文/德國Bad Honnef公司Ins A. Melamies (本刊編譯)

等離子技術(shù)為滑雪板插上翅膀
——新的浸漬工藝用于比賽用滑雪板

通過采用常壓等離子處理技術(shù)，一種新的浸漬工藝不僅提高了比賽用滑雪板運行表面的滑行性能和摩擦阻力，而且增加了6倍的蠟可吸附量。

分秒必爭！作為極速滑雪者, 意大利滑雪名將西蒙?奧里岡需要在沒有任何傳統(tǒng)意義的防護措施, 比如像汽車中的防護車身或精密制動系統(tǒng)以及其他安全技術(shù)的條件下，快速滑下雪道。當這位速度滑雪世界冠軍于2015年4月5日在法國阿爾卑斯省瓦爾市創(chuàng)下252.632 km/ h的記錄時，他所依靠的只有自己以及他精心準備的滑雪板（如圖1所示），而且這對于他的同行——山地速降奧運滑雪者們而言沒有什么不同，雖然他們達到的最高速度只有130～160 km/h，但滑行路程卻是3倍或4倍長，而且對滑雪基板浸漬提出了不小的挑戰(zhàn)。

一個創(chuàng)新想法

當代的比賽用滑雪板是高科技的產(chǎn)物。這種多層的三明治結(jié)構(gòu)包含了多種材料的組合，而且這種多材料組合根據(jù)制造商的不同而不同，并保持著嚴格保守的商業(yè)秘密。玻璃纖維或合成層壓板、橡膠、金屬嵌件或一個精心設(shè)計的木制核心——每一層材料都對特定的性能特征負責(zé)。

2013年，意大利滑雪服務(wù)技師協(xié)會Skiman的總經(jīng)理Dino Palmi聯(lián)系了位于意大利都靈的科技中心Environment Park公司（如圖2所示）的內(nèi)部研究部門Plasma Nano-Tech，他詢問等離子技術(shù)研究人員Domenico D’Angelo博士和Elisa Aimo Boot：等離子是否可以改變滑雪板基板的特性從而增加蠟的吸附量。Palmi被認為是其行業(yè)領(lǐng)域中的一名專家，他不僅在滑雪準備方面，而且在比賽用滑雪板的燒結(jié)超高分子量聚乙烯運行表面的制造工藝上都擁有廣泛的經(jīng)驗。他認為，燒結(jié)過程中在分子基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的塑料殘留物，對蠟的吸附具有負面影響。因此，Palmi希望這種殘留物能夠通過采用常壓等離子的精細清潔而被清除。

一個專家團隊

就在大約一年前，Plasmatreat意大利分公司的總經(jīng)理Giovanni Zambon介紹了Plasmatreat的兩項等離子處理工藝Openair和PlasmaPlus（如圖3所示），因此這些意大利的科學(xué)家們現(xiàn)在決定，PlasmaSki研究項目應(yīng)該以這些技術(shù)為基礎(chǔ)，其目標是，通過施加納米涂層，最大程度地增加蠟的吸附量，加固聚乙烯滑雪基板的物理結(jié)構(gòu)，以此來延遲由極端壓力而引起的基板結(jié)構(gòu)的摩擦損壞和熱損壞。

滑雪專家Palmi對該團隊解釋說，為實現(xiàn)高速所需的蠟很快就被摩擦掉，而且滑雪基板常常被磨損到底層，這將引起滑雪基板微觀結(jié)構(gòu)的破壞（如圖4所示）。當問題出現(xiàn)時，滑雪板就不能再上蠟，然后基板表面必須得到機械磨削，直到塑料中的氣孔再次打開并能夠吸附新蠟。然而，超高分子量聚乙烯表面結(jié)構(gòu)只能吸附一定量的蠟，其部分原因在于生產(chǎn)工藝，部分原因在于準備過程。

比賽用的滑雪板是采用不同的蠟層進行準備的。通常，首先是采用一種熱工藝來施加烴蠟，它可深入到表面氣孔中以形成一個基礎(chǔ)層；然后施加第二層用于提高速度的碳氟蠟。在比賽過程中，根據(jù)滑道的摩擦情況，外層蠟通常在運行200～300 m后就磨掉。一旦發(fā)生這種情況，基礎(chǔ)層的蠟就會發(fā)揮作用來保持盡可能長的性能，并延遲超高分子量聚乙烯三維蜂窩結(jié)構(gòu)中微孔的塌陷，這一蠟層最終也會完全磨損掉。

因此，專家們必須解決的問題是，在不改變已確定的熱蠟工藝本身的情況下，如何增加蠟的吸附量以及延遲這些基礎(chǔ)微孔結(jié)構(gòu)的塌陷。

圖2 位于意大利都靈的Environment Park科技中心（圖片來自Environment Park）

圖3 Openair等離子處理技術(shù)只需一步即可完成對材料表面的精細清潔與活化（圖片來自Plasmatreat公司）

內(nèi)部的不規(guī)則表面

在雪中的滑動特性和表現(xiàn)行為以及因此而導(dǎo)致的滑雪速度，是由滑雪板的運行表面或基板決定的。目前，高性能的滑雪板的基板是由燒結(jié)的超高分子量聚乙烯制成，這種塑料集強大的耐磨性與抗水性于一體。這種非極性的、疏水性超高分子量聚乙烯，具有高分子密度的特征，能與特殊添加劑如黑色石墨相組合。石墨是一種良好的導(dǎo)電體，它能防止基板帶電從而吸附污垢顆粒。

