常压介质阻挡放电对聚苯乙烯表面改性研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)清华大学电机工程与应用电子技术系 作者:王长全

  鉴于介质阻挡放电(DBD) 是工业上非常有前途的处理材料表面的环保技术,于是采用常压DBD 产生的空气低温等离子体对聚苯乙烯(PS) 薄膜进行了表面改性。通过接触角测量、原子力显微镜(AFM) 观察和X射线光电子能谱(XPS) 分析,研究了空气等离子体处理前后PS 薄膜的表面性能的变化。结果表明,PS 膜表面润湿性随处理时间的延长而提高,PS 膜表面粗糙度增加,而且在表面10nm范围内引入了含氧和含氮的官能团。等离子体处理后PS 薄膜润湿性改善的主要原因是由表面粗糙化和引入含氧、含氮极性官能团的复合作用造成的。

  近年来,大气压空气等离子体表面改性技术由于具有环境友好性、成本低、效率高等优势而在工业中得到广泛的应用。与低气压材料表面处理技术,如薄膜沉积、表面改性等相比,具有成本低,运行平稳等特点。常用的产生大气压空气等离子体的方法有电晕放电、介质阻挡放电(DBD) 和大气压辉光放电( Atmospheric Pressure Glow Discharge ,APGD) 。与其他两种方法相比,DBD 放电设备简单、能量高,且很容易在工业环境下实现,因此DBD 放电空气等离子体已被用于处理聚丙烯、聚酰亚胺 、聚四氟乙烯 、聚甲酯丙烯酸甲酯和聚酯等聚合物材料的表面改性中。

  聚苯乙烯(PS) 作为常用的绝缘材料,具有透明、成型性好、刚性好、电绝缘性能好、易染色、低吸湿性、和价格低廉等优点,因而被广泛用于生物医学、电工、化工和包装等工业领域。但PS 薄膜的表面能较低,导致其表面润湿性、粘结性和可印染性等性能较差,这大大限制了其应用范围,因此研究人员采用不同的方法对其进行表面改性。英国Mitchell 等采用异丙烯乙醇对PS 进行了表面改性,印度Guruven-ket 等采用氩气和氧气等离子体对PS 进行了表面改性,均取得较好的效果。工业生产中采用空气等离子体的成本更低,具有广泛的工业应用前景。

  为此,本文利用大气压DBD 产生的空气等离子体对PS 薄膜进行了表面改性,通过接触角测量、原子力显微镜(AFM) 观察和X 射线光电子能谱(XPS) 等分析手段,研究了等离子体处理前后PS 薄膜表面特性的变化,并对结果进行了分析。

1、实验部分

1.1、实验装置及处理参数

  为了与工业化生产环境尽可能一致,本文实验是在敞开的空气环境下进行的, 实验时温度为28 ℃,DBD 实验装置及其电气接线图如图1 所示。整个实验装置主要包括四个部分:高频电源A、高频变压器B、放电室C 和测量部分D 等组成。高频高压电源由单相市电、可控硅整流、电容滤波和半桥逆变电路等组成,其功率调节可采用脉冲幅值调制(Pulse Amplitude Modulation , PAM) 和脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation ,PFM) 方式;高频变压器的工作频率范围为10kHz 到35kHz 的铁氧体磁芯变压器;放电室由高压电极1、试样2、阻挡介质3、下电极4 和精密升降台5 等组成;测量部分包括示波器、高压探头、普通探头、测量电容Cm 和测量电阻Rm组成。放电系统的工作过程如下:单相市电经可控硅整流成脉动直流,经大容量电解电容滤波后变为较为平滑的高压直流,该高压直流经过半桥逆变电路输出高压方波,该方波电压经变压器漏感和负载组成的串联谐振电路谐振后,在放电电极间产生非常高的正弦电压,当该电压超过一定值时将引起陶瓷阻挡介质间的空气击穿,从而产生低温空气等离子体,该等离子体作用于材料表面可对表面进行改性处理。上电极为直径50mm 的铝电极,下电极为80mm ×80mm ×2mm 的不锈钢电极,厚度为1mm、面积为100mm ×100mm 的氧化铝陶瓷覆盖在下电极表面作为阻挡介质,气隙可调范围为0~13mm。改性处理时, 处理材料放在介质上。放电电压采用Lecroy PPE 20kV 型高压探头来测量,其衰减系数为1000。放电电流通过在放电回路中串联一个阻值为10Ω的无感电阻Rm 获得,放电空间传输的电荷通过在放电回路上串联一个9.4nF 的测量电容Cm 获得。放电Lissajous 图形通过把高压探头测得的激励电压加在示波器的X 轴,把传输电荷加在示波器的Y轴获得。记录仪器采用Tek TDS220 (500MHz ,1Gs - 1) 数字示波器。放电功率通过计算Lissajous 图形的面积得到。

空气DBD 表面改性实验装置

图1  空气DBD 表面改性实验装置

  本文对PS 薄膜表面改性的处理参数如下:高压电极施加峰值为10kV 的正弦电压, 频率约为18.2kHz ,上极板底部至介质上表面的空气间隙距离为1.76mm。图2 为上述实验条件下测得的DBD 的电压电流波形和Lissajous 图形。从图2 (a) 中可以看出,在正弦波电压激励下,电流波形在电压的每半个周期内出现大量短时持续的电流脉冲,每一个脉冲就是一个微放电,这表明空气DBD 放电为DBD 放电的丝状放电形式; 从图2 ( b) 可看出,空气DBD 放电的Lissajous 图形由激励电压和传输电荷组成的封闭图形,其形状近似为平行四边形。其中,上下两边为未放电阶段,左右两边是放电阶段,放电阶段中直线上的毛刺是由于多周期放电重叠效果造成的。根据DBD 放电功率与李萨如图形面积的关系可得放电功率约为83W。

实验电压电流波形实验电压电流波形

图2  实验电压电流波形(a) 和Lissajous 图形(b)

1.2、实验材料及测试手段

  实验中采用的聚苯乙烯是从杭州塑料厂购买的工业级材料,其薄膜厚度为0.25mm。将大块聚苯乙烯薄膜裁成尺寸为20mm ×20mm 的小块作为处理试样,这些试样在超声波清洗器中经无水乙醇超声清洗后,在空气中晾干后立即放入放电室进行处理。接触角采用JC2000C2 型接触角测量仪(上海中晨) ,测试液体采用二次去离子水。表面微观形貌测试采用AFM2 Ⅱ型接触式原子力显微镜(浙江大学光电系) 。处理前后PS 薄膜表面化学成分采用5000CESCA 型X 射线光电子能谱(XPS) 仪(美国PHI 公司) ,数据分析采用设备自带的AugerScan3,21 软件(以C1 s = 284.6eV 为基准进行结合能校正) 。同时采用该软件和90 %Gaussian + 10 %Lorentzian 混合函数进行曲线拟合和解谱分析。

  限于篇幅,文章第二章节的部分内容省略,详细文章请邮件至作者索要。

3、结论

  采用常压DBD 产生的空气等离子体对PS 薄膜进行了表面改性,等离子体处理后PS 膜试样表面的水接触角随着处理时间的增加而下降,使处理后表面的润湿性大大提高。润湿性改善的原因与处理后PS 膜表面形貌和化学成分变化有关。空气等离子体处理后,PS 膜表面平均粗糙度增加;同时PS 膜表面发生了氧化和氮化,其氧化和氮化是由于引入高能官能团所致。

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