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等離子體對(duì)聚四氟乙烯表面(miàn)改性的實驗探讨
- 分類：行業動态
- 作者：PFA管小姐姐
- 來源：丹凱
- 發(fā)布時間：2022-12-20 15:40
- 訪問量：
等離子體對(duì)聚四氟乙烯表面(miàn)改性的實驗探讨
- 分類：行業動态
- 作者：PFA管小姐姐
- 來源：丹凱
- 發(fā)布時間：2022-12-20 15:40
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聚四氟乙烯PTFE是一種(zhǒng)優良的高分子材料，該材料耐高溫、耐腐蝕、介電性優良、化學(xué)性能(néng)穩定并且具有很好(hǎo)的機械性能(néng)，因
此該材料被廣泛地應用于工程、軍事(shì)、生活的各個方面(miàn)。但是聚四氟乙烯高分子爲非極性的，并且表面(miàn)自由能(néng)很低，這(zhè)使得其
表面(miàn)的濕潤性能(néng)、親水性能(néng)很差，影響了現其在現實生産中的廣泛應用。
表面(miàn)改性的處理方法很多，本實驗采用幹式處理法中的等離子體處理法。處理時間短、無公害，并且隻改變材料表面(miàn)性能(néng)而不
影響材料其它性能(néng)。射頻等離子體通常是利用頻率在13.56MHz的高頻功率耦合到工作氣體使其放電産生等離子體。等離子體處
理聚四氟乙烯PTFE時，引起(qǐ)脫氟、交聯，形成(chéng)碳氫鍵及含氧、含氮基團，使其表面(miàn)極性成(chéng)分增加，親水性增加，改善濕潤性和
粘結性。依照高頻功率的耦合方式不同，射頻等離子體可以分爲電感耦合和電容耦合兩(liǎng)種(zhǒng)。
本實驗采用的是電感耦合方式，石英管作爲反應室，石英管外纏繞一定匝數的電感線圈，射頻功率通過(guò)感應線圈耦合到反應氣
體中去。等離子體的能(néng)量可以通過(guò)光輻射、中性分子流和粒子流作用到聚合物表面(miàn)，這(zhè)些能(néng)量的消散過(guò)程也就是表面(miàn)改性的根
本原因。
圖一：聚四氟乙烯管 來源：丹凱
1、實驗部分
1.1實驗材料和研究方法
500W射頻功率源等離子體設備。射頻功率源爲頻率13.56MHz。靜态接觸角儀。處理樣品爲市售0.05mm厚度的聚四氟乙烯薄
膜。
首先準備聚四氟乙烯薄膜樣品，用一定條件的等離子體進(jìn)行處理，處理後(hòu)用接觸角儀滴測量去離子水在聚四氟乙烯薄膜上的接
觸角，測量時取材料五到六處不同的地方進(jìn)行拍照記錄最後(hòu)選取當時溫度下的液體表面(miàn)張力值，使用Image analyze軟件和
simple CAST軟件計算得到接觸角，取平均求得最終接觸角。
1.2實驗條件記錄和實驗結果
實驗結果得出：
總體上處理時間在60s之前，接觸角都(dōu)減小了12°~15°度不等，在60s之後(hòu)，接觸角都(dōu)有不同程度的增加。适當的處理時間可以
使接觸角減小，超過(guò)合适時間，接觸角反彈增加。氧氣處理時，接觸角下降的最快，超過(guò)最佳時間範圍，反彈的也最多。氮氣
處理，最後(hòu)基本保持穩定，氩氣和空氣處理接觸角變化有所波動。
在相同壓強，氧氣氛圍接觸角最多減小17°。而高功率隻能(néng)加快接觸角減小的速度，并且高功率使得接觸角後(hòu)期變化出現波動。
相同壓強不同功率的氩氣等離子體對(duì)聚四氟乙烯PTFE表面(miàn)改性後(hòu)，處理前後(hòu)接觸角最多也是減小了15°左右，和氧氣處理類似，
高功率增快了接觸角下降的速度，但是氩氣等離子體處理時接觸角表現的更加波動。
由此得出，高功率的氧氣和氩氣等離子體處理的最佳效果不及低功率的等離子體。氫氣等離子體處理可使接觸角明顯下降，處
理前後(hòu)接觸角從115°減小到60°左右。
2、實驗結果分析
等離子體處理聚四氟乙烯PTFE，一般會引起(qǐ)脫氟、交聯、引入碳氫鍵、含氧基團等，從而破壞了聚四氟乙烯分子高度的對(duì)稱
性，改善了其親水性、濕潤性能(néng)。
氧氣等離子體中含有大量的活性離子，一般包含激發(fā)态氧分子和氧原子，也可能(néng)産生了負氧離子，這(zhè)些粒子可以發(fā)生氧化刻蝕
作用，特别是刻蝕作用極強。純氧氣等離子體處理PTFE時，由于其中大量活性粒子的作用，PTFE被強烈刻蝕，同時也發(fā)生一系
列的氧化反應，在本次實驗中，氧氣單獨氛圍的等離子體處理PTFE，接觸角最多僅改變15°，也可以歸結爲C-O鍵外的其他化學(xué)
鍵較少，非極性改變不大，接觸角有一定的減小，但随處理時間的增加，氧氣等離子體的刻蝕作用占主要因素，因此使産生的
含氧基團由于刻時作用而減少，從而潤濕性能(néng)有一定的下降，接觸角又有一定的上升。
氩氣是一種(zhǒng)惰性氣體，氩氣是等離子體處理中一種(zhǒng)非反應性氣體。氩原子不能(néng)直接接枝到高聚物表面(miàn)的大分子鏈中，但由于氩
氣等離子體中高能(néng)粒子轟擊材料表面(miàn)時可以使得碳碳鍵和碳氟鍵發(fā)生斷裂，在材料表面(miàn)産生大量自由基。PTFE在等離子體處理
後(hòu)産生的新自由基保持時間較長(cháng)，這(zhè)就使得處理完成(chéng)後(hòu)，空氣中的氧氣能(néng)與自由基發(fā)生作用，從而PTFE的極性增加，親水性增
強。
氫氣等離子體處理PTFE前後(hòu)，接觸角得到比較理想的改善。具體可以做以下推測，氫氣等離子體中含有大量的氫離子-，而
PTFE經(jīng)等離子體高能(néng)轟擊後(hòu)，碳氟鍵打開(kāi)，F是電負性極強的原子，可以和氫離子結合，形成(chéng)氫鍵，PTFE也變得不再高度對(duì)稱
了。對(duì)極性分子，像HF和NH3等，正是由于氫鍵的作用使得它們溶解度極好(hǎo)。于是推測，氫鍵的引入是使得PTFE吸水性變強的
原因。
3、結論
聚四氟乙烯PTFE經(jīng)空氣、氮氣、氩氣、氫氣等離子體表面(miàn)處理後(hòu)，其接觸角都(dōu)有減小，浸潤性能(néng)獲得改善，粘接效果明顯增
加，表面(miàn)能(néng)提高，尤其是其中的極性分量明顯增加，使其表面(miàn)性能(néng)得到優化，其中，氫氣等離子體處理結果最佳，接觸角減小
至。另外，高功率的等離子體能(néng)使得改性加快，但是并不是所有的氣體氛圍增加功率都(dōu)能(néng)使接觸角進(jìn)一步降低，例如氧氣和氩
氣等離子體，高功率不如低功率效果。
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