essere la classe di polimeri più interessante, per via delle loro buone proprietà ottiche e termomeccaniche. In particolare, il poliestere aromatico amorfo prodotto dalla Ferrania Technologies, e commercializzato con il nome AryLite, presenta le migliori proprietà termiche ed ottiche: elevata temperatura di transizione vetrosa (320°C), stabilità termica (480°C per una perdita di peso del 3%) ed eccellente trasparenza ottica (trasmittanza 88% a 500 nm). Tuttavia, l’assenza di una fase cristallina e, quindi, di un rinforzo meccanico, riduce la stabilità termo-meccanica del polimero suddetto. Infatti, i film commerciali a base di poliarilato (PAR) mostrano un Coefficiente di Espansione Termica lineare (CTE) pari a circa 70 ppm/°C, anche dopo un trattamento di annealing di 30 minuti a 250°C. Inoltre, l’ingombrante struttura aromatica e la bassa concentrazione di gruppi funzionali, conferiscono all’AryLite un’elevata inerzia superficiale. La bassa energia superficiale genera una scarsa adesione superficiale che rende il poliestere amorfo poco idoneo alla deposizione di layer funzionali. Poiché le proprietà termiche e ottiche del poliestere amorfo risultano nettamente superiori rispetto a quelle di altri poliesteri già utilizzati nell’industria microelettronica(PET, PEN) si è scelto di proseguire il lavoro focalizzando l’attenzione sull’AryLite, con l’obiettivo di migliorarne le proprietà termo-meccaniche e quelle di adesione nei confronti di layer inorganici. Pertanto, nell’ambito del presente lavoro di dottorato è stato sviluppato un sistema composito a base di poliarilato (PAR) caratterizzato da bassa CTE e migliorate proprietà di adesione superficiale nei confronti di layer inorganici. Le proprietà adesive dei film a base di PAR sono state migliorate incrementando la componente polare dell’energia libera superficiale γp del poliestere, attraverso trattamenti chimici in soluzione. Lo studio della morfologia dei film modificati, l’analisi dell’energia superficiale ed il calcolo della polarità, hanno permesso di identificare il trattamento più idoneo al poliestere amorfo. In particolare l’utilizzo di un silano, con gruppo amminico (NH2), come promotore di adesione, ha prodotto un incremento della polarità dell’AryLite del 43%. La verifica delle migliorate proprietà adesive è stata effettuata attraverso delle misure di nanoscratch condotte su layer di ossido di indio e stagno (ITO) depositati per sputtering sui substrati funzionalizzati. Quello che si osserva è che in assenza di trattamenti superficiali, l’ITO ha una scarsa adesione sul substrato polimerico. In particolare, durante lo scratch test, l’incisione della punta nel layer di ITO con rampa di carico crescente, induce degli stress che provocano fenomeni di scheggiatura e distacco del layer e si individua un carico critico (Lc) pari a circa 3.4±0.6 mN. Situazione completamente diversa si osserva nel caso in cui l’AryLite viene preventivamente funzionalizzato con silano APTEOS. Infatti, nell’analisi delle curve di scratch non è presente alcun fenomeno di Lc, e l’osservazione al microscopio ottico dei profili lasciati dall’incisione della punta nel layer inorganico non mostrano blistering o scheggiature. Il problema della stabilità termica è stato approcciato in due differenti modalità: realizzazione di micro- e nanocompositi a base di PAR e realizzazione di un sistema multistrato contenente un rinforzo di vetro. I sistemi compositi PAR-based hanno prodotto un lieve miglioramento della stabilità termomeccanica, ma non al punto tale da soddisfare i requisiti richiesti dalla microelettronica. Inoltre, l’utilizzo di quantità elevate di cariche provoca la perdita della trasparenza ottica del film. L’unico caso in cui è stato raggiunto un risultato accettabile in termini di CTE (48 ppm/°C) e trasparenza ottica (72% a 500nm) è quello in cui il PAR è stato caricato con il 10% in peso di SiO2. Risultati migliori, ma soltanto in termini di incremento della stabilità termo-meccanica, sono stati raggiunti utilizzando il 30% di cariche micrometriche di titanato di piombo (34 ppm/°C). Il sistema multistrato, invece, ha prodotto buoni risultati sia in termini di trasparenza che di stabilità termo-meccanica. Tale sistema è stato realizzato collocando due tessuti micrometrici (spessore 13 μm) di fibre di vetro, tra film di PAR spessi 25 μm e funzionalizzati con silano. Il tessuto è stato impregnato con un sistema epossidico, sviluppato con l’obiettivo di ottenere lo stesso indice di rifrazione (1.555) del tessuto di vetro. Il sistema multistrato ottenuto è flessibile, presenta un basso CTE (circa 23 ppm/°C tra 100°C e 200°C), una buona trasparenza ottica (85% a 500 nm) e delle superfici esterne con incrementate proprietà adesive nei confronti dell’ITO.

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