PE表面等离子处理亲水性及时效性分析-plasma

等离子体指的是被电离的气体,是由电子、离子、原子、分子或自由基等粒子组成的集合体。低温等离子体是指温度在数十电子伏以下的电离气体。低温等离子体中粒子的能量一般约为几个至几十电子伏特,大于聚合物材料的结合键能(几个至十几电子伏特),完全可以破裂有机大分子的化学键而形成新键;只涉及材料表面而且可以在各种形状的材料的表面进行处理,不会影响基体材料的性质。因此低温等离子体具有环保、反应温度低、速度快、粒子能量高的特点。现在工业方面已经展开广泛的应用。

表面亲水性及时效性分析

等离子处理可以活化聚乙烯（PE）表面,从而提高聚乙烯表面的亲水性。不同等离子体处理时间与接触角的关系如图1所示,未经处理的样品表面的接触角为100.7°。在短时间内,随着处理时间的增加,接触角急剧下降,10s时接触角下降到66.3°,等离子体活化时间为180s时,接触角下降到49.4°。这是因为当聚合物表面短时间进行等离子体处理时,表面主要形成氢过氧化物;随着处理时间的增加,这些氢过氧化物进一步分解形成高反应性羟基自由基和烷烃;最后,由于聚合物分子链上的抽氢作用在聚合物表面形成了各种极性基团,如羰基(C=O)、羧基(-COOH)、羟基(-OH)等,使表面越来越亲水。在120s~600s的处理时间内接触角并没有发生显著的变化,其值在51°~58°之间,这可能是因为处理时间大于120s后在聚合物表面所产生的自由基与所消耗的自由基达到了一个相对的平衡状态。

图1 a)等离子体活化示意图;b)等离子体处理时间与接触角的关系;c)等离子体活化后接触角随时间 的变化

为了探究等离子体处理方法自身的稳定性,实验考察了等离子体处理后接触角随时间的变化。由于对材料表面进行等离子体处理的深度只能达到距离材料表面几纳米到几百纳米的范围,这种改性方法不能获得稳定的改性表面,而且在材料表面产生的极性基团数量也较多。从图1可以看出,随着时间的推移,接触角逐渐增大,改性效果会部分丧失。这种现象的主要原因是:(1)被处理材料表面由于电子碰撞和能量积累仍处于高能亚稳态。这种不稳定的高能状态,势必会导致能量的释放,导致自然的恢复;(2)等离子活化处理后的材料表面暴露在空气中,由于空气中小分子的吸附,表面能降低;(3)引入大分子链的极性基团随着大分子链的自由旋转从表面旋转潜入体内,即被修饰表面被掩埋。