Estudo da degradação causada por íons, elétrons e fótons energéticos em poli (metacrilato de metila) (PMMA)

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Físicas e Matemáticas, Programa de Pós-Graduação em Física, Florianópolis, 2016.Quando radiação ionizante incide na matéria, ela pode produzir diversos efeitos diferentes, dependendo do tipo de radiação e do tipo de alvo. Alguns desses fenômenos são a dessorção e desbaste (arrancando material da superfície e ejetando da amostra), degradação química (quebra de ligações químicas do material) e também essas ligações quebradas podem desencadear processos de formação de novas moléculas. Todas essas consequências levam a alterações nas propriedades químicas, físicas e organolépticas, que são de interesse industrial, científico e tecnológico. O material de interesse analisado é o PMMA ? Poli(metacrilato de metila), polímero de monômero com massa 100u, cujo interesse de aplicação vai desde superfície exposta em satélites até como máscara para litografia em microeletrônica. As radiações ionizantes utilizadas foram ultravioleta, íons energéticos (feixes de prótons H+ de 600keV e 1,5MeV, feixe de hélio He+ de 1,0MeV e feixe de nitrogênio N2+ de 1,5MeV) e elétrons (energia 3,0keV), visando investigar diferentes condições de degradação do polímero, que foram analisadas com diferentes técnicas experimentais: espectrometria de massa de íons secundários por tempo-de-voo (ToF/SIMS) e por quadrupolo em gás residual (QMS/RGA), que permitem identificar os espécimes químicos emitidos da amostra enquanto irradiada ou após irradiação, espectroscopia de fluorescência no ultravioleta, permitindo identificar a existência de luminescência na amostra e a eventual mudança dessa propriedade após diferentes doses de radiação recebidas, e espectroscopia de absorção no infravermelho (FTIR), que identifica as bandas de absorção de diferentes ligações químicas no material de interesse e como essas bandas se modificam após doses de radiação ionizantes. Nos dados específicos com FTIR, foi calculada a seção de choque de quebra de ligação para o PMMA, um dado importante que se relaciona com o tempo de durabilidade do material exposto à radiação. Os resultados obtidos mostram um comportamento de dupla queda exponencial nos gráficos de razão de áreas nos picos do infravermelho em função da dose de íons e elétrons, sendo o feixe de N2+ o responsável pela maior degradação do material. Foi detectado ausência de luminescência no PMMA, mas mudança na refletividade do mesmo após diferentes doses de irradiação com elétrons. Além disso, o efeito de irradiação com luz UV também gera quebra do polímero em fragmentos, e essas mudanças foram detectadas com espectrometria de massa por tempo de voo e por quadrupolo. As instituições envolvidas no trabalho são a Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), a Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio), o Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) e o Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina (IFSC).Abstract: Interaction between ionizing radiation and matter can lead to several effects, which depends on kind of radiation and target. Sputtering, desorption, chemical degradation are such examples of phenomena involved. Hence, analysis of material changes under incident radiation is interest issue of science, technology and industry. In this work, PMMA polymer - poly(methyl methacrylate) is subjected to the following radiations: ultraviolet, ion beams (protons H+ 600keV and 1,5MeV, helium He+ 1,0MeV and nitrogen N2+ 1,5MeV) and electrons (3,0keV). Its applications vary from exposed surfaces on sattelites devices to lithography resist, booth into irradiation conditions. Polymer degradation analysis was performed with different experimental techniques: Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF/SIMS) and Quadrupole Mass Spectrometry on Residual Gas Analyzer (QMS/RGA) to measure material fragments ejected from surface after radiations doses, Fluorescence Spectroscopy on Visible and Ultraviolet Wavelenghts to investigate this behavior on PMMA and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), which allow to determine the chemical bonds concentration changes inside material after irradiations. The chemical bonds breaking cross section was calculated from FTIR data, and it is an important experimental result because is related to the durability time of PMMA under technological uses. The results show no luminescence behavior on PMMA, but reflectiveness changes after electron irradiation. Mass distribution on ToF spectrum also changes after UV irradiation, and FTIR data lead to double exponencial decay behavior for chemical bonds degradation with ion beam and electron doses. Institutions involved on this work: Santa Catarina Federal University (UFSC), Rio de Janeiro Catholical University (PUC-Rio), Brazilian Synchrotron Light Laboratory (CNPEM-LNLS) and Santa Catarina Federal Institute of Education, Science and Technology (IFSC)