PTFE薄膜等离子体处理对其表面黏结性和亲水性的影响

文章出处：本站 | 网站编辑：深圳纳恩科技有限公司| 发表时间：2023-03-27

聚四氟乙烯（PTFE）薄膜是聚合物薄膜中的一种，具有良好的电绝缘性，常用于制作电容的介质，在电子电气等领域均有重要应用。与聚四氟乙烯薄膜一样，聚合物薄膜如聚乙烯(PE)、聚丙烯、聚乙烯对苯二酸酷(Polyethyleneterephthalate，PET)等高分子薄膜产量大，应用范围广，但在某些应用领域往往需要通过使用低温等离子体改变薄膜表面的些性质，如表面的亲水性、拉伸强度、粘结度、粗糙度、可印刷性等。

等离子体处理

等离子体是一种全部或部分电离了的气体状态的物质，含有原子、分子、离子、亚稳态和激发态、电子、自由基等粒子，并且电子、负离子与正离子的含量大致相等，因此被命名为等离子体。按物质状态说，等离子体是具有化学反应性的，它的组成和特性与普通气体不同，也称之为继固体、液体、气体之后的第四种物质状态。

等离子处理是指高分子材料经非聚合性等离子体处理后，引起材料结构的许多变化而对高分子材料进行表面改性。等离子体处理能够改善高分子材料的表面性能，如染色性、湿润性、粘合性等。

本文通过低温等离子体对PTFE薄膜表面进行改性，探究不同气体（O2、N2、H2和N2/H2）、放电功率和处理时间对PTFE薄膜表面黏附性及亲水性的影响，以表征材料黏结性能的变化，并使用X射线光电子能谱、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）等测试手段分析PTFE表面黏结性能的改善原因。等离子体产生装置为我司（纳恩科技）生产的容性耦合等离子体清洗机，该设备的系统示意图如图1所示，其由反应腔体、电子控制系统、13.56MHz射频电源发生器、自动匹配系统和真空泵（外部系统）组成。该设备具有放电空间大、等离子体产生均匀、可控性强等优点，主要用于等离子体清洗、材料表面活化及材料表面附着力改进等方面。

图一等离子体产生设备系统示意图

聚四氟乙烯（PTFE）等离子体处理测试与表征

表面黏附性
PTFE的表面黏附性用表面黏附力进行表征参照GB/T2791-1995，使用3M610胶带表征PTFE薄膜的表面黏附力，样品尺寸为200mmx25mm,拉力机剥离速度为100mm/min。试验中每种条件制备5个样品,测试结果取平均值。

亲水性
PTFE的亲水性采用表面水接触角进行表征。采用外形图像分析法测量PTFE薄膜表面的静态水接触角，以去离子水为参考液。

表面形貌
采用场发射扫描电子显微镜，观察等离子体处理前后PTFE薄膜的表面形貌。

表面元素含量
采用XPS分析PTFE表面元素含量及官能团的变化情况。

等离子体处理条件对聚四氟乙烯（PTFE）薄膜表面黏附性的影响

预试验发现，当放电功率为200和300W时等离子体的改性效果较好，而放电功率过高将导致PTFE薄膜变形，因此本试验选取放电功率为200和300W进行研究。

当放电功率为200和300W时，不同气体氛围等离子体处理后3M610胶带对PTFE薄膜的表面黏附力随处理时间的变化如图2所示。

图2不同等离子体处理条件下３Ｍ胶带对 PTFE的表面黏附力

由图2可知，未经等离子体处理的PTFE表面黏附力仅为0.5N,经不同气体氛围等离子体处理后PTFE的表面黏附力均得到了较大的提升。整体上，PTFE表面黏附力随处理时间的延长先增大后趋于平缓。具体而言，表面黏附力在30s处理时间内迅速提高,5min左右时取得最大值，之后随处理时间的延长而趋于平缓。当放电功率为200W时经H2等离子体处理后PTFE薄膜的表面黏附力提升最大,且表面黏附力最大值约为未处理时的8倍;当放电功率为300W时,N2/H2等离子体的改性效果最为显著，相比未处理时,PTFE薄膜的表面黏附力约增加了10倍。

等离子体处理条件对PTFE薄膜亲水性的影响

等离子体处理时间对PTFE薄膜静态水接触角的影响
放电功率为200和300W时，PTFE薄膜表面静态水接触角随处理时间的变化情况如图3所示。

图3 等离子体处理时间对PTFE膜水接触角的影响

由图3可知:经不同等离子体处理后PTFE薄膜的水接触角均有所减小，其中以H2等离子体处理后的水接触角变化最为显著;当放电功率增大到300W时，以N2/H2，等离子体处理后PTFE薄膜的水接触角明显减小，且随等离子体处理时间的延长，水接触角呈先减小后趋于平稳的态势。由此表明PTFE薄膜表面亲水性呈先快速增大后趋于平缓的态势,这与表面黏附性的变化趋势相吻合。

