2020-08-14
当在表面上添加涂料、墨水、粘结剂或者其他材料时，表面性质的控制就尤为重要了。特别是润湿性-即工序中所用液体在固体表面的铺展性和黏附能力-都需要控制。因为越来越多的产物依赖于塑料，从医.疗器械到汽车保险杠，这个概念越来越重要，因为通常塑料对于许多液体都表现出比较差的润湿性能。这是因为许多塑料的表面自由能都比较低。比如，聚丙烯材料，因为它的成本低，机械加工性能好，化学兼容性强以及机械性能优而被广泛使用，但它天然是疏水的，因此许多水相的液体无法浸润该材料。
为了提高聚合物的润湿性，通常会采用等离子处理。等离子处理，是将表面放置于一个腔体中并抽真空，然后用电离气体轰炸表面，是一种用于提高润湿性的安全且驳补辞效的技术，而无需有害气体或者高温，且复杂的几何结构也很容易处理。在聚合物处理比如聚丙烯，润湿性能的增加是通过在表面形成一层亲水的功能团，比如羰基、羟基和氢氧基等。
这里研究的目的是说明如何通过接触角和表面自由能的测试来确定zui优的等离子处理时间。
聚丙烯样品通过Glow Plasma System(Glow Research,Tempe,AZ)经过空气等离子处理，时间为1到120秒。等离子系统运行条件为50W，100kHz，腔内压力为1.0torr。处理完成后，使用 Attension Theta Flex光学接触角仪测试探测液体（去离子水，乙二醇和二碘.甲烷）的接触角。每个测试在等离子处理完后约2分钟测试。液滴设置为2微升。使用OneAttension软件，通过OWRK计算方法通过接触角确定聚丙烯的表面自由能。
图1 接触角随等离子处理时间的变化
测试-接触角
在图1中显示了每种探测液体的平均接触角随等离子处理时间的变化。在开始的几秒接触角有个猛烈的降低到了64°，但水的接触角在15秒后增加到了zui大值。二碘.甲烷的接触角也在处理时间4秒后慢慢增加，而乙二醇的接触角则在整个处理时间段基本保持不变。
图2显示了在等离子处理前和处理120秒后探测液体在聚丙烯表面的液滴图。
图2 探测液体的液滴图（水，二碘.甲烷和乙二醇），在未处理和等离子处理120s后的聚丙烯表面
测试-表面自由能
通过图1中的接触角，用OWRK方法确定聚丙烯的表面自由能（γtot）。总表面自由能，即极性和色散表面自由能与等离子处理时间的关系在图3中。开始时γtot=24.2 mJ/m2但在处理3秒后增加到46.8 mJ/m2。表面自由能在15秒时降到zui低值，而随后升高到大约40 mJ/m2。
表面自由能中色散分量特别是极性部分也非常依赖于处理时间。开始时γp~0因为聚丙烯基本是色散的。经过很短时间的离子暴露，γp增加到 12 mJ/m2而 γd 也增加到 35 mJ/m2。而15秒后，极性分量降低显着，与总的表面自由能γtot降低一致，亲水性降低。在处理时间大于15秒后，γp 逐渐升高而 γd 略微降低。
图3 聚丙烯的表面自由能随等离子处理时间的变化
结论
接触角和表面自由能的测试被证明是优化等离子处理时间的有力方法。上面的结果显示聚丙烯表面润湿性显着提高，同时在3-5秒后表面自由能增加。除了等离子处理时间，等离子压力和功率的影响同样可以通过上述方法来研究。
参考：
[1] F. Awaja, M. Gilbert, G. Kelly, B. Fox, P.J. Pigram. Adhesion of polymers. Prog. Polym. Sci. 34 (2009) 948-968,
[2] O.-J. Kwon, S. Tang, S.-W. Myung, N. Lu, H.-S. Choi. Surface characteristics of polypropylene film treated by an atmospheric pressure plasma. Surf. Coat. Technol. 192 (2005) 1-10.
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