氩气/空气辉光放电对聚乙烯薄膜的表面改性研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)山东省高校信息安全与智能控制重点实验室 作者:陈龙溪

  利用氩气/空气混合气体辉光放电对聚乙烯( PE) 材料表面改性。主要研究了单一气体等离子体和混合气体等离子体对PE 膜表面改性的影响,通过蒸馏水的接触角测量和二碘甲烷的接触角测量对处理前后的PE 膜表面性质进行表征,对PE 膜表面能的变化进行了分析。实验结果表明,经辉光放电等离子体处理过的PE 膜表面的液体接触角显著下降,固体表面能有明显提高,在固定的电压和气压下,PE 膜表面水接触角随着氩气/空气混合比例的增大而先减小后增大,说明辉光放电比丝状放电在提高聚乙烯材料润湿性方面效果要好。处理后的样品放置在空气当中后,样品表面水接触角有所增大,但始终小于处理前的接触角。

  聚乙烯(PE) 薄膜是一种无色,无味、无臭、半透明的、无毒性的绝缘材料,大量用作包装袋,食品袋,还可制作各种容器。但由于聚乙烯链中无极性基团的存在,其表面润湿性差,成为一类典型的难粘材料,必须经处理后,才能印出比较好的效果,这大大限制了其在医疗、卫生等工业技术领域的应用。要改善这些难粘材料的粘接性,必须对其进行表面改性处理。

  近几年,国内外围绕PE 材料的表面改性进行了大量的研究,对其表面改性方法主要有化学方法如: 化学氧化法、热处理法、偶联剂改性等,物理方法如: 喷砂、抛光、喷丸、填充、共混处理等,还有其它混合方法如: 功能化处理、共混改性、激光处理、等离子体改性处理等。低温等离子体技术作为一种清洁的干式工艺,因其具有特定的环境、成本等优势,成为一种常用的材料表面改性方法,具有极大的市场潜力和发展前景。经低温等离子体处理时,高分子疏水性材料会产生侵蚀作用,材料表面粗糙度会有所增加,有利于提高亲水性。同时,处理后的高分子疏水性材料表面会导入极性基团,从而可以提高材料的表面能,消除制品表面的弱界面层。

  目前,已经有许多研究工作者利用电晕放电或低压高频的射频和微波电子回旋共振产生的等离子体对聚合物进行表面改性。但电晕放电不均匀,在对聚合物表面改性时容易损伤基质,导致被处理材料表面凹痕或针眼。而辉光放电模式下,放电气体的气压和放电间隙的乘积p·d 值较低,能够形成均匀、稳定的等离子体。因此,辉光放电模式对高分子材料表面改性得到了越来越多的重视和研究。

  在对辉光放电等离子体对材料表面改性的研究过程中,往往采用单一气体进行电离。而事实上,混合气体,以及混合气体的比例对等离子体材料表面改性效果是有影响的。本文把聚合物中具有代表性的PE 膜作为研究对象,通过空气等离子体、氩气等离子体、以及氩气/空气混合气体等离子体对PE 膜表面改性效果的分析,给出了材料表面改性效果与处理时间、气体压强、放电功率等参数的关系,同时,在固定的放电功率和气体气压下,研究了气体混合比例对PE 膜表面处理效果的影响。

1、实验系统及实验方法

  1.1、实验系统

  本文所用辉光放电实验系统如图1 所示。实验系统配备两套电源,高压交流电源的输出电压峰值为0 ~30 kV,频率为1 ~100 kHz,功率为0 ~500 W。真空室连接两级抽真空系统,样品放在真空室内的实验台上。放电电压和放电电流波形图由数字示波器Tektronix TDS 1012C-EDU 测量,放电气体为空气和99.99% 的氩气混合气体,实验过程中两种气体的混合比例通过流量计进行调节。照片由数码相机(型号: Canon MF4400) 获得,测试样品表面接触角采用接触角测试仪(型号: JGW-360A) 进行测试,测试液体为蒸馏水和二碘甲烷。

辉光放电改性实验装置

图1 辉光放电改性实验装置

  1.2、实验方法

  将PE 薄膜制成40 mm × 30 mm 的长方片状,再将其置于丙酮溶液中清洗12 h,然后用酒精冲洗干净,最后放入烘箱中烘干。将清洗、烘干后的PE 薄膜放入真空室内的实验台上,真空室内的压强抽到0.1 Pa 以下后,把纯度为99.99% 的氩气和空气按比例通入反映腔体,达到所需气压后停止通气。根据实验需要调整不同的放电参数对PE 薄膜进行放电处理,记录相应的放电参数、放电时电压电流波形等。放电结束后取出样品,利用接触角测试仪对处理过的样品进行接触角测试,测试液体为蒸馏水,每次测量样品的3 个不同的位置,然后对测量数值加权平均。同时,利用二碘甲烷作为第二测试液体,对样品表面能进行表征,表征过程中,所采用的蒸馏水的色散力和极性力分别为52 和20.9,二碘甲烷的色散力和极性力分别为2.5 和46.9。

3、总结

  本文运用氩气/空气混合气体辉光放电,对PE高分子材料表面改性进行了系统研究。在整个真空室内实现了大尺度均匀辉光放电,比较了单一气体等离子体和混合气体等离子体对PE 膜表面改性的效果,通过蒸馏水的接触角测量对处理前后的PE膜表面性质进行表征,同时利用蒸馏水和二碘甲烷的接触角测量对PE 膜表面能的变化进行了分析。

  实验结果表明,经辉光放电等离子体处理过的PE膜表面的液体接触角显著下降,表面能有明显提高,在固定的电压和气压下,PE 膜表面的处理效果随着气体混合比例的变化而变化,经辉光放电等离子体处理后的样品放置在空气中后,亲水性会逐渐变弱,但其亲水性能都好于处理前的样品。

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