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等離子體對聚四氟乙烯表面改性的實(shí)驗(yàn)探討——無錫市祥健四氟制品有限公司

編輯：祥健四氟閱讀數(shù)：發(fā)布日期： 2020/4/24 9:39:02

信息摘要：

聚四氟乙烯PTFE是一種優(yōu)良的高分子材料，該材料耐高溫、耐腐蝕、介電性優(yōu)良、化學(xué)性能穩(wěn)定并且具有很好的機(jī)械性能，因此該材料被廣泛的應(yīng)用于工程、軍事、生活的各個方面。但是聚四氟乙烯高分子為非極性的，并且表面自由能很低，這使得其表面的濕潤性能、親水性能很差，影響了現(xiàn)其在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。

表面改性的處理方法很多，本實(shí)驗(yàn)采用干式處理法中的等離子體處理法。處理時間短、無公害，并且只改變材料表面性能而不影響材料其它性能。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產(chǎn)生等離子體。等離子體處理聚四氟乙烯PTFE時，引起脫氟、交聯(lián)，形成碳?xì)滏I及含氧、含氮基團(tuán)，使其表面極性成分增加，親水性增加，改善濕潤性和粘結(jié)性。依照高頻功率的耦合方式不同，射頻等離子體可以分為電感耦合和電容耦合兩種。本實(shí)驗(yàn)采用的是電感耦合方式，石英管作為反應(yīng)室，石英管外纏繞一定匝數(shù)的電感線圈，射頻功率通過感應(yīng)線圈耦合到反應(yīng)氣體中去。等離子體的能量可以通過光輻射、中性分子流和粒子流作用到聚合物表面，這些能量的消散過程也就是表面改性的根本原因。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)材料和研究方法

500W射頻功率源等離子體設(shè)備。射頻功率源為頻率13.56MHz。靜態(tài)接觸角儀。處理樣品為市售0.05mm厚度的聚四氟乙烯薄膜。

首先準(zhǔn)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，處理后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最后選取當(dāng)時溫度下的液體表面張力值，使用Image analyze軟件和simple CAST軟件計(jì)算得到接觸角，取平均求得最終接觸角。

1.2實(shí)驗(yàn)條件記錄和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出：

總體上處理時間在60s之前，接觸角都減小了12°~15°度不等，在60s之后，接觸角都有不同程度的增加。適當(dāng)?shù)奶幚頃r間可以使接觸角減小，超過合適時間，接觸角反彈增加。氧氣處理時，接觸角下降的最快，超過最佳時間范圍，反彈的也最多。氮?dú)馓幚恚詈蠡颈３址€(wěn)定，氬氣和空氣處理接觸角變化有所波動。

在相同壓強(qiáng)，氧氣氛圍接觸角最多減小17°。而高功率只能加快接觸角減小的速度，并且高功率使得接觸角后期變化出現(xiàn)波動。相同壓強(qiáng)不同功率的氬氣等離子體對聚四氟乙烯PTFE表面改性后，處理前后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，但是氬氣等離子體處理時接觸角表現(xiàn)的更加波動。

由此得出，高功率的氧氣和氬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較明顯下降，處理前后接觸角從115°減小到60°左右。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

等離子體處理聚四氟乙烯PTFE，一般會引起脫氟、交聯(lián)、引入碳?xì)滏I、含氧基團(tuán)等，從而破壞了聚四氟乙烯分子高度的對稱性，改善了其親水性、濕潤性能。

氧氣等離子體中含有大量的活性離子，一般包含激發(fā)態(tài)氧分子和氧原子，也可能產(chǎn)生了負(fù)氧離子，這些粒子可以發(fā)生氧化刻蝕作用，特別是刻蝕作用極強(qiáng)。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(qiáng)烈刻蝕，同時也發(fā)生一系列的氧化反應(yīng)，在本次實(shí)驗(yàn)中，氧氣單獨(dú)氛圍的等離子體處理PTFE，接觸角最多僅改變15°，也可以歸結(jié)為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，但隨處理時間的增加，氧氣等離子體的刻蝕作用占主要因素，因此使產(chǎn)生的含氧基團(tuán)由于刻時作用而減少，從而潤濕性能有一定的下降，接觸角又有一定的上升。

氬氣是一種惰性氣體，氬氣是等離子體處理中一種非反應(yīng)性氣體。氬原子不能直接接枝到高聚物表面的大分子鏈中，但由于氬氣等離子體中高能粒子轟擊材料表面時可以使得碳碳鍵和碳氟鍵發(fā)生斷裂，在材料表面產(chǎn)生大量自由基。PTFE在等離子體處理后產(chǎn)生的新自由基保持時間較長，這就使得處理完成后，空氣中的氧氣能與自由基發(fā)生作用，從而PTFE的極性增加，親水性增強(qiáng)。

氫氣等離子體處理PTFE前后，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)等離子體高能轟擊后，碳氟鍵打開，F(xiàn)是電負(fù)性極強(qiáng)的原子，可以和氫離子結(jié)合，形成氫鍵，PTFE也變得不再高度對稱了。對極性分子，像HF和NH3等，正是由于氫鍵的作用使得他們?nèi)芙舛葮O好。于是推測，氫鍵的引入是使得PTFE吸水性變強(qiáng)的原因。

3 結(jié)論

聚四氟乙烯PTFE經(jīng)空氣、氮?dú)狻鍤狻錃獾入x子體表面處理后，其接觸角都有減小，浸潤性能獲得改善，粘接效果明顯增加，表面能提高，尤其是其中的極性分量明顯增加，使其表面性能得到優(yōu)化，其中，氫氣等離子體處理結(jié)果最佳，接觸角減小至。另外，高功率的等離子體能使得改性加快，但是并不是所有的氣體氛圍增加功率都能使接觸角進(jìn)一步降低，例如氧氣和氬氣等離子體，高功率不如低功率效果。

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