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高密度聚乙烯(HDPE)因其硬度、拉伸強(qiáng)度和蠕變性好;耐磨性、電絕緣性較好;化學(xué)穩(wěn)定性好;易加工等優(yōu)點(diǎn),在高分子材料加工方面應(yīng)用廣泛,但HDPE表面的疏水性導(dǎo)致其表面膠黏接強(qiáng)度差,在與極性材料復(fù)合時(shí),二者的相容性較差。等離子體處理可提高高分子材料潤濕性。

為分析等離子體處理工藝對(duì)HDPE表面潤濕性的影響,深入探究等離子體改性機(jī)理,本研究采用O2和N2兩種等離子體分別對(duì)HDPE表面進(jìn)行處理,并對(duì)等離子處理前后HDPE表面形貌及化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征,進(jìn)一步探究等離子體改性的機(jī)理。

等離子處理前后表面形貌及化學(xué)結(jié)構(gòu)分析

SEM分析

圖1 等離子處理前后HDPE表面SEM照片

圖1為采用等離子體處理前后的HDPE表面形貌SEM照片。從圖1可以看出,未經(jīng)等離子體處理的HDPE表面較平滑,經(jīng)等離子體處理后,HDPE表面形成了明顯的刻蝕痕跡,出現(xiàn)小白點(diǎn)以及溝壑,表面粗糙度明顯增加。相關(guān)文獻(xiàn)表明,等離子體處理后,材料表面有明顯的等離子體蝕刻痕跡并留下凹凸不平的坑洼,即在材料表面形成了冷等離子粗化面。等離子體處理造成材料表面粗糙化主要原因是冷等離子體中高能粒子轟擊材料表面,使表面化學(xué)鍵部分?jǐn)嚅_,并發(fā)生蝕刻作用,從而使表面物理結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,表面的粗糙度增加。

XPS結(jié)果分析

圖2 等離子處理前后HDPE表面XPS譜圖

圖2為等離子處理前后HDPE表面XPS譜圖，從圖2可以看出,未經(jīng)等離子處理的HDPE表面C1s光譜是對(duì)稱的,結(jié)合能為284.4eV,由C—C/C—H(285.0eV)和C—OH(286.2eV)組成,其中C—OH是由聚烯烴不可避免的自然風(fēng)化引起的,其相對(duì)比例較低。經(jīng)等離子處理后,HDPE處理前后的主要元素并沒發(fā)生變化,仍主要是由有O、C和N元素組成其C1s峰明顯不對(duì)稱,C1s峰向高能量一側(cè)拖尾,這說明HDPE經(jīng)O2、N2等離子體處理后在其表面引入了含氧官能團(tuán),經(jīng)波形認(rèn)定,含氧官能團(tuán)主要是—C=O—、O=C—O—兩種類型,這一結(jié)果與已知文獻(xiàn)一致。聚合物表面潤濕性與其表面的特征官能團(tuán)密切相關(guān),當(dāng)表面引入含O或含N極性基團(tuán),可在界面垂直方向產(chǎn)生特殊作用力,這些作用力是由各類極性基團(tuán)在界面垂直方向上的氫鍵和偶極間的分子間作用力協(xié)同產(chǎn)生,這些作用力的綜合效應(yīng)能改善聚合物的可潤濕性,與已知文獻(xiàn)一致。并且從N1s峰譜圖可以看出,N2等離子體處理后的HDPE表面的峰比處理前明顯增加,這可能是經(jīng)過N2等離子體處理后生成了—C—NH2,—C—NH—等基團(tuán),O2等離子體處理后生成了HDPE表面引入的含N的基團(tuán)少,主要是—CO—O—和C—O—基團(tuán)。以上極性基團(tuán)的引入大大增強(qiáng)了HDPE表面的極性,表現(xiàn)在處理后的樣品和水的接觸角顯著降低,表面能明顯增加,親水性顯著提高。

氮?dú)?、氧氣等離子體處理后,HDPE表面發(fā)生蝕刻現(xiàn)象,產(chǎn)生明顯凹坑,并在其表面引入了含氧官能團(tuán)C—O、C=O、O—C=O和含氮?dú)夤倌軋F(tuán)—C—NH2、—C—NH—。