等离子体是由大量具有相互作用的带电粒子组成的有宏观时空尺度的体系。等离子体,是除去固、液、气外物质存在的第四态。气体被电离时,中性物质被分解成电子、离子与自由基,持续电离后,气体将改变原有状态,成为等离子体。它由电子、电子、光子及中性粒子组成,近似电中性。从70年代起,等离子技术发展为一门独立学科,广泛应用于纺织材料处理、膜材料、生物医药材料改性以及化学环境等领域。

图根据电子温度不同,可将温度在10⁵~10⁸K的等离子体命名为高温等离子体(如核聚变等离子体),温度在3×10²~10⁵K命名为低温等离子体。低温等离子体是非常有效的材料表面清洗、活化以及制备涂层的工艺,可清洗纺织品、膜材料、玻璃、金属等表面的油剂及杂质,进一步活化其表面,从而对材料后续的粘合处理或沉积涂层提供有利的条件,达到高效材料预处理的目的。这种预处理的机理是等离子体中的粒子与材料表面的相互作用。

等离子体处理聚合物材料表面时,活性粒子冲击材料表面,能在较小损坏材料优异性能的前提下,改善材料表面性能。主要作用有:

(1) 材料表面刻蚀。改变原有材料表面的粗糙度,刻蚀其表面产生凹坑,增加材料的比表面积,改善材料的润湿性。

(2) 产生交联基团。等离子体处理聚合物表面时,由于活性粒子与材料表面的冲击碰撞,材料表面化学键断裂,产生自由基。自由基与材料之间的键合,导致了交联网络结构的生成,从而改变了材料的表面性能。

(3) 引入官能团。当低温等离子体的活性粒子易发生反应时,等离子体作用于材料表面则会引发较复杂的化学反应。如Ar、O2等等离子体气体会在材料表面引入大量的-OH、-COOH等亲水基团,改善基底的亲水性。

聚氯乙烯(Polyvinylchloride,PVC)是一种通用型热塑性材料,由于其具有优良的耐候及耐化学性等,常应用于制造防风罩系统组件、窗框、污水和自来水管道等。

在过去的几十年里,人们致力于PVC表面改性以提高表面能,高自由表面能结合合适的粗糙度预示着PVC基层表面润湿性的增加和粘附性能的改善。因此,PVC与其他材料(例如:沥青基防水涂料)之间粘合强度的提升在很大程度上取决于对PVC的表面处理技术。

等离子体处理对PVC粘接性能的影响

为观察等离子预处理前后,PVC的微观形貌的变化,特使用扫描电子显微镜获取试样的SEM图像,如图1所示。从图1中可看出,未经等离子预处理的PVC的表面十分均匀、平滑。经过等离子体清洗后,其表面出现部分凹坑与细小颗粒,表面有变粗糙的痕迹;等离子刻蚀其表面产生微坑,有利于增加其比表面积,为下一步增加其与胶水的结合提供有利条件。

图1 等离子体处理前后PVC的SEM图像

表面元素分析

通过采集的EDS图像分析PVC在等离子体处理后表面元素的各个元素的含量如表1所示。从此表可看出,未经等离子体处理的PVC中含有C、Cl、O元素,少量的O元素的存在。利用等离子体处理PVC后,破坏了原有的化学键,引入了新的基团,O元素的含量有所提高。

表1 PVC等离子表面预处理前后各元素含量

接触角与表面能的变化

等离子处理方式下获得的PVC的水接触角如图3所示。表2为等离子体处理前后PVC的水接触角数据及表面能的大小。未经等离子体清洗的PVC接触角为76.7°,表面能为36mN/m,表面亲水。等离子体清洗时,活性粒子轰击PVC的表面,破坏原有化学键,形成新的自由基。当这些自由基与空气中的O作用时,PVC表面形成大量的-OH、-COOH等亲水基团。加之等离子体的侵蚀增加了PVC的粗糙度,PVC的接触角下降为22.5°。由于表面引入大量的极性基团,增加了PVC的表面极性,PVC的表面能提高到51.8mN/m。

图2 等离子体处理前后PVC的水接触角

表2 等离子体处理前后PVC的水接触角及表面能

改善材料的粘接性能能够增加材料粘接的牢固度,工业生产中改善材料的粘接性能的方法有很多,其中利用等离子体进行材料表面处理的技术是非常重要的工艺之一,通过等离子体处理轰击PVC材料表面,使PVC材表面发生物理和化学变化,改变其粗糙度,引入不同的新基团,改变其表面能,进而提高粘接性能。