常壓介質(zhì)阻擋放電對聚苯乙烯表面改性研究

　　鑒于介質(zhì)阻擋放電(DBD) 是工業(yè)上非常有前途的處理材料表面的環(huán)保技術(shù),于是采用常壓DBD 產(chǎn)生的空氣低溫等離子體對聚苯乙烯(PS) 薄膜進(jìn)行了表面改性。通過接觸角測量、原子力顯微鏡(AFM) 觀察和X射線光電子能譜(XPS) 分析,研究了空氣等離子體處理前后PS 薄膜的表面性能的變化。結(jié)果表明,PS 膜表面潤濕性隨處理時(shí)間的延長而提高,PS 膜表面粗糙度增加,而且在表面10nm范圍內(nèi)引入了含氧和含氮的官能團(tuán)。等離子體處理后PS 薄膜潤濕性改善的主要原因是由表面粗糙化和引入含氧、含氮極性官能團(tuán)的復(fù)合作用造成的。

　　近年來,大氣壓空氣等離子體表面改性技術(shù)由于具有環(huán)境友好性、成本低、效率高等優(yōu)勢而在工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。與低氣壓材料表面處理技術(shù),如薄膜沉積、表面改性等相比,具有成本低,運(yùn)行平穩(wěn)等特點(diǎn)。常用的產(chǎn)生大氣壓空氣等離子體的方法有電暈放電、介質(zhì)阻擋放電(DBD) 和大氣壓輝光放電( Atmospheric Pressure Glow Discharge ,APGD) 。與其他兩種方法相比,DBD 放電設(shè)備簡單、能量高,且很容易在工業(yè)環(huán)境下實(shí)現(xiàn),因此DBD 放電空氣等離子體已被用于處理聚丙烯、聚酰亞胺 、聚四氟乙烯 、聚甲酯丙烯酸甲酯和聚酯等聚合物材料的表面改性中。

　　聚苯乙烯(PS) 作為常用的絕緣材料,具有透明、成型性好、剛性好、電絕緣性能好、易染色、低吸濕性、和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),因而被廣泛用于生物醫(yī)學(xué)、電工、化工和包裝等工業(yè)領(lǐng)域。但PS 薄膜的表面能較低,導(dǎo)致其表面潤濕性、粘結(jié)性和可印染性等性能較差,這大大限制了其應(yīng)用范圍,因此研究人員采用不同的方法對其進(jìn)行表面改性。英國Mitchell 等采用異丙烯乙醇對PS 進(jìn)行了表面改性,印度Guruven-ket 等采用氬氣和氧氣等離子體對PS 進(jìn)行了表面改性,均取得較好的效果。工業(yè)生產(chǎn)中采用空氣等離子體的成本更低,具有廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景。

　　為此,本文利用大氣壓DBD 產(chǎn)生的空氣等離子體對PS 薄膜進(jìn)行了表面改性,通過接觸角測量、原子力顯微鏡(AFM) 觀察和X 射線光電子能譜(XPS) 等分析手段,研究了等離子體處理前后PS 薄膜表面特性的變化,并對結(jié)果進(jìn)行了分析。

1、實(shí)驗(yàn)部分

1.1、實(shí)驗(yàn)裝置及處理參數(shù)

