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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空尺度的體系。等離子體,是除去固、液、氣外物質存在的第四態。氣體被電離時,中性物質被分解成電子、離子與自由基,持續電離后,氣體將改變原有狀態,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,等離子技術發展為一門獨立學科,廣泛應用于紡織材料處理、膜材料、生物醫藥材料改性以及化學環境等領域。

圖根據電子溫度不同,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,進一步活化其表面,從而對材料后續的粘合處理或沉積涂層提供有利的條件,達到高效材料預處理的目的。這種預處理的機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,活性粒子沖擊材料表面,能在較小損壞材料優異性能的前提下,改善材料表面性能。主要作用有:

(1) 材料表面刻蝕。改變原有材料表面的粗糙度,刻蝕其表面產生凹坑,增加材料的比表面積,改善材料的潤濕性。

(2) 產生交聯基團。等離子體處理聚合物表面時,由于活性粒子與材料表面的沖擊碰撞,材料表面化學鍵斷裂,產生自由基。自由基與材料之間的鍵合,導致了交聯網絡結構的生成,從而改變了材料的表面性能。

(3) 引入官能團。當低溫等離子體的活性粒子易發生反應時,等離子體作用于材料表面則會引發較復雜的化學反應。如Ar、O2等等離子體氣體會在材料表面引入大量的-OH、-COOH等親水基團,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,由于其具有優良的耐候及耐化學性等,常應用于制造防風罩系統組件、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,高自由表面能結合合適的粗糙度預示著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)之間粘合強度的提升在很大程度上取決于對PVC的表面處理技術。

等離子體處理對PVC粘接性能的影響

為觀察等離子預處理前后,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,未經等離子預處理的PVC的表面十分均勻、平滑。經過等離子體清洗后,其表面出現部分凹坑與細小顆粒,表面有變粗糙的痕跡;等離子刻蝕其表面產生微坑,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元素的含量如表1所示。從此表可看出,未經等離子體處理的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,破壞了原有的化學鍵,引入了新的基團,O元素的含量有所提高。

表1 PVC等離子表面預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的水接觸角數據及表面能的大小。未經等離子體清洗的PVC接觸角為76.7°,表面能為36mN/m,表面親水。等離子體清洗時,活性粒子轟擊PVC的表面,破壞原有化學鍵,形成新的自由基。當這些自由基與空氣中的O作用時,PVC表面形成大量的-OH、-COOH等親水基團。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,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,工業生產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行材料表面處理的技術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材表面發生物理和化學變化,改變其粗糙度,引入不同的新基團,改變其表面能,進而提高粘接性能。