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玻璃是一種結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為長程無序的、性能上具有玻璃轉(zhuǎn)變特性的非晶態(tài)固體。玻璃主要為離子鍵和共價鍵結(jié)構(gòu)，具有非常穩(wěn)定的電子配對和化學穩(wěn)定性，與金屬有著本質(zhì)的不同。提高玻璃表面親水性的處理方法包括紫外-臭氧處理、plasma等離子處理等物理方法.上述方法均可以提高基底表面的親水性，使溶液可以更好地鋪展。本文主要介紹plasma等離子處理石英玻璃表面以提高其親水性原理。

等離子體也經(jīng)常被稱為物質(zhì)的“第四態(tài)”，是由離子、電子和未電離的中性粒子集合而成的，可以用作材料刻蝕、表面活化等應用。等離子體中的活性粒子能量一般為幾至幾十電子伏特，大于一般材料的結(jié)合鍵能，與材料表面作用后完全可以打開化學鍵而形成新鍵，但其能量又遠低于高能放射性射線，故改性只涉及材料表面幾至幾百納米范圍內(nèi)。

等離子體與材料表面相互作用后，材料表面分子間的化學鍵被打開，并與放電空間中的氧、氮等自由基結(jié)合，在材料表面形成含氧、含氮的極性基團。由于表面增加了大量的極性基團，使材料表面的粘接性、吸濕性、可染色性、印刷性、抗腐蝕性及生物相容性等性能得到改善。研究表明，等離子體作用后材料表面主要發(fā)生4種物理化學變化：(1)產(chǎn)生自由基：放電空間活性粒子撞擊材料表面使表面分子間化學鍵被打開從而產(chǎn)生大分子自由基，使材料表面具有反應活性。(2)發(fā)生表面刻蝕：材料表面變粗糙，表面形狀發(fā)生變化；(3)發(fā)生表面交聯(lián)：材料表面的自由基之間重新結(jié)合，形成一層致密的網(wǎng)狀交聯(lián)層；(4)引入極性基團：表面的自由基與放電空間的反應性活性粒子結(jié)合從而引入具有較強反應活性的極性基團。

Plasma氧等離子處理提高玻璃親水性原理

圖1-1為玻璃在氧氣低溫等離子體表面處理前后的接觸角對比圖，等離子體改性時間分別是1min、3min、5min。其中，本試驗中的接觸角值均由接觸角測定儀自動計算得到。從圖1-1可知，未改性處理玻璃表面的接觸角最大，其值為21.1°。玻璃表面經(jīng)過低溫等離子體表面處理后，接觸角明顯降低，表面潤濕性提高。當玻璃經(jīng)低溫等離子體改性1min后，接觸角為2.6°，如圖1-1(b)所示，表面接觸角降低了87.7%，表明經(jīng)過氧氣低溫等離子體改性后玻璃表面潤濕性得到大幅度提高。這是因為在等離子體改性過程中，生成的含氧活性原子及離子等與玻璃片表面的-Si-0-Si-結(jié)構(gòu)作用，生成極性的-Si-OH作為表面終端，新生成的-Si-OH與原有的同樣結(jié)構(gòu)進一步與殘存的CO2,作用生成極性更強的-COOH，這樣就改變了玻璃片表面原有的弱極性環(huán)。極性基團-0H和-COOH的引入使H20與玻璃表面更容易以氫鍵的形式結(jié)合，從而增強了玻璃表面的親水性。

圖 1-1 玻璃在氧氣低溫等離子體表面處理前后的接觸角對比圖

當?shù)入x子體預處理玻璃表面時，能斷裂玻璃表面硅氧鍵結(jié)合的碳等雜質(zhì)分子，使表面鍵活化，生成羥基、羧基等，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-1所示:

圖2-1 等離子體處理后玻璃表面的羥基、羧基

綜上所述：經(jīng)過plasma氧等離子體處理后，玻璃表面的Si-O鍵被大量破壞，易于硅醇化形成Si-OH基團，從而改善了其表面的親水性。