　　為了與工業(yè)化生產(chǎn)環(huán)境盡可能一致,本文實(shí)驗(yàn)是在敞開的空氣環(huán)境下進(jìn)行的, 實(shí)驗(yàn)時(shí)溫度為28 ℃,DBD 實(shí)驗(yàn)裝置及其電氣接線圖如圖1 所示。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置主要包括四個(gè)部分:高頻電源A、高頻變壓器B、放電室C 和測量部分D 等組成。高頻高壓電源由單相市電、可控硅整流、電容濾波和半橋逆變電路等組成,其功率調(diào)節(jié)可采用脈沖幅值調(diào)制(Pulse Amplitude Modulation , PAM) 和脈沖頻率調(diào)制(Pulse Frequency Modulation ,PFM) 方式;高頻變壓器的工作頻率范圍為10kHz 到35kHz 的鐵氧體磁芯變壓器;放電室由高壓電極1、試樣2、阻擋介質(zhì)3、下電極4 和精密升降臺5 等組成;測量部分包括示波器、高壓探頭、普通探頭、測量電容Cm 和測量電阻Rm組成。放電系統(tǒng)的工作過程如下:單相市電經(jīng)可控硅整流成脈動直流,經(jīng)大容量電解電容濾波后變?yōu)檩^為平滑的高壓直流,該高壓直流經(jīng)過半橋逆變電路輸出高壓方波,該方波電壓經(jīng)變壓器漏感和負(fù)載組成的串聯(lián)諧振電路諧振后,在放電電極間產(chǎn)生非常高的正弦電壓,當(dāng)該電壓超過一定值時(shí)將引起陶瓷阻擋介質(zhì)間的空氣擊穿,從而產(chǎn)生低溫空氣等離子體,該等離子體作用于材料表面可對表面進(jìn)行改性處理。上電極為直徑50mm 的鋁電極,下電極為80mm ×80mm ×2mm 的不銹鋼電極,厚度為1mm、面積為100mm ×100mm 的氧化鋁陶瓷覆蓋在下電極表面作為阻擋介質(zhì),氣隙可調(diào)范圍為0～13mm。改性處理時(shí), 處理材料放在介質(zhì)上。放電電壓采用Lecroy PPE 20kV 型高壓探頭來測量,其衰減系數(shù)為1000。放電電流通過在放電回路中串聯(lián)一個(gè)阻值為10Ω的無感電阻Rm 獲得,放電空間傳輸?shù)碾姾赏ㄟ^在放電回路上串聯(lián)一個(gè)9.4nF 的測量電容Cm 獲得。放電Lissajous 圖形通過把高壓探頭測得的激勵電壓加在示波器的X 軸,把傳輸電荷加在示波器的Y軸獲得。記錄儀器采用Tek TDS220 (500MHz ,1Gs - 1) 數(shù)字示波器。放電功率通過計(jì)算Lissajous 圖形的面積得到。

圖1 　空氣DBD 表面改性實(shí)驗(yàn)裝置

　　本文對PS 薄膜表面改性的處理參數(shù)如下:高壓電極施加峰值為10kV 的正弦電壓, 頻率約為18.2kHz ,上極板底部至介質(zhì)上表面的空氣間隙距離為1.76mm。圖2 為上述實(shí)驗(yàn)條件下測得的DBD 的電壓電流波形和Lissajous 圖形。從圖2 (a) 中可以看出,在正弦波電壓激勵下,電流波形在電壓的每半個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)大量短時(shí)持續(xù)的電流脈沖,每一個(gè)脈沖就是一個(gè)微放電,這表明空氣DBD 放電為DBD 放電的絲狀放電形式; 從圖2 ( b) 可看出,空氣DBD 放電的Lissajous 圖形由激勵電壓和傳輸電荷組成的封閉圖形,其形狀近似為平行四邊形。其中,上下兩邊為未放電階段,左右兩邊是放電階段,放電階段中直線上的毛刺是由于多周期放電重疊效果造成的。根據(jù)DBD 放電功率與李薩如圖形面積的關(guān)系可得放電功率約為83W。

圖2 　實(shí)驗(yàn)電壓電流波形(a) 和Lissajous 圖形(b)

1.2、實(shí)驗(yàn)材料及測試手段

　　實(shí)驗(yàn)中采用的聚苯乙烯是從杭州塑料廠購買的工業(yè)級材料,其薄膜厚度為0.25mm。將大塊聚苯乙烯薄膜裁成尺寸為20mm ×20mm 的小塊作為處理試樣,這些試樣在超聲波清洗器中經(jīng)無水乙醇超聲清洗后,在空氣中晾干后立即放入放電室進(jìn)行處理。接觸角采用JC2000C2 型接觸角測量儀(上海中晨) ,測試液體采用二次去離子水。表面微觀形貌測試采用AFM2 Ⅱ型接觸式原子力顯微鏡(浙江大學(xué)光電系) 。處理前后PS 薄膜表面化學(xué)成分采用5000CESCA 型X 射線光電子能譜(XPS) 儀(美國PHI 公司) ,數(shù)據(jù)分析采用設(shè)備自帶的AugerScan3,21 軟件(以C1 s = 284.6eV 為基準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)合能校正) 。同時(shí)采用該軟件和90 %Gaussian + 10 %Lorentzian 混合函數(shù)進(jìn)行曲線擬合和解譜分析。

　　限于篇幅，文章第二章節(jié)的部分內(nèi)容省略，詳細(xì)文章請郵件至作者索要。

3、結(jié)論

　　采用常壓DBD 產(chǎn)生的空氣等離子體對PS 薄膜進(jìn)行了表面改性,等離子體處理后PS 膜試樣表面的水接觸角隨著處理時(shí)間的增加而下降,使處理后表面的潤濕性大大提高。潤濕性改善的原因與處理后PS 膜表面形貌和化學(xué)成分變化有關(guān)�？諝獾入x子體處理后,PS 膜表面平均粗糙度增加;同時(shí)PS 膜表面發(fā)生了氧化和氮化,其氧化和氮化是由于引入高能官能團(tuán)所致。