當(dāng)在表面上添加涂料、墨水、粘結(jié)劑或者其他材料時(shí)，表面性質(zhì)的控制就尤為重要了。特別是潤(rùn)濕性-即工序中所用液體在固體表面的鋪展性和黏附能力-都需要控制。因?yàn)樵絹碓蕉嗟漠a(chǎn)品依賴于塑料，從醫(yī).療器械到汽車保險(xiǎn)杠，這個(gè)概念越來越重要，因?yàn)橥ǔＫ芰蠈?duì)于許多液體都表現(xiàn)出比較差的潤(rùn)濕性能。這是因?yàn)樵S多塑料的表面自由能都比較低。比如，聚丙烯材料，因?yàn)樗某杀镜停瑱C(jī)械加工性能好，化學(xué)兼容性強(qiáng)以及機(jī)械性能優(yōu)而被廣泛使用，但它天然是疏水的，因此許多水相的液體無法浸潤(rùn)該材料。

為了提高聚合物的潤(rùn)濕性，通常會(huì)采用等離子處理。等離子處理，是將表面放置于一個(gè)腔體中并抽真空，然后用電離氣體轟炸表面，是一種用于提高潤(rùn)濕性的安全且gao效的技術(shù)，而無需有害氣體或者高溫，且復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)也很容易處理。在聚合物處理比如聚丙烯，潤(rùn)濕性能的增加是通過在表面形成一層親水的功能團(tuán)，比如羰基、羥基和氫氧基等。

這里研究的目的是說明如何通過接觸角和表面自由能的測(cè)試來確定zui優(yōu)的等離子處理時(shí)間。

聚丙烯樣品通過Glow Plasma System(Glow Research,Tempe,AZ)經(jīng)過空氣等離子處理，時(shí)間為1到120秒。等離子系統(tǒng)運(yùn)行條件為50W，100kHz，腔內(nèi)壓力為1.0torr。處理完成后，使用 Attension Theta Flex光學(xué)接觸角儀測(cè)試探測(cè)液體（去離子水，乙二醇和二碘.甲烷）的接觸角。每個(gè)測(cè)試在等離子處理完后約2分鐘測(cè)試。液滴設(shè)置為2微升。使用OneAttension軟件，通過OWRK計(jì)算方法通過接觸角確定聚丙烯的表面自由能。

圖1 接觸角隨等離子處理時(shí)間的變化

測(cè)試-接觸角

在圖1中顯示了每種探測(cè)液體的平均接觸角隨等離子處理時(shí)間的變化。在開始的幾秒接觸角有個(gè)猛烈的降低到了64°，但水的接觸角在15秒后增加到了zui大值。二碘.甲烷的接觸角也在處理時(shí)間4秒后慢慢增加，而乙二醇的接觸角則在整個(gè)處理時(shí)間段基本保持不變。

圖2顯示了在等離子處理前和處理120秒后探測(cè)液體在聚丙烯表面的液滴圖。

圖2 探測(cè)液體的液滴圖（水，二碘.甲烷和乙二醇），在未處理和等離子處理120s后的聚丙烯表面

測(cè)試-表面自由能

通過圖1中的接觸角，用OWRK方法確定聚丙烯的表面自由能（γtot）。總表面自由能，即極性和色散表面自由能與等離子處理時(shí)間的關(guān)系在圖3中。開始時(shí)γtot=24.2 mJ/m2但在處理3秒后增加到46.8 mJ/m2。表面自由能在15秒時(shí)降到zui低值，而隨后升高到大約40 mJ/m2。

表面自由能中色散分量特別是極性部分也非常依賴于處理時(shí)間。開始時(shí)γp~0因?yàn)榫郾┗臼巧⒌摹＝?jīng)過很短時(shí)間的離子暴露，γp增加到 12 mJ/m2而 γd 也增加到 35 mJ/m2。而15秒后，極性分量降低顯著，與總的表面自由能γtot降低一致，親水性降低。在處理時(shí)間大于15秒后，γp 逐漸升高而 γd 略微降低。

圖3 聚丙烯的表面自由能隨等離子處理時(shí)間的變化

結(jié)論

接觸角和表面自由能的測(cè)試被證明是優(yōu)化等離子處理時(shí)間的有力方法。上面的結(jié)果顯示聚丙烯表面潤(rùn)濕性顯著提高，同時(shí)在3-5秒后表面自由能增加。除了等離子處理時(shí)間，等離子壓力和功率的影響同樣可以通過上述方法來研究。

參考：

[1] F. Awaja, M. Gilbert, G. Kelly, B. Fox, P.J. Pigram. Adhesion of polymers. Prog. Polym. Sci. 34 (2009) 948-968,

[2] O.-J. Kwon, S. Tang, S.-W. Myung, N. Lu, H.-S. Choi. Surface characteris­tics of polypropylene film treated by an atmospheric pressure plasma. Surf. Coat. Technol. 192 (2005) 1-10.