2020-08-14
當(dang)在表面(mian)上添加涂料(liao)、墨水、粘(zhan)結(jie)劑或者其他材料(liao)時，表面(mian)性質的(de)控制就尤為重(zhong)要(yao)了。特別是(shi)潤濕性-即工序中所用液體在固(gu)體表面(mian)的鋪展性和黏(nian)附能力-都(dou)需要(yao)控(kong)制。因(yin)(yin)(yin)為(wei)越來(lai)越多的(de)產品依賴(lai)于塑(su)(su)料(liao)，從醫.療器械到汽(qi)車保險杠，這(zhe)個概念(nian)越來(lai)越重要(yao)，因(yin)(yin)(yin)為(wei)通常塑(su)(su)料(liao)對于許(xu)多液體都(dou)表現出比(bi)較差的(de)潤濕性能。這(zhe)是因(yin)(yin)(yin)為(wei)許(xu)多塑(su)(su)料(liao)的(de)表面(mian)自由能都(dou)比(bi)較低。比(bi)如，聚丙(bing)烯材料(liao)，因(yin)(yin)(yin)為(wei)它的(de)成本低，機械加工性能好(hao)，化學兼容性強以及機械性能優而被廣泛使用，但它天然是疏水(shui)的(de)，因(yin)(yin)(yin)此許(xu)多水(shui)相(xiang)的(de)液體無法浸(jin)潤該材料(liao)。
為了提高(gao)聚(ju)合(he)物(wu)的潤濕性(xing)(xing)，通常會采用(yong)等離(li)子處(chu)理(li)(li)。等離(li)子處(chu)理(li)(li)，是將(jiang)表(biao)(biao)面放置于一個(ge)腔(qiang)體(ti)(ti)中并抽真(zhen)空，然后用(yong)電離(li)氣體(ti)(ti)轟炸表(biao)(biao)面，是一種(zhong)用(yong)于提高(gao)潤濕性(xing)(xing)的安全(quan)且gao效的技術，而無需有(you)害氣體(ti)(ti)或者高(gao)溫，且復雜的幾何(he)結構也很容易(yi)處(chu)理(li)(li)。在聚(ju)合(he)物(wu)處(chu)理(li)(li)比如(ru)(ru)聚(ju)丙(bing)烯，潤濕性(xing)(xing)能(neng)的增加(jia)是通過在表(biao)(biao)面形成一層(ceng)親水的功能(neng)團，比如(ru)(ru)羰基、羥(qian)基和氫氧基等。
這里研究(jiu)的(de)目的(de)是說明如何通過接觸角和表面自由能的測試來確定zui優的等離子處理時間。
聚丙(bing)烯樣品(pin)通過Glow Plasma System(Glow Research,Tempe,AZ)經過空氣(qi)等(deng)離子處(chu)理，時間(jian)為1到120秒。等離子系統運行條件(jian)為50W，100kHz，腔內壓力為1.0torr。處(chu)理完成后，使用 Attension Theta Flex光(guang)學接觸角儀測試探測液體（去離子水，乙(yi)二(er)(er)醇和二(er)(er)碘(dian).甲(jia)烷）的接觸角。每個測試在等(deng)離子處理完后約2分(fen)鐘測試。液滴設置為2微升。使用OneAttension軟件，通過(guo)OWRK計算方(fang)法通過接觸角確定(ding)聚丙(bing)烯的表面自由能。
圖1 接觸角隨等離子(zi)處理(li)時間的變化(hua)
測(ce)試-接觸(chu)角
在圖1中(zhong)顯示了(le)每種探測液體(ti)的平(ping)均接(jie)觸角隨等離子處理時間的變化。在開始的幾秒接(jie)觸角有個猛烈(lie)的降低到了(le)64°，但水的(de)接觸角(jiao)在15秒后增加到了zui大值。二碘.甲烷的接觸角也在處理時間4秒后慢慢增加(jia)，而乙二醇的接(jie)觸角則(ze)在整個處(chu)理時間段基本(ben)保持不變。
圖2顯示了在等(deng)離子(zi)處理(li)前和處理(li)120秒(miao)后探測(ce)液體在聚丙烯表面(mian)的液滴圖。
圖(tu)2 探測(ce)液(ye)體的液(ye)滴(di)圖（水，二碘(dian).甲(jia)烷和乙二醇），在未處(chu)理和等離(li)子處(chu)理120s后的聚丙烯表(biao)面
測試-表面自由(you)能(neng)
通過(guo)圖1中(zhong)的接觸角，用OWRK方法(fa)確定聚丙烯的表(biao)面自由能（γtot）。總(zong)表面自(zi)由能，即極性和色散表面自(zi)由能與等離子處理時間的(de)關系在圖3中。開(kai)始時γtot=24.2 mJ/m2但在處(chu)理3秒后增加到46.8 mJ/m2。表面自由能在15秒時降到zui低值，而隨后升高到大約40 mJ/m2。
表面自由能中色散(san)分(fen)量特別是極性部分(fen)也非常(chang)依賴于處理時間。開始(shi)時γp~0因為聚丙烯基本是(shi)色散的(de)(de)。經過很短時間的(de)(de)離子暴露(lu)，γp增加到 12 mJ/m2而 γd 也(ye)增加到(dao) 35 mJ/m2。而(er)15秒后(hou)，極性分量降低(di)顯著，與總的表面(mian)自由(you)能(neng)γtot降低(di)一致，親水(shui)性降低(di)。在處理時間大于15秒(miao)后，γp 逐漸升(sheng)高而 γd 略(lve)微降低。
圖(tu)3 聚(ju)丙(bing)烯的(de)表面(mian)自由(you)能隨等離子處理時(shi)間的(de)變化(hua)
結論
接觸角(jiao)和表(biao)面自(zi)由能的(de)測試被(bei)證明(ming)是優化(hua)等(deng)離子處(chu)理時間的(de)有力(li)方法。上面的(de)結果顯(xian)示聚丙(bing)烯(xi)表(biao)面潤濕性顯(xian)著(zhu)提高(gao)，同時在(zai)3-5秒后表面自由能增加。除了(le)等離子處理時間(jian)，等離子壓力和功(gong)率的影(ying)響同(tong)樣(yang)可以通(tong)過上(shang)述方(fang)法來研究(jiu)。
參考：
[1] F. Awaja, M. Gilbert, G. Kelly, B. Fox, P.J. Pigram. Adhesion of polymers. Prog. Polym. Sci. 34 (2009) 948-968,
[2] O.-J. Kwon, S. Tang, S.-W. Myung, N. Lu, H.-S. Choi. Surface characteristics of polypropylene film treated by an atmospheric pressure plasma. Surf. Coat. Technol. 192 (2005) 1-10.
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