如何確定最優(yōu)的聚丙烯等離子處理時間

當在表面上添加涂料、墨水、粘結(jié)劑或者其他材料時，表面性質(zhì)的控制就尤為重要了。特別是潤濕性-即工序中所用液體在固體表面的鋪展性和黏附能力-都需要控制。因為越來越多的產(chǎn)品依賴于塑料，從醫(yī)療器械到汽車保險杠，這個概念越來越重要，因為通常塑料對于許多液體都表現(xiàn)出比較差的潤濕性能。這是因為許多塑料的表面自由能都比較低。比如，聚丙烯材料，因為它的成本低，機械加工性能好，化學兼容性強以及機械性能優(yōu)而被廣泛使用，但它天然是疏水的，因此許多水相的液體無法浸潤該材料。
 
為了提高聚合物的潤濕性，通常會采用等離子處理。等離子處理，是將表面放置于一個腔體中并抽真空，然后用電離氣體轟炸表面，是一種用于提高潤濕性的安全且高效的技術(shù)，而無需有害氣體或者高溫，且復雜的幾何結(jié)構(gòu)也很容易處理。在聚合物處理比如聚丙烯，潤濕性能的增加是通過在表面形成一層親水的功能團，比如羰基、羥基和氫氧基等。
 
這里研究的目的是說明如何通過接觸角和表面自由能的測試來確定最優(yōu)的等離子處理時間。
聚丙烯樣品通過Glow Plasma System(Glow Research,Tempe,AZ)經(jīng)過空氣等離子處理，時間為1到120秒。等離子系統(tǒng)運行條件為50W，100kHz，腔內(nèi)壓力為1.0torr。處理完成后，使用 Attension Theta Flex光學接觸角儀測試探測液體（去離子水，乙二醇和二碘甲烷）的接觸角。每個測試在等離子處理完后約2分鐘測試。液滴設置為2微升。使用OneAttension軟件，通過OWRK計算方法通過接觸角確定聚丙烯的表面自由能。
 
測試-接觸角
 
在圖1中顯示了每種探測液體的平均接觸角隨等離子處理時間的變化。在開始的幾秒接觸角有個猛烈的降低到了64°，但水的接觸角在15秒后增加到了最大值。二碘甲烷的接觸角也在處理時間4秒后慢慢增加，而乙二醇的接觸角則在整個處理時間段基本保持不變。
 
圖2顯示了在等離子處理前和處理120秒后探測液體在聚丙烯表面的液滴圖。

 
測試-表面自由能
 
通過圖1中的接觸角，用OWRK方法確定聚丙烯的表面自由能（γ_tot）。總表面自由能，即極性和色散表面自由能與等離子處理時間的關系在圖3中。開始時γtot=24.2 mJ/m2但在處理3秒后增加到46.8 mJ/m2。表面自由能在15秒時降到最低值，而隨后升高到大約40 mJ/m2。
表面自由能中色散分量特別是極性部分也非常依賴于處理時間。開始時γ_p~0因為聚丙烯基本是色散的。經(jīng)過很短時間的離子暴露，γ_p增加到 12 mJ/m2而 γ_d 也增加到 35 mJ/m2。而15秒后，極性分量降低顯著，與總的表面自由能γ_tot降低一致，親水性降低。在處理時間大于15秒后，γ_p 逐漸升高而 γ_d 略微降低。

 
結(jié)論
接觸角和表面自由能的測試被證明是優(yōu)化等離子處理時間的有力方法。上面的結(jié)果顯示聚丙烯表面潤濕性顯著提高，同時在3-5秒后表面自由能增加。除了等離子處理時間，等離子壓力和功率的影響同樣可以通過上述方法來研究。
 
參考：
[1] F. Awaja, M. Gilbert, G. Kelly, B. Fox, P.J. Pigram. Adhesion of polymers. Prog. Polym. Sci. 34 (2009) 948-968,
[2] O.-J. Kwon, S. Tang, S.-W. Myung, N. Lu, H.-S. Choi. Surface characteris­tics of polypropylene film treated by an atmospheric pressure plasma. Surf. Coat. Technol. 192 (2005) 1-10.