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玻璃等離子表面清洗處理對(duì)其親水性能的影響

文章出處：等離子清洗機(jī)廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時(shí)間：2022-04-28
低溫等離子體中的粒子具有較高的速度，在對(duì)材料表面進(jìn)行改性過(guò)程中，低溫等離子體中的粒子會(huì)與材料表面發(fā)生碰撞，與材料表面發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)，改變材料的表面性能。

本文采用氧氣低溫等離子體對(duì)玻璃表面進(jìn)行表面改性處理，采用接觸角測(cè)試、XPS測(cè)試、掃描電鏡測(cè)試方法來(lái)表征經(jīng)氧氣等離子體改性前后玻璃的表面特性及微觀形貌。本次實(shí)驗(yàn)采用的是本公司生產(chǎn)制造的NE-PE05等離子清洗機(jī)，所用的工藝氣體為氧氣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析如下。

接觸角測(cè)試結(jié)果分析

圖1-1為玻璃在氧氣低溫等離子體表面改性前后的接觸角對(duì)比圖，等離子體改性時(shí)間分別是1min、3min、5min。其中，本試驗(yàn)中的接觸角值均由接觸角測(cè)定儀自動(dòng)計(jì)算得到。從圖1-1可知，未改性處理玻璃表面的接觸角最大，其值為21.1°。玻璃表面經(jīng)過(guò)低溫等離子體表面改性后，接觸角明顯降低，表面潤(rùn)濕性提高。當(dāng)玻璃經(jīng)低溫等離子體改性1min后，接觸角為2.6°，如圖1-1(b)所示，表面接觸角降低了87.7%，表明經(jīng)過(guò)氧氣低溫等離子體改性后玻璃表面潤(rùn)濕性得到大幅度提高。這是因?yàn)樵诘入x子體改性過(guò)程中，高能量的粒子沖擊玻璃表面，使材料表面部分化學(xué)鍵斷裂，在玻璃表面生成許多自由基，而氧氣則與表層自由基反應(yīng)生成活性官能團(tuán)，提高玻璃表面能，潤(rùn)濕性提高。
圖 1-1 玻璃在氧氣低溫等離子體表面改性前后的接觸角對(duì)比圖
圖 1-1 玻璃在氧氣低溫等離子體表面改性前后的接觸角對(duì)比圖

為了更直觀地了解隨著改性時(shí)間的增加，玻璃表面接觸角的變化情況，作改性時(shí)間與玻璃表面接觸角的關(guān)系曲線(xiàn)如圖1-2所示。從圖中可以看出：低溫等離子體改性能降低玻璃表面接觸角，改善玻璃表面的潤(rùn)濕性；在改性時(shí)間從1min到5min范圍內(nèi)，玻璃表面接觸角隨著改性時(shí)間的增加而緩慢增加，當(dāng)改性時(shí)間為1min時(shí)，水在玻璃表面的接觸角值最小，為2.6°，此時(shí)表面潤(rùn)濕性最好。由此可知，玻璃表面的氧氣低溫等離子體改性的最佳時(shí)間為1min。對(duì)于隨著改性時(shí)間的增加，玻璃表面接觸角反而增大現(xiàn)象，其原因可能是等離子體的刻蝕作用。隨著低溫等離子體改性時(shí)間的進(jìn)一步增加，玻璃表面因化學(xué)鍵斷裂而產(chǎn)生的低分子量物質(zhì)的概率增多，玻璃表面的刻蝕效果愈明顯，此時(shí)存在于刻蝕層以下的部分惰性官能團(tuán)暴露出來(lái)成為新的表面層，導(dǎo)致玻璃的表面能降低，潤(rùn)濕性變差，接觸角增大。
圖 1-2 低溫等離子體處理時(shí)間對(duì)玻璃表面水接觸角的影響
圖 1 -2 低溫等離子體處理時(shí)間對(duì)玻璃表面水接觸角的影響

XPS測(cè)試結(jié)果分析

XPS實(shí)驗(yàn)測(cè)試可用來(lái)分析玻璃經(jīng)低溫等離子體改性后，玻璃表面元素的變化情況，圖1-3(a)、(b)分別為玻璃經(jīng)低溫等離子體改性前后表面元素的XPS全譜圖。XPS全譜圖結(jié)果顯示，未低溫等離子體改性的玻璃表面檢測(cè)到O1s、C1s、Si2p、Au4f等信號(hào)，表明該表面含有O、C、Si、Au元素。玻璃經(jīng)低溫等離子體改性1min后，表面的元素含有O、C和Si元素。
圖 1 -3 低溫等離子體改性前后玻璃表面的 XPS 全譜圖
圖 1 -3 低溫等離子體改性前后玻璃表面的 XPS 全譜圖

 
通過(guò)玻璃表面的XPS實(shí)驗(yàn)測(cè)試，可以獲得未處理和在功率100W、處理時(shí)間1min條件下低溫等離子體改性處理后的玻璃表面的元素相對(duì)含量，表1-1為低溫等離子體改性前后玻璃表面元素的相對(duì)含量結(jié)果。從表中可以看出，經(jīng)過(guò)低溫等離子體改性后，玻璃表面的氧元素相對(duì)含量增加，碳元素的相對(duì)含量明顯降低，且O/C的比值從1.05增大到33.63，增大了32倍左右。該現(xiàn)象發(fā)生的原因是，本次低溫等離子體改性設(shè)備采用的氣體是氧氣，所以改性后玻璃表面的氧含量增加，形成更多的含氧官能團(tuán)；等離子體對(duì)材料表面具有清潔作用，能除去表面的含碳雜質(zhì)，使改性后玻璃表面碳元素含量降低。
表1-1 低溫等離子體改性前后玻璃表面元素相對(duì)含量分析（ Atomic %）
低溫等離子體改性前后玻璃表面元素相對(duì)含量分析
 
表面微觀結(jié)構(gòu)分析

圖1-4展示了玻璃在低溫等離子體改性前后的表面形貌。根據(jù)掃描電鏡結(jié)果觀察可知，在放大1000倍的條件下，玻璃經(jīng)低溫等離子體改性1min、3min、5min后，玻璃表面比較平整，如圖1-4(b)、(c)、(d)。與原始玻璃表面形貌相比較，表面形態(tài)幾乎沒(méi)有發(fā)生改變，這表明，經(jīng)過(guò)低溫等離子體改性后，玻璃表面形貌沒(méi)有發(fā)生明顯的破壞改變。
圖1 -4 玻璃在低溫等離子體改性前后的表面形貌
圖1 -4 玻璃在低溫等離子體改性前后的表面形貌
實(shí)驗(yàn)總結(jié)

利用接觸角測(cè)試、XPS測(cè)試、掃描電鏡等實(shí)驗(yàn)手段來(lái)研究氧氣低溫等離子體改性方法對(duì)玻璃表面性質(zhì)的影響，其主要結(jié)論如下：
（1）氧氣低溫等離子體改性方法能提高玻璃表面的潤(rùn)濕性，且隨著改性時(shí)間的增加，玻璃表面接觸角呈先降低后增大的變化趨勢(shì)。
（2）經(jīng)氧氣低溫等離子體改性后，玻璃表面氧元素相對(duì)含量增加，表面的含碳雜質(zhì)減少。
（3）經(jīng)過(guò)表面形貌觀察，發(fā)現(xiàn)玻璃表面形貌比較平整，低溫等離子體改性不會(huì)破壞玻璃表面形貌。
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