空氣等離子清洗對PE膜表面親水性的影響

文章出處：等離子清洗機廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發表時間：2025-02-20

等離子體是一種電離的類氣體物質,由部分失去電子的原子和原子團電離產生的正負離子組成,其規模大于宏觀電中性電離氣體的德拜長度,其運動主要受電磁力控制,并表現出顯著的集體行為。等離子體表面處理會對材料表面產生腐蝕作用。等離子體中大量的離子、激發態分子、自由基等活性粒子作用于固體樣品表面,去除表面原有的污染物和雜質,并產生腐蝕作用,使樣品表面變得粗糙,形成許多微觀凹坑,增加了試樣的比表面積。提高了固體表面的潤濕性能。其次,等離子體表面處理還可以激活材料的表面結合能,起到交聯作用。等離子體中粒子的能量在0~20eV范圍內,而聚合物的鍵能大部分在0~10eV范圍內。因此,當等離子體作用于固體表面時,固體表面原有的化學鍵被打破,等離子體中自由基中的這些化學鍵形成網狀交聯結構,極大地激活了表面活性。此外,等離子體表面處理允許形成新的官能團。如果在排放氣體中引入活性氣體,活性物質表面會發生復雜的化學反應,引入碳氫基、氨基、羧基等新的官能團。這些官能團都是活性基團,可以顯著提高材料的表面活性。

等離子清洗對PE膜表面親水性的影響

為了獲得具有一定親水性的PE膜,通過空氣等離子體進行清洗處理,為了確定空氣等離子體清洗后的化學組成,對等離子體清洗后的PE膜進行了XPS和紅外表征。如圖1-1(a)所示,原始PE膜表面僅檢測到C元素,等離子體處理后的PE膜表面除C元素外,還有O元素和N元素,說明空氣等離子體改性后可能在PE膜上接枝了含氧極性官能團。

圖1-1 等離子體清洗前后PE膜的化學組成和浸潤性變化

表1-1 不同空氣等離子體清洗程度M-0、M-1及M-2的碳、氮和氧元素含量
不同空氣等離子體改性程度M-0、M-1及M-2的碳、氮和氧元素含量

另外,表1-1還展示了空氣等離子體處理PE膜M-1和M-2的C、N、O元素含量。M-1的氧和氮元素含量分別為2.38%和0.51%,而M-2的氧和氮元素含量分別為19.39%和2.83%。由圖1-2(b)所示,對空氣等離子體清洗的碳峰(C1s)進行分峰處理,發現在285.92eV(C-O/C-N)和288.52eV(C=O/O-C=O)處存在額外的峰,證明在等離子體清洗的PE膜上存在含氧官能團。如圖1-1(c)所示為空氣等離子體清洗前后PE膜的紅外測試表征,原始PE膜的特征峰位于1490cm^-1處,與亞甲基(-CH2-)的彎曲振動有關,對于等離子體處理的PE膜,在3608cm^-1和1710cm^-1觀察到新的峰,分別對應羥基的振動吸收峰和羧酸的C=O拉伸振動吸收峰,證實了等離子體清洗后接枝了含氧官能團。隨著等離子體處理程度的加深在1720cm^-1處C=O吸收峰的峰強變大,進一步說明提高等離子體處理參數在PE膜表面接枝的含氧官能團增多。這是由于等離子體清洗PE膜時,表面所生成的自由基與空氣中的氧和氮接觸后反應,在PE膜上接枝了含氧及含氮基團。圖1-1(d)展示了原始PE膜和不同等離子體清洗參數改性PE膜的潤濕性能。可以看出經過等離子體處理后PE膜表面能大大提高,表面的親水性能得到顯著改善,用靜態接觸角來表征處理前后膜表面親水性的變化,未處理的PE膜接觸角為124°,經等離子體清洗之后接觸角逐漸減小,其中上表面處理參數40w/7s的水接觸角為85°,下表面處理參數90w/180s的水接觸角為6°。原因是等離子體清洗去除了PE膜表面的弱邊界層,使表面產生起伏,變粗糙,并伴有化學鍵的斷裂,形成自由基,因為刻蝕作用,材料表面的粗糙度增加,增加了材料的比表面積,從而有利于親水潤濕。