為了研究空氣介質(zhì)阻擋放電(DBD) 對聚乙烯表面吸濕性的影響及其機理, 在本文中利用空氣DBD 對PE 表面進行改性研究。利用測量水接觸角測試儀測量樣品的水接觸角, 應(yīng)用紅外光譜( FTIR-ATR) 、X 射線光電子譜( XPS) 對樣品進行表面表征, 應(yīng)用掃描電鏡( SEM) 觀測在處理前、處理后及處理中加吹風(fēng)系統(tǒng)的聚乙烯樣品表面上利用磁控濺射方法制備的銅膜。實驗結(jié)果表明: 水接觸角隨處理時間的增加而減小; FTIR-ATR, XPS 結(jié)果表明處理過樣品表面上引進了醛基、羧基等含氧基團親水基團。SEM 結(jié)果表明: 經(jīng)過處理的樣品表面粗糙度增加, 表面吸濕性改善; 處理過程中加入吹風(fēng)系統(tǒng)對聚乙烯表面粗糙度影響較大, 對改善表面吸濕性有較大作用。

　　聚合物薄膜本身在包裝、密封、醫(yī)療方面有著廣泛應(yīng)用, 但由于聚合物薄膜表面能低, 親水性和附著強度較差, 在印染、打印、粘合力、涂覆能力等方面處于劣勢。聚合物薄膜表面改性成為近年來的熱門研究領(lǐng)域, 大致包括化學(xué)改性和物理改性。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認為由于化學(xué)改性相對物理改性來說易造成環(huán)境污染, 高分子材料表面改性比較傾向于物理改性。物理改性主要是采用等離子體技術(shù)。S. Guruvenket 等利用微波電子回旋共振等離子體對聚苯乙烯和聚乙烯進行改性, 提高了吸濕性。Coen 等在高真空條件下對聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯等聚合物進行表面改性, 等離子體處理在聚合物表面引起了形貌改變。S. Bhowmik 等利用直流輝光放電在不同的電極結(jié)構(gòu)條件下對聚丙烯進行表面改性, 研究了放電對聚丙烯的吸濕性和物理化學(xué)性質(zhì)的影響。

　　介質(zhì)阻擋放電( DBD) 被證明在聚合物表面研究領(lǐng)域非常有發(fā)展前途的應(yīng)用技術(shù)。DBD 是有絕緣介質(zhì)插入放電空間的一種氣體放電, 工作電壓為幾千伏, 工作頻率為5~ 500 kHz。DBD 等離子體里的平均電子能量是0~ 10 eV , 與聚合物里的化學(xué)鍵能相近, 帶電粒子能斷開聚合物表面的化學(xué)鍵實現(xiàn)改性。DBD 放電結(jié)構(gòu)簡單, 沒有復(fù)雜的電源要求, 不需昂貴的真空系統(tǒng), 廣泛用于改性聚酰亞胺、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚甲基戊烯等諸多聚合物。本文中利用空氣DBD 對聚乙烯進行表面進行改性, 以期提高其表面的吸濕性并探討其機理。

1、實驗

　　圖1 為DBD 實驗裝置示意圖。放電室由500mm × 500 mm × 500 mm 不銹鋼制成; 正負電極均為直徑45 mm 不銹鋼: 上電極被厚為1 mm、直徑60 mm 的石英玻璃絕緣板所覆蓋; 下電極被聚乙烯所覆蓋, 高度可在1~ 5 mm 之間上下調(diào)動。上電極接高壓電源(頻率在0~ 20 kHz, 有效電壓在0~ 20 kV 之間連續(xù)可調(diào)) , 下電極接地。

圖1 實驗裝置示意圖

　　樣品來源于商用的聚乙烯薄膜, 厚度為100um, 將樣品剪成55 mm × 55 mm 的正方形, 先將其浸在酒精里0.5 h, 再浸在丙酮里放在超聲波儀器里振蕩0.5 h, 最后用去離子水將其再清洗一次, 自然晾干或用電吹風(fēng)吹干, 樣品準(zhǔn)備完畢。

　　利用空氣DBD 對樣品進行改性處理: 放電電壓為16 kV, 放電頻率為4 kHz; 電極間隙為2 mm; 樣品處理時間為1~ 120 s; 處理過程發(fā)生在大氣壓下的空氣中, 通過電動吹風(fēng)機可改變樣品表面氣流。利用水接觸角檢測儀( 型號: OCAH200 德國Dataphysics公司) 測量被處理樣品的水接觸角: 采用去離子水進行測量, 每次取2 ul, 每個樣品測量5 次取其平均值作為最后測量值; 應(yīng)用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)( 型號: AVATAR 360FT-IR, 附件為: ATR) 、X 光電子能譜( XPS) ( 型號: Kratos Analyt ical Amicus) 進行相關(guān)測試; 應(yīng)用磁控濺射儀在處理120 s 的聚乙烯薄膜表面鍍銅膜(在大連理工大學(xué)三束材料改性實驗室完成) , 再用掃描電子顯微鏡(SEM) ( 型號: JSM-5600LV) 觀測銅膜表面。

　　本文通過利用空氣DBD 對聚乙烯表面進行處理, 研究了空氣DBD 對聚乙烯表面吸濕性的影響及其機理。應(yīng)用水接觸角測量, FTIR-ATR, XPS, SEM來表征, 應(yīng)用磁控濺射儀在未進行改性處理、應(yīng)用空氣DBD 處理120 s 及處理120 s 后加風(fēng)吹的聚乙烯樣品表面制備銅膜。實驗結(jié)果表明: 水接觸角隨處理時間的增加而減小。FTIR-ATR, XPS 檢測發(fā)現(xiàn)在處理過的樣品表面引進了醛基、羧基等含氧基團, 解釋了水接觸角減小的原因。制備銅膜實驗進一步驗證了實驗結(jié)果, 處理過程中加入吹風(fēng)系統(tǒng)對改善聚乙烯表面吸濕性有較大作用。