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

文/德國(guó)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(guò)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(yùn)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(zhēng)！作為極速滑雪者, 意大利滑雪名將西蒙?奧里岡需要在沒(méi)有任何傳統(tǒng)意義的防護(hù)措施, 比如像汽車(chē)中的防護(hù)車(chē)身或精密制動(dòng)系統(tǒng)以及其他安全技術(shù)的條件下，快速滑下雪道。當(dāng)這位速度滑雪世界冠軍于2015年4月5日在法國(guó)阿爾卑斯省瓦爾市創(chuàng)下252.632 km/ h的記錄時(shí)，他所依靠的只有自己以及他精心準(zhǔn)備的滑雪板（如圖1所示），而且這對(duì)于他的同行——山地速降奧運(yùn)滑雪者們而言沒(méi)有什么不同，雖然他們達(dá)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(zhǎng)，而且對(duì)滑雪基板浸漬提出了不小的挑戰(zhàn)。

一個(gè)創(chuàng)新想法

當(dāng)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(yán)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(gè)精心設(shè)計(jì)的木制核心——每一層材料都對(duì)特定的性能特征負(fù)責(zé)。

2013年，意大利滑雪服務(wù)技師協(xié)會(huì)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(mén)Plasma Nano-Tech，他詢(xún)問(wèn)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(rèn)為是其行業(yè)領(lǐng)域中的一名專(zhuān)家，他不僅在滑雪準(zhǔn)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(yùn)行表面的制造工藝上都擁有廣泛的經(jīng)驗(yàn)。他認(rèn)為，燒結(jié)過(guò)程中在分子基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的塑料殘留物，對(duì)蠟的吸附具有負(fù)面影響。因此，Palmi希望這種殘留物能夠通過(guò)采用常壓等離子的精細(xì)清潔而被清除。

一個(gè)專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)

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(xiàng)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(xiàng)目應(yīng)該以這些技術(shù)為基礎(chǔ)，其目標(biāo)是，通過(guò)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(lái)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(zhuān)家Palmi對(duì)該團(tuán)隊(duì)解釋說(shuō)，為實(shí)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(guān)結(jié)構(gòu)的破壞（如圖4所示）。當(dāng)問(wèn)題出現(xiàn)時(shí)，滑雪板就不能再上蠟，然后基板表面必須得到機(jī)械磨削，直到塑料中的氣孔再次打開(kāi)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(zhǔn)備過(guò)程。

比賽用的滑雪板是采用不同的蠟層進(jìn)行準(zhǔn)備的。通常，首先是采用一種熱工藝來(lái)施加烴蠟，它可深入到表面氣孔中以形成一個(gè)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(guò)程中，根據(jù)滑道的摩擦情況，外層蠟通常在運(yùn)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(huì)發(fā)揮作用來(lái)保持盡可能長(zhǎng)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(huì)完全磨損掉。

因此，專(zhuān)家們必須解決的問(wèn)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(lái)自Environment Park）

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

內(nèi)部的不規(guī)則表面

在雪中的滑動(dòng)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(yùn)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(qiáng)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(guò)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(guò)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(yùn)行表面的最終形狀。

對(duì)一個(gè)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(gè)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(huì)大大妨礙蠟的吸附。由于具有熱敏性，這些微觀(guān)的尖端結(jié)構(gòu)在加熱上蠟的過(guò)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(lái)自于燒結(jié)過(guò)程中殘留在氣孔中的聚合物粉塵量，這些粉塵足以對(duì)氣孔形成部分的堵塞（如圖5所示）。所以，目標(biāo)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(xiàng)任務(wù)，它只需幾秒鐘就能夠在塑料表面完成對(duì)深層孔隙的干燥而微細(xì)的清潔。

在項(xiàng)目經(jīng)理D’Angelo向參與人員詳細(xì)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(kāi)了一系列的試驗(yàn)。

圖4 在三維蜂窩結(jié)構(gòu)中的微孔已經(jīng)塌陷：此時(shí)，不再可能進(jìn)行上蠟（圖片來(lái)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(lái)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(kuò)張（圖片來(lái)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(lái)自Environment Park）

兩個(gè)階段的試驗(yàn)期

這些試驗(yàn)對(duì)研究人員提出了一大挑戰(zhàn)。不僅像噴嘴類(lèi)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(shí)間也必須要?jiǎng)?chuàng)建好。此外，功能化的可操作的流程細(xì)節(jié)也必須得到測(cè)試并建立起來(lái)。

研究的第一階段只是集中在清潔方面，效果是顯而易見(jiàn)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(kuò)張，或者說(shuō)，它們的總?cè)萘吭黾恿耍ㄈ鐖D6所示）。

試驗(yàn)第二階段的目標(biāo)是，創(chuàng)建一種納米保護(hù)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(shí)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(zhǔn)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(huì)堵塞三維結(jié)構(gòu)，也不會(huì)對(duì)蠟與基板之間的靜電相互作用（范德華力）帶來(lái)不利影響。

準(zhǔn)備申請(qǐng)專(zhuān)利

僅經(jīng)過(guò)9個(gè)月、40次的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)后，由研究人員D’Angelo和Aimo Boot（如圖8所示）實(shí)現(xiàn)的最終成果就出來(lái)了，而且一項(xiàng)針對(duì)PlasmaSki工藝的專(zhuān)利應(yīng)用已被提交?！案兄x專(zhuān)為滿(mǎn)足我們的需求而開(kāi)發(fā)的微細(xì)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?yàn)表明，上蠟后，不僅滑行特性得到了極

（轉(zhuǎn)P33）