在燒結(jié)過程中，這種超高分子量聚乙烯粉末與添加劑在一副圓筒形模具中得到捏合、加熱熔融，然后在高壓下得到壓制。冷卻后，通過切割設(shè)備，從超高分子量聚乙烯柱體上切下一片，將其成型為滑雪板運行表面的最終形狀。

對一個超高分子量聚乙烯滑雪基板的顯微鏡分析顯示了一種三維的蜂窩結(jié)構(gòu)，這是由微氣泡的形成創(chuàng)造的。這種構(gòu)造使得基板表面可以吸收蠟。然而，單個的蜂窩結(jié)構(gòu)的壁卻擁有不規(guī)則的幾何形狀，其尖端結(jié)構(gòu)的堆積、扭曲等特性會大大妨礙蠟的吸附。由于具有熱敏性，這些微觀的尖端結(jié)構(gòu)在加熱上蠟的過程中傾向于阻塞微孔，使蠟的吸收量下降。限制蠟被氣孔吸附的更主要因素來自于燒結(jié)過程中殘留在氣孔中的聚合物粉塵量，這些粉塵足以對氣孔形成部分的堵塞（如圖5所示）。所以，目標是去除這些堵塞物和殘留物——常壓等離子處理工藝完美地勝任這項任務(wù)，它只需幾秒鐘就能夠在塑料表面完成對深層孔隙的干燥而微細的清潔。

在項目經(jīng)理D’Angelo向參與人員詳細介紹了這種結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜的化學(xué)-物理交互作用后，隨即于2013年9月展開了一系列的試驗。

圖4 在三維蜂窩結(jié)構(gòu)中的微孔已經(jīng)塌陷：此時，不再可能進行上蠟（圖片來自Scuola Skiman）

圖5 得到處理前的滑雪基板的燒結(jié)超高分子量聚乙烯結(jié)構(gòu)，其微孔中已經(jīng)堆積了堵塞物和灰塵（圖片來自Scuola Skiman）

圖6 等離子處理后的基板結(jié)構(gòu)：微孔得到了清潔和擴張（圖片來自Scuola Skiman）

圖7 Openair和PlasmaPlus等離子處理技術(shù)使得比賽滑雪板的超高分子量聚乙烯基板得到了改變和功能化，從而使可吸附的蠟量增加了6倍（圖片來自Environment Park）

兩個階段的試驗期

這些試驗對研究人員提出了一大挑戰(zhàn)。不僅像噴嘴類型以及等離子噴槍的掃描間隙、掃描速度和序列等系統(tǒng)參數(shù)必須要設(shè)定好，而且正確的氣體組合、等離子能量的構(gòu)成以及接觸時間也必須要創(chuàng)建好。此外，功能化的可操作的流程細節(jié)也必須得到測試并建立起來。

研究的第一階段只是集中在清潔方面，效果是顯而易見的：光學(xué)顯微鏡分析顯示，在等離子清潔處理后，超高分子量聚乙烯蜂窩結(jié)構(gòu)中的孔隙不僅得到了清潔，而且還得到了擴張，或者說，它們的總?cè)萘吭黾恿耍ㄈ鐖D6所示）。

試驗第二階段的目標是，創(chuàng)建一種納米保護涂層，以加固這種三維蜂窩結(jié)構(gòu)，并減小壁的摩擦系數(shù)。PlasmaPlus等離子處理技術(shù)為實現(xiàn)這些要求提供了所有的條件（如圖7所示）。第一步是為涂層確定準確的化學(xué)和物理特性組合，必須找到適合的聚合前體，而且必須重新確定用于涂層沉積工藝的等離子參數(shù)，特別是涂層的厚度必須得到定義，以使其既不會堵塞三維結(jié)構(gòu)，也不會對蠟與基板之間的靜電相互作用（范德華力）帶來不利影響。

準備申請專利

僅經(jīng)過9個月、40次的實驗室試驗后，由研究人員D’Angelo和Aimo Boot（如圖8所示）實現(xiàn)的最終成果就出來了，而且一項針對PlasmaSki工藝的專利應(yīng)用已被提交。“感謝專為滿足我們的需求而開發(fā)的微細等離子清潔和等離子涂層技術(shù)，并在Plasmatreat公司的技術(shù)的幫助下得到應(yīng)用，這使我們相比傳統(tǒng)工藝能夠?qū)崿F(xiàn)的結(jié)果增加了6倍的蠟吸附量，而且是在采用了同樣的蠟浸漬方法的前提下?！盌’Angelo介紹到?；性囼灡砻鳎舷灪?，不僅滑行特性得到了極

（轉(zhuǎn)P33）