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等離子體是由大量具有相互作用的帶電粒子組成的有宏觀時(shí)空尺度的體系。等離子體,是除去固、液、氣外物質(zhì)存在的第四態(tài)。氣體被電離時(shí),中性物質(zhì)被分解成電子、離子與自由基,持續(xù)電離后,氣體將改變?cè)袪顟B(tài),成為等離子體。它由電子、電子、光子及中性粒子組成,近似電中性。從70年代起,等離子技術(shù)發(fā)展為一門獨(dú)立學(xué)科,廣泛應(yīng)用于紡織材料處理、膜材料、生物醫(yī)藥材料改性以及化學(xué)環(huán)境等領(lǐng)域。

圖根據(jù)電子溫度不同,可將溫度在10⁵~10⁸K的等離子體命名為高溫等離子體(如核聚變等離子體),溫度在3×10²~10⁵K命名為低溫等離子體。低溫等離子體是非常有效的材料表面清洗、活化以及制備涂層的工藝,可清洗紡織品、膜材料、玻璃、金屬等表面的油劑及雜質(zhì),進(jìn)一步活化其表面,從而對(duì)材料后續(xù)的粘合處理或沉積涂層提供有利的條件,達(dá)到高效材料預(yù)處理的目的。這種預(yù)處理的機(jī)理是等離子體中的粒子與材料表面的相互作用。

等離子體處理聚合物材料表面時(shí),活性粒子沖擊材料表面,能在較小損壞材料優(yōu)異性能的前提下,改善材料表面性能。主要作用有:

(1) 材料表面刻蝕。改變?cè)胁牧媳砻娴拇植诙?刻蝕其表面產(chǎn)生凹坑,增加材料的比表面積,改善材料的潤濕性。

(2) 產(chǎn)生交聯(lián)基團(tuán)。等離子體處理聚合物表面時(shí),由于活性粒子與材料表面的沖擊碰撞,材料表面化學(xué)鍵斷裂,產(chǎn)生自由基。自由基與材料之間的鍵合,導(dǎo)致了交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的生成,從而改變了材料的表面性能。

(3) 引入官能團(tuán)。當(dāng)?shù)蜏氐入x子體的活性粒子易發(fā)生反應(yīng)時(shí),等離子體作用于材料表面則會(huì)引發(fā)較復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。如Ar、O2等等離子體氣體會(huì)在材料表面引入大量的-OH、-COOH等親水基團(tuán),改善基底的親水性。

聚氯乙烯(Polyvinylchloride,PVC)是一種通用型熱塑性材料,由于其具有優(yōu)良的耐候及耐化學(xué)性等,常應(yīng)用于制造防風(fēng)罩系統(tǒng)組件、窗框、污水和自來水管道等。

在過去的幾十年里,人們致力于PVC表面改性以提高表面能,高自由表面能結(jié)合合適的粗糙度預(yù)示著PVC基層表面潤濕性的增加和粘附性能的改善。因此,PVC與其他材料(例如:瀝青基防水涂料)之間粘合強(qiáng)度的提升在很大程度上取決于對(duì)PVC的表面處理技術(shù)。

等離子體處理對(duì)PVC粘接性能的影響

為觀察等離子預(yù)處理前后,PVC的微觀形貌的變化,特使用掃描電子顯微鏡獲取試樣的SEM圖像,如圖1所示。從圖1中可看出,未經(jīng)等離子預(yù)處理的PVC的表面十分均勻、平滑。經(jīng)過等離子體清洗后,其表面出現(xiàn)部分凹坑與細(xì)小顆粒,表面有變粗糙的痕跡;等離子刻蝕其表面產(chǎn)生微坑,有利于增加其比表面積,為下一步增加其與膠水的結(jié)合提供有利條件。

圖1 等離子體處理前后PVC的SEM圖像

表面元素分析

通過采集的EDS圖像分析PVC在等離子體處理后表面元素的各個(gè)元素的含量如表1所示。從此表可看出,未經(jīng)等離子體處理的PVC中含有C、Cl、O元素,少量的O元素的存在。利用等離子體處理PVC后,破壞了原有的化學(xué)鍵,引入了新的基團(tuán),O元素的含量有所提高。

表1 PVC等離子表面預(yù)處理前后各元素含量

接觸角與表面能的變化

等離子處理方式下獲得的PVC的水接觸角如圖3所示。表2為等離子體處理前后PVC的水接觸角數(shù)據(jù)及表面能的大小。未經(jīng)等離子體清洗的PVC接觸角為76.7°,表面能為36mN/m,表面親水。等離子體清洗時(shí),活性粒子轟擊PVC的表面,破壞原有化學(xué)鍵,形成新的自由基。當(dāng)這些自由基與空氣中的O作用時(shí),PVC表面形成大量的-OH、-COOH等親水基團(tuán)。加之等離子體的侵蝕增加了PVC的粗糙度,PVC的接觸角下降為22.5°。由于表面引入大量的極性基團(tuán),增加了PVC的表面極性,PVC的表面能提高到51.8mN/m。

圖2 等離子體處理前后PVC的水接觸角

表2 等離子體處理前后PVC的水接觸角及表面能

改善材料的粘接性能能夠增加材料粘接的牢固度,工業(yè)生產(chǎn)中改善材料的粘接性能的方法有很多,其中利用等離子體進(jìn)行材料表面處理的技術(shù)是非常重要的工藝之一,通過等離子體處理轟擊PVC材料表面,使PVC材表面發(fā)生物理和化學(xué)變化,改變其粗糙度,引入不同的新基團(tuán),改變其表面能,進(jìn)而提高粘接性能。