氮气/空气等离子清洗铝合金对其表面亲水性能的影响

文章出处：等离子清洗机厂家 | 深圳纳恩科技有限公司| 发表时间：2025-02-19

本文采用氮气和空气等离子体对铝合金板进行改性处理，研究了等离子体清洗工艺对铝合金基体表面的微观结构、化学组分和润湿性的影响。

等离子清洗铝合金基体表面亲水性分析

通过接触角测量仪获得了不同等离子清洗工艺对应铝合金基体表面的接触角值,如图1.1所示。原始基体的润湿性表现一般,其接触角为77.86°。经氮气等离子体清洗后的接触角显著降至7.90°,显示亲水效果良好。而经空气等离子体清洗后的接触角达到4.06°(小于5°),表明润湿性得到了极大地改善,同时该表面则被认为具有超亲水特性。试验结果初步表明等离子体清洗可有效改善基体表面的润湿性。

图1.1 等离子体清洗前后铝合金基体表面的润湿角图像

铝合金基体表面结构表征分析

分别利用SEM和AFM对未处理铝合金和氮气/空气等离子体清洗后铝合金的表面微观形貌进行观察与粗糙度测试。如图1.2a所示,原始基体表面沉积薄薄的灰色锌镀层,锌颗粒呈现精细紧凑的特征。而经氮气/空气等离子处理后基体表面形态(图1.2b,c)并未显示出与原始基体有明显区别,未发现蚀刻痕迹情况。这表明等离子体清洗对铝合金表面不会产生明显的物理刻蚀作用,因此不会对基体的表面微观形貌产生明显影响。

图1.2铝合金基体的SEM图像:(a)未处理;(b)氮气等离子体处理;(c)空气等离子体处理

图1.3铝合金基体的AFM图像:(a)未处理;(b)氮气等离子体处理;(c)空气等离子体处理

AFM分析进一步证实了这一结果。基体表面的3D形貌和表面粗糙度值分别如图1.3所示。未处理的铝合金基体表面粗糙度Ra为40.71nm,而经过氮气等离子体和空气等离子体清洗5min后,表面粗糙度分别达到Ra41.24nm和Ra40.23nm。相较于图1.2a,图1.2b,c所示的基体表面粗糙度几乎无变化,表明等离子体清洗很难对基体表面形貌产生微观变化。这同时也说明了等离子体清洗铝合金后所展现出的亲水特性与基体表面粗糙程度无关。

采用XPS测试技术进一步研究等离子体射流处理前后铝合金基体表面的化学成分变化。由图1.4a中的XPS全谱图表明等离子体清洗前后的基体表面出现了Zn2p3、O1s、N1s及C1s峰,其相应的中心位置分别位于1021.8eV、531.8eV、400.8eV和284.8eV。在经过等离子体清洗后,C1s峰的相对强度出现不同程度的降低,而O1s峰强度明显提升。此外,经过空气等离子体清洗后的基体上O1s峰强度高于氮气等离子体。在氮气/空气等离子处理过程中,N2的电离导致含氮官能团(如N-H和N-O)吸附于铝合金表面,从而在基体表面出现N1s峰。

图1.4 铝合金基体的XPS图谱:(a)全谱图;(b)C 1s峰高分辨率光谱图

为了更加深入研究铝合金在等离子体清洗前后表面化学组分的变化,对C1s高分辨率XPS谱图进行了分峰拟合。如图1.4b所示,相应样品的C1s峰被分解成三个部分。发现未处理的铝合金基体上的结合能分别位于284.8eV、286.4eV和288.2eV位置,而经等离子体清洗的基体上有284.8eV、286.2eV和288.0eV的峰,分别归属于C-C(或C-H)、C-O和O-C=O键;并具有合理的FWHM。通过比较不同铝合金基体可以看出,样品暴露在等离子体环境中5min后,表面的碳含量(C-C或C-H)从75.2at.%降至54.2at.%(所涉及的碳键总和为100%)。

物质表面碳氢化合物污染与较高浓度的C-C和C-H键有关,碳键浓度的下降表明等离子体清洗对铝合金表面具有清洁作用。同时可以看到氧元素浓度(C-O和O-C=O)增加的现象,这与C-C键数量的降低有着直接关系。这意味着含氧浓度更高的空气等离子体清洗可以在铝合金表面引入更多的极性氧基官能团。由于水具有极性特征,这解释了亲水基团引入了基体表面可导致接触角快速下降的原因。与氮气等离子体相比,空气等离子体清洗对表面化学组成的影响更为明显。

为了研究氮气/空气等离子体对铝合金表面的改性效果,对改性前后的基体进行了红外测试分析。图1.5为等离子体清洗前后的铝合金表面的ATR-FTIR图谱。原始铝合金表面的红外光谱在2925和2867cm^-1区域对应-CH2/CH3基团的弯曲振动,此为有机吸附物的特征峰。从图谱中可以看出,经氮气/空气等离子体改性后基体表面上的-CH2/CH3特征峰强度明显下降,表明等离子体清洗可有效降低基体表面的碳氢物的吸附。同时,在谱图1717cm^-1区域检测出了微弱伸缩振动吸收峰,其为具有亲水特性的-C=O官能团。铝合金经氮气和空气等离子体清洗后,在3100~3600cm^-1区域均出现了明显的-OH的伸缩振动吸收峰。这揭示了在等离子处理过程中,由于电离作用而在基体表面引入羟基等含氧极性基团。另外,相较于氮气等离子体而言,空气等离子体清洗后的伸缩振动吸收峰强度更高,意味着在基体表面引入了更多数量的-OH基团。相比于原始铝合金基体,经等离子体改性后的基体吸附的极性基团可以极大改善表面的亲水性,以至于出现超亲水特征。

图1.5 铝合金基体的ATR-FTIR图谱

等离子清洗提高铝合金基体的润湿性分析

等离子体清洗过的铝合金表面润湿性增加的原因是:一方面去除了基体表面的有机污染物;另一方面经等离子体清洗后的表面会引入羟基、羧基等活性粒子。此外,这些接触角测量结果表明,与氮气等离子体工艺相比,在环境空气中产生的等离子体对材料表面改性效果要略好。这是由于空气等离子体中含有较高含量的氧活性粒子在铝合金表面产生更多的含氧基团(如-OH、C=O、-C-O和-O-C=O),尤其是增加了基体表面活性羟基-OH基团密度。因此,与N2气源相比,空气等离子体清洗能够进一步降低接触角,从而呈现超亲水状态。