等离子体对聚四氟乙烯表面改性的实验探讨

聚四氟乙烯PTFE是一种优良的高分子材料，该材料耐高温、耐腐蚀、介电性优良、化学性能稳定并且具有很好的机械性能，因此该材料被广泛的应用于工程、军事、生活的各个方面。但是聚四氟乙烯高分子为非极性的，并且表面自由能很低，这使得其表面的湿润性能、亲水性能很差，影响了现其在现实生产中的广泛应用。 表面改性的处理方法很多，本实验采用干式处理法中的等离子体处理法。处理时间短、无公害，并且只改变材料表面性能而不影响材料其它性能。射频等离子体通常是利用频率在13.56MHz的高频功率耦合到工作气体使其放电产生等离子体。等离子体处理聚四氟乙烯PTFE时，引起脱氟、交联，形成碳氢键及含氧、含氮基团，使其表面极性成分增加，亲水性增加，改善湿润性和粘结性。依照高频功率的耦合方式不同，射频等离子体可以分为电感耦合和电容耦合两种。本实验采用的是电感耦合方式，石英管作为反应室，石英管外缠绕一定匝数的电感线圈，射频功率通过感应线圈耦合到反应气体中去。等离子体的能量可以通过光辐射、中性分子流和粒子流作用到聚合物表面，这些能量的消散过程也就是表面改性的根本原因。 1实验部分 1.1实验材料和研究方法 500W射频功率源等离子体设备。射频功率源为频率13.56MHz。静态接触角仪。处理样品为市售0.05mm厚度的聚四氟乙烯薄膜。 首先准备聚四氟乙烯薄膜样品，用一定条件的等离子体进行处理，处理后用接触角仪滴测量去离子水在聚四氟乙烯薄膜上的接触角，测量时取材料五到六处不同的地方进行拍照记录最后选取当时温度下的液体表面张力值，使用Image analyze软件和simple CAST软件计算得到接触角，取平均求得最终接触角。 1.2实验条件记录和实验结果 实验结果得出： 总体上处理时间在60s之前，接触角都减小了12°~15°度不等，在60s之后，接触角都有不同程度的增加。适当的处理时间可以使接触角减小，超过合适时间，接触角反弹增加。氧气处理时，接触角下降的最快，超过最佳时间范围，反弹的也最多。氮气处理，最后基本保持稳定，氩气和空气处理接触角变化有所波动。 在相同压强，氧气氛围接触角最多减小17°。而高功率只能加快接触角减小的速度，并且高功率使得接触角后期变化出现波动。相同压强不同功率的氩气等离子体对聚四氟乙烯PTFE表面改性后，处理前后接触角最多也是减小了15°左右，和氧气处理类似，高功率增快了接触角下降的速度，但是氩气等离子体处理时接触角表现的更加波动。 由此得出，高功率的氧气和氩气等离子体处理的最佳效果不及低功率的等离子体。氢气等离子体处理可使接触较明显下降，处理前后接触角从115°减小到60°左右。 2 实验结果分析 等离子体处理聚四氟乙烯PTFE，一般会引起脱氟、交联、引入碳氢键、含氧基团等，从而破坏了聚四氟乙烯分子高度的对称性，改善了其亲水性、湿润性能。 氧气等离子体中含有大量的活性离子，一般包含激发态氧分子和氧原子，也可能产生了负氧离子，这些粒子可以发生氧化刻蚀作用，特别是刻蚀作用极强。纯氧气等离子体处理PTFE时，由于其中大量活性粒子的作用，PTFE被强烈刻蚀，同时也发生一系列的氧化反应，在本次实验中，氧气单独氛围的等离子体处理PTFE，接触角最多仅改变15°，也可以归结为C-O键外的其他化学键较少，非极性改变不大，接触角有一定的减小，但随处理时间的增加，氧气等离子体的刻蚀作用占主要因素，因此使产生的含氧基团由于刻时作用而减少，从而润湿性能有一定的下降，接触角又有一定的上升。 氩气是一种惰性气体，氩气是等离子体处理中一种非反应性气体。氩原子不能直接接枝到高聚物表面的大分子链中，但由于氩气等离子体中高能粒子轰击材料表面时可以使得碳碳键和碳氟键发生断裂，在材料表面产生大量自由基。PTFE在等离子体处理后产生的新自由基保持时间较长，这就使得处理完成后，空气中的氧气能与自由基发生作用，从而PTFE的极性增加，亲水性增强。 氢气等离子体处理PTFE前后，接触角得到比较理想的改善。具体可以做以下推测，氢气等离子体中含有大量的氢离子-，而PTFE经等离子体高能轰击后，碳氟键打开，F是电负性极强的原子，可以和氢离子结合，形成氢键，PTFE也变得不再高度对称了。对极性分子，像HF和NH3等，正是由于氢键的作用使得他们溶解度极好。于是推测，氢键的引入是使得PTFE吸水性变强的原因。 3 结论 聚四氟乙烯PTFE经空气、氮气、氩气、氢气等离子体表面处理后，其接触角都有减小，浸润性能获得改善，粘接效果明显增加，表面能提高，尤其是其中的极性分量明显增加，使其表面性能得到优化，其中，氢气等离子体处理结果最佳，接触角减小至。另外，高功率的等离子体能使得改性加快，但是并不是所有的气体氛围增加功率都能使接触角进一步降低，例如氧气和氩气等离子体，高功率不如低功率效果。