由于等离子体内部具有许多高化学活性粒子,等离子体在材料表面处理及功能化方面表现出优异的性能,在材料表面亲水/疏水性能改善、表面微纳加工、生物组织表面处理等方面有着十分广泛的应用。等离子体作用于材料表面时,由于放电气体的差异会产生不同的作用效果,如清洁、活化、刻蚀、接枝、聚合等,以此对材料表面接触角和表面能产生影响,从而达到改善材料表面性能的作用。这种相互作用并不会破坏材料本身的物理性质,其作用只发生在材料表面微纳级别的深度。经等离子体处理后的材料表面拥有了新的特性,其表面能和表面微纳结构都得以改善,且等离子体材料表面处理还能减少界面缺陷,清除表面污染杂质,处理过程无污染,因此等离子体对材料表面的改性应用具有重要的研究价值。

玻璃是一种无机非金属材料,它通常可以用来作为基体材料,通过复合工艺与其他增强材料结合,形成玻璃基复合材料,经复合工艺后的玻璃基复合材料可以改善玻璃的韧性和强度。经过改良后的玻璃基复合材料在国防、电子工程、生物医学等众多科学领域的实践中表现出了优越的性能。但是玻璃与其他材料之间形成的复合体系界面粘结性较弱,粘结界面的质量取决于材料表面的润湿性,提高玻璃表面润湿性在玻璃与其他材料之间的粘合中起着至关重要的作用。为了提高粘接强度,低温等离子清洗对玻璃表面润湿性的影响具有重要的研究意义。

基于等离子体在材料表面处理及功能化方面的优势,本文应用等离子体清洗机对玻璃表面进行改性处理,旨在通过等离子体清洗技术改善玻璃表面的润湿性,通过对玻璃表面的接触角测量来观察经过等离子清洗后的玻璃表面润湿性是否得以改善,基于扫描电子显微镜对玻璃表面进行微观形貌的观察,分析等离子体作用于玻璃表面后,玻璃表面的微观结构是否发生改变。

接触角测量

实验测得的玻璃表面接触角随等离子体清洗时间的变化情况如图1所示,由图中可以看出,经低温氩等离子体清洗后的玻璃表面接触角显著降低,玻璃表面的润湿性得到改善。当玻璃经低温等离子体处理1min时,接触角就迅速下降,玻璃表面润湿性相较未处理时得到明显改善。在1min的处理时间内,随着时间的增加,玻璃表面的接触角逐渐减小,说明玻璃表面的润湿性逐渐提高。这是由于等离子体作用于玻璃表面时,其内部的高活性粒子会破坏材料表面原有的化学键,产生活性基团,这些活性基团于空气中的粒子接触反应,会在材料表面形成一些含氧的活性基团,这些亲水官能团的引入将改善玻璃表面的润湿性,提高其亲水性。在等离子体作用于玻璃表面的时间超过1min以后,玻璃表面的接触角基本不变,表明玻璃表面与水的接触角已经基本达到饱和状态。

图1 玻璃表面接触角随等离子体清洗时间的变化

扫描电子显微镜(SEM)观测

等离子体对材料表面的处理过程,除了在材料表面引入活性官能团增加其表面能,还可能对材料表面进行刻蚀、溅射等反应,改变材料表面的微观结构,这种表面微观物理结构的改变也会促使材料表面的润湿性得到改善。因此,为了分析经等离子体清洗后的玻璃表面润湿性提高的原因是否包含玻璃表面微观结构发生了改变,需要对玻璃表面进行表面形貌的观测。

扫描电子显微镜的观测精度可以达到纳米级别。由于等离子体在材料表面的作用只在材料表层很浅的区域,因此,本文利用扫描电子显微镜来观察玻璃表面经等离子体清洗前后的表面形貌变化。

图2为利用扫描电子显微镜在10μm刻度下观测到的低温等离子体处理前后玻璃表面的微观形貌图,可以看出,经低温等离子清洗5min后,玻璃表面的微观形貌图没有发生明显的改变,处理前后玻璃表面形态几乎相同,没有明显的等离子体刻蚀痕迹。由此得出结论,低温氩等离子体清洗对玻璃表面润湿性的改善主要是由于含氧官能团的引入,而非对玻璃表面的微观形貌改变的结果。

 图2 等离子体清洗前后的玻璃表面形貌图

实验结果表明,经过等离子清洗后的玻璃表面接触角减小,玻璃表面润湿性得到明显提升,但玻璃表面的微观形貌并未发生明显改变,由此说明,低温氩等离子清洗玻璃表面润湿性的改善主要是由于玻璃表面含氧官能团的引入,而非对玻璃表面的微观形貌改变的结果。