2020-08-14
當(dāng)在表面上添加涂料、墨水、粘結(jié)劑或者其他材料時，表面性質(zhì)的控制就尤為重要了。特別是潤濕性-即工序中所用液體在固體表面的鋪展性和黏附能力-都需要控制。因為越來越多的產(chǎn)品依賴于塑料，從醫(yī).療器械到汽車保險杠，這個概念越來越重要，因為通常塑料對于許多液體都表現(xiàn)出比較差的潤濕性能。這是因為許多塑料的表面自由能都比較低。比如，聚丙烯材料，因為它的成本低，機(jī)械加工性能好，化學(xué)兼容性強(qiáng)以及機(jī)械性能優(yōu)而被廣泛使用，但它天然是疏水的，因此許多水相的液體無法浸潤該材料。
為了提高聚合物的潤濕性，通常會采用等離子處理。等離子處理，是將表面放置于一個腔體中并抽真空，然后用電離氣體轟炸表面，是一種用于提高潤濕性的安全且gao效的技術(shù)，而無需有害氣體或者高溫，且復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)也很容易處理。在聚合物處理比如聚丙烯，潤濕性能的增加是通過在表面形成一層親水的功能團(tuán)，比如羰基、羥基和氫氧基等。
這里研究的目的是說明如何通過接觸角和表面自由能的測試來確定zui優(yōu)的等離子處理時間。
聚丙烯樣品通過Glow Plasma System(Glow Research,Tempe,AZ)經(jīng)過空氣等離子處理，時間為1到120秒。等離子系統(tǒng)運行條件為50W，100kHz，腔內(nèi)壓力為1.0torr。處理完成后，使用 Attension Theta Flex光學(xué)接觸角儀測試探測液體（去離子水，乙二醇和二碘.甲烷）的接觸角。每個測試在等離子處理完后約2分鐘測試。液滴設(shè)置為2微升。使用OneAttension軟件，通過OWRK計算方法通過接觸角確定聚丙烯的表面自由能。
圖1 接觸角隨等離子處理時間的變化
測試-接觸角
在圖1中顯示了每種探測液體的平均接觸角隨等離子處理時間的變化。在開始的幾秒接觸角有個猛烈的降低到了64°，但水的接觸角在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，而乙二醇的接觸角則在整個處理時間段基本保持不變。
圖2顯示了在等離子處理前和處理120秒后探測液體在聚丙烯表面的液滴圖。
圖2 探測液體的液滴圖（水，二碘.甲烷和乙二醇），在未處理和等離子處理120s后的聚丙烯表面
測試-表面自由能
通過圖1中的接觸角，用OWRK方法確定聚丙烯的表面自由能（γtot）。總表面自由能，即極性和色散表面自由能與等離子處理時間的關(guān)系在圖3中。開始時γtot=24.2 mJ/m2但在處理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。
表面自由能中色散分量特別是極性部分也非常依賴于處理時間。開始時γp~0因為聚丙烯基本是色散的。經(jīng)過很短時間的離子暴露，γp增加到 12 mJ/m2而 γd 也增加到 35 mJ/m2。而15秒后，極性分量降低顯著，與總的表面自由能γtot降低一致，親水性降低。在處理時間大于15秒后，γp 逐漸升高而 γd 略微降低。
圖3 聚丙烯的表面自由能隨等離子處理時間的變化
結(jié)論
接觸角和表面自由能的測試被證明是優(yōu)化等離子處理時間的有力方法。上面的結(jié)果顯示聚丙烯表面潤濕性顯著提高，同時在3-5秒后表面自由能增加。除了等離子處理時間，等離子壓力和功率的影響同樣可以通過上述方法來研究。
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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