放电功率对PTFE静态水接触角的影响
由图3可知,等离子体处理时间约为1min时PTFE薄膜的亲水性较好，因此试验选取处理时间为1min来研究放电功率对PTFE薄膜表面水接触角的影响。等离子处理时间为1min时PTFE薄膜表面水接触角随放电功率的变化情况如图4所示。

图4 等离子体处理 1min 时放电功率对PTFE膜水接触角的影响

由图4可知，PTFE薄膜的表面水接触角随放电功率的增大先减小后保持稳定。其中:以O2、N2等离子体处理后PTFE薄膜表面水接触角稍有减小，亲水性仍较差;以H2等离子体处理后的PTFE薄膜表面水接触角变为初始值的一半,亲水性显著增强，且在200和300W时以H2等离子体处理的PTFE薄膜的水接触角均较小。由此可见,等离子体放电功率对PTFE薄膜表面改性具有显著影响，且在一定范围内增大功率可以增强改性效果并使水接触角减小，而当功率过大时改性效果达到饱和状态，表现为水接触角不再减小甚至略有回升。推测可能是因为在等离子体改性的同时存在刻蚀和新官能团的引入,当功率过大时等离子体内的高能粒子数增多,导致刻蚀作用增强，一部分接枝上去的官能团又会被重新刻蚀掉，如此最终达到平衡状态。

表面形貌分析
使用FE-SEM观察等离子体处理后PTFE薄膜的表面形貌变化情况。鉴于本文主要研究低温等离子体表面改性对PTFE表面黏结性能的影响，而使用N2/H2等离子体处理后PTFE薄膜的表面黏附性及亲水性均取得较好结果,说明N2/H2等离子体处理对改善PTFE的黏结性能有较好的效果，故以N2/H2等离子体处理后的样品为例进行分析。以N2/H2等离子体处理前后PTFE薄膜表面的SEM图如图5所示。从图5可以看出:未经处理的PTFE薄膜表面只有细小的裂痕，这是由膜的机械生产造成的;经N2/H2等离子体处理后样品表面粗糙度增大，且粗糙度随处理时间和放电功率的增加而增大，等离子体对PTFE薄膜表面的刻蚀作用使得材料表面粗糙度增大，使其表面黏附性和亲水性得以改善，这是其黏结性能改善的一个原因。

图5 N2/H2 等离子体处理前后PTFE膜的SEM图

表面元素分析
为研究等离子体处理后PTFE薄膜的表面元素含量变化,使用XPS进行分析。以N2/H2等离子体处理后的样品为例进行分析，处理前后PTFE薄膜的XPS谱图如图6所示。
由图6可知：未处理的PTFE薄膜表面只有F和C的特征峰，经N2/H2等离子体处理后PTFE薄膜表面出现了O和N的特征峰，证明等离子体处理向PTFE薄膜表面引入了O和N元素。为进一步分析PTFE薄膜表面黏结性能改善的原因，对薄膜的C1s谱进行分析，如图7所示。由图7可知：未经处理的PTFE样品C1s谱中只有CF2的特征峰；经N2/H2等离子体处理后薄膜表面增加了C=O、C-OH、C-C、C-CF3的特征峰。由此可见，等离子体处理可以在PTFE薄膜表面生成新的官能团，这是其表面黏附性即黏结性能提升的重要原因。

图6 N2/H2 等离子体处理前后PTFE薄膜XPS图

图7 N2/H2 等离子体处理前后PTFE膜的C1S谱

总结：

1)通过射频容性耦合放电，利用O2、N2、H2、和N2/H2等离子体可显著提升PTFE薄膜的表面黏附性，且N2/H2等离子体处理可取得最好的表面黏附性改性效果，在放电功率为300W时经N2/H2等离子体处理300s后表面黏附力可提高为未处理时的10倍左右。

2)等离子体处理可显著改善PTFE薄膜的表面亲水性，改性效果受气体氛围、放电功率和处理时间的影响。

3)SEM结果表明，经等离子体处理后PTFE薄膜的表面粗糙度增大，这是其黏结性能改善的原因之一。PTFE薄膜的表面黏附性与表面F/C、(O+N)/C比例有直接关系。样品的XPS分析表明，等离子体处理可以降低PTFE薄膜表面的F/C比例并引入新的活性基团，这是黏结性能提升的重要原因。