大气压等离子体射流改性船体钢表面亲水性研究

　　在室温下,采用大气压等离子体射流对船体钢进行表面改性,通过水接触角测量、扫描电镜、X射线光电子能谱等分析测试方法研究了等离子体射流处理前后船体钢表面润湿性、表面形貌及化学特性的变化。研究结果表明,船体钢经大气压空气等离子体射流处理后在其表面引入了大量含氧基团,处理2s表面的水接触角就可以降到30°以下;处理后材料表面的亲水性受处理时间及放电电流的影响且在空气中放置时会出现老化效应,处理时间越长,老化效应越弱。

　　表面涂覆有机涂层是目前应用最广泛的金属腐蚀防护手段之一[ 1- 2] 。涂层的防护机制是通过在金属和腐蚀环境之间加入一个防护层来减弱金属腐蚀。然而, 在涂层的使用过程中往往发生涂层从金属基体上剥落的现象, 减弱了涂层对金属的防护性能。因此, 开展提高涂层与金属基体之间附着力的研究非常必要。研究表明, 涂层在金属表面的结合牢固程度往往受涂料或树脂在基体表面铺展润湿性的影响[ 3- 5] 。C. J. Lee 等[ 6] 采用扫描电镜( SEM) 观察了胶粘剂/ 金属的断面形貌。结果显示, 如果胶粘剂在样品表面上有好的润湿性, 则可以紧贴在凹凸不平的试样上, 否则胶粘剂与金属界面间将存在大量缝隙。

　　等离子体表面改性技术是一种气-固相干式反应体系, 具有不引入其他物质、不污染环境, 能够有效地改善金属、聚合物表面的亲水性、疏水性及生物相容性, 大幅度提高金属-金属、金属-聚合物之间的结合牢固度等优点, 已引起了众多研究者的广泛关注[ 7- 8] 。等离子体的改性效果往往与放电气体种类及放电条件有关[ 9- 12] 。本文采用大气压空气等离子体射流对普通船体钢进行表面改性处理, 以期能够改善钢基体表面的亲水性能, 提高涂层与基体之间的结合强度, 从而增加涂层的防护性能。通过水接触角测量、SEM、X 射线光电子能谱( XPS) 等分析测试方法研究了等离子体处理前后船体钢表面润湿性、物理形貌及化学特性的变化。

实验部分

表面处理

　　本实验于大气压下, 以空气为放电气体, 采用APJ-1000 低温等离子体仪对喷砂处理后的船体钢试样( 50 mm@ 50 mm@ 3 mm) 进行了表面改性, 空气等离子体射流枪结构与文献[ 13] 类似。将等离子体枪固定于铁架台上, 喷嘴竖直向下, 试样置于喷嘴下方10~ 15 mm 处, 等离子体在内、外电极之间的区域产生, 并由压缩空气吹出, 射流火焰长度约15 mm, 直径约10 mm, 放电电流I 为3~ 315 A, 移动试样前后左右运动, 实现大面积均匀处理。

性能测试与表征

接触角测试

　　实验在型号为KRBSS-DSACOO 的接触角测试仪上进行。在室温下, 采用静态液滴法, 分别测取样品面5 个点的接触角, 水滴均为30 LL, 记录数据求平均值, 并作出接触角随等离子体处理时间、放电电流及等离子体处理后放置时间变化的曲线。其中, 在处理试样时, 记录的时间是处理整片试样所用的时间,但在本文中记录的处理时间值已换算成了连续处理单个点的时间, 大约为处理整片试样时间的1/ 30。

SEM及XPS分析

　　采用荷兰Philips 公司生产的XL-30 型SEM, 观察空气等离子体射流处理前后试样的表面形貌, 加速电压为20 kV, 并用XPS 仪对等离子体射流处理前后样品表面的化学元素进行分析。

　　(1) 大气压空气等离子体射流能够高效提高船体钢表面的亲水性。处理后材料表面的亲水性受处理时间、距离及放电电流的影响, 在相同条件下, 处理距离越近, 电流强度越大, 达到所要求的润湿度所用时间越短。在距离10 mm、电流3 A 条件下处理2s, 船体钢表面的水接触角就可以降到30b以下。

　　(2) XPS 测试表明空气等离子体对材料表面亲水性能的改善, 主要是通过在材料表面引入了大量含氧官能团及等离子体对材料表面的清洗作用来实现的。

　　(3) 空气等离子体处理后的试样在空气中放置时亲水性会出现老化效应, 处理时间越长, 老化效应越弱即处理效果保持度越高。

　　关键词：大气压等离子体射流;表面改性;亲水性;老化效应

　　Abstract: The surfaces of hull steel were modified with a high pressure plasma jet under ambient conditions,i.e.in air and at room temperature.The influence of the surface modification conditions,including the discharge current,plasma sputtering time,separation between the jet-nozzle and surface and the sputtering angle,on the morphologies,properties and compositions of the modified surfaces were studied.The modified surfaces and the control surfaces were characterized with scanning electron microscopy and X-ray photoelectron spectroscopy.The results show that the surface modification significantly improves the hydrophilicity of the hull steel.For instance,the water contact angle decreased to below 30° after the air plasma sputtering for 2 s,possibly because the plasma generated a large density of oxygen functions groups on the surface.We found that the hydrophilicity deteriorates in long-time storage,i.e.the ageing effect;and the longer the plasma sputtering time,the weaker the ageing effect.

Keywords: Atmospheric pressure plasma jet,Surface modification,Hydrophilicity,Aging effect

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