空气等离子清洗对PE膜表面亲水性的影响

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：2025-02-20

等离子体是一种电离的类气体物质,由部分失去电子的原子和原子团电离产生的正负离子组成,其规模大于宏观电中性电离气体的德拜长度,其运动主要受电磁力控制,并表现出显著的集体行为。等离子体表面处理会对材料表面产生腐蚀作用。等离子体中大量的离子、激发态分子、自由基等活性粒子作用于固体样品表面,去除表面原有的污染物和杂质,并产生腐蚀作用,使样品表面变得粗糙,形成许多微观凹坑,增加了试样的比表面积。提高了固体表面的润湿性能。其次,等离子体表面处理还可以激活材料的表面结合能,起到交联作用。等离子体中粒子的能量在0~20eV范围内,而聚合物的键能大部分在0~10eV范围内。因此,当等离子体作用于固体表面时,固体表面原有的化学键被打破,等离子体中自由基中的这些化学键形成网状交联结构,极大地激活了表面活性。此外,等离子体表面处理允许形成新的官能团。如果在排放气体中引入活性气体,活性物质表面会发生复杂的化学反应,引入碳氢基、氨基、羧基等新的官能团。这些官能团都是活性基团,可以显著提高材料的表面活性。

等离子清洗对PE膜表面亲水性的影响

为了获得具有一定亲水性的PE膜,通过空气等离子体进行清洗处理,为了确定空气等离子体清洗后的化学组成,对等离子体清洗后的PE膜进行了XPS和红外表征。如图1-1(a)所示,原始PE膜表面仅检测到C元素,等离子体处理后的PE膜表面除C元素外,还有O元素和N元素,说明空气等离子体改性后可能在PE膜上接枝了含氧极性官能团。

图1-1 等离子体清洗前后PE膜的化学组成和浸润性变化

表1-1 不同空气等离子体清洗程度M-0、M-1及M-2的碳、氮和氧元素含量
不同空气等离子体改性程度M-0、M-1及M-2的碳、氮和氧元素含量

另外,表1-1还展示了空气等离子体处理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别为2.38%和0.51%,而M-2的氧和氮元素含量分别为19.39%和2.83%。由图1-2(b)所示,对空气等离子体清洗的碳峰(C1s)进行分峰处理,发现在285.92eV(C-O/C-N)和288.52eV(C=O/O-C=O)处存在额外的峰,证明在等离子体清洗的PE膜上存在含氧官能团。如图1-1(c)所示为空气等离子体清洗前后PE膜的红外测试表征,原始PE膜的特征峰位于1490cm^-1处,与亚甲基(-CH2-)的弯曲振动有关,对于等离子体处理的PE膜,在3608cm^-1和1710cm^-1观察到新的峰,分别对应羟基的振动吸收峰和羧酸的C=O拉伸振动吸收峰,证实了等离子体清洗后接枝了含氧官能团。随着等离子体处理程度的加深在1720cm^-1处C=O吸收峰的峰强变大,进一步说明提高等离子体处理参数在PE膜表面接枝的含氧官能团增多。这是由于等离子体清洗PE膜时,表面所生成的自由基与空气中的氧和氮接触后反应,在PE膜上接枝了含氧及含氮基团。图1-1(d)展示了原始PE膜和不同等离子体清洗参数改性PE膜的润湿性能。可以看出经过等离子体处理后PE膜表面能大大提高,表面的亲水性能得到显著改善,用静态接触角来表征处理前后膜表面亲水性的变化,未处理的PE膜接触角为124°,经等离子体清洗之后接触角逐渐减小,其中上表面处理参数40w/7s的水接触角为85°,下表面处理参数90w/180s的水接触角为6°。原因是等离子体清洗去除了PE膜表面的弱边界层,使表面产生起伏,变粗糙,并伴有化学键的断裂,形成自由基,因为刻蚀作用,材料表面的粗糙度增加,增加了材料的比表面积,从而有利于亲水润湿。