在等离子表面处理前和处理后的PET材料上分别进行静态接触角测量,然后分析其表面湿润性的变化。在23℃下,利用室内测试仪测量和观察接触角。每个接触角的测量都是薄PET样品表面三个不同位置的平均值,结果如图1.1所示。

图1.1 等离子体O2处理不同时长的PET表面湿润变化

等离子处理对PET材料表现出强大的改性能力,从图中可以看到经过表面改性的PET接触角最低可降低至10°以下,大大增加了PET的浸润性。等离子处理前和30s处理的接触角如图1.2所示。如图(a)在表面处理之前的接触角为54.7°,经过O2等离子体处理30s后,图(b)表现出的湿润性明显变强,亲水性大大提高,接触角减少至18.6°。

图1.2 PET等离子处理前后水滴角变化

PET等离子表面处理时效性

等离子体表面处理虽然可以对材料表面进行良好的改性,大大提高材料表面的亲水性。但是其对材料表面的处理效果并不是稳定的,一般而言,表面处理效果是会随着其暴露在空气中的时间而逐渐消退。不同学者对低温等离子处理的机理做出过分析,其中最为广泛的理论为高分子材料表面基团等动态重组。对于高分子材料而言,由于表面缺少与周围原子、基团等作用,其表面的稳定性不如其内部,所以高分子材料表面具有一定的表面能。当PET材料经过等离子体处理后,其表面将会引入一些基团例如:-OH、-COOH、-NH2等来提高材料表面的浸润性。这些基团的引入使得材料表面更加不稳定,其表面能也会相应增大。由于所有物质都会降低自身的能量来保持一个稳定状态,所以为了保证材料本身的稳定性,经过等离子体处理过的材料表面所引入的基团会翻转进入材料内部。相应地,材料内部的原子重新翻上表面直至材料表面和内部的原子、基团达成了动态平衡。经过O2等离子体处理PET材料的表面效果的消退机理如图1.3所示。

图1.3 O2等离子体处理后的PET的表面变化

为了探究改性后的PET材料的最佳处理时间段,分别将等离子处理30s后的PET材料放置在空气中6h、5h、4h、3h、2h、1h,然后观察其接触角的变化,结果如图1.2所示。等离子处理后的1h和2h内接触角相差不大,相较于PET表面处理结束时的接触角18.68°略高,都保持在22°左右。但是随着放置在空气的时间延长至3h至4h,接触角开始了较大幅度的变化,接触角在35°左右。时间继续延长至6h,PET表面的接触角恢复至最开始的图1.4中表面未处理时的54°左右,亲水性差,结果符合等离子表面处理具有时效性的理论。

图1.4 等离子处理后PET表面的接触角随放置时长的变化