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在等離子表面處理前和處理后的PET材料上分別進行靜態接觸角測量,然后分析其表面濕潤性的變化。在23℃下,利用室內測試儀測量和觀察接觸角。每個接觸角的測量都是薄PET樣品表面三個不同位置的平均值,結果如圖1.1所示。

圖1.1 等離子體O2處理不同時長的PET表面濕潤變化

等離子處理對PET材料表現出強大的改性能力,從圖中可以看到經過表面改性的PET接觸角最低可降低至10°以下,大大增加了PET的浸潤性。等離子處理前和30s處理的接觸角如圖1.2所示。如圖(a)在表面處理之前的接觸角為54.7°,經過O2等離子體處理30s后,圖(b)表現出的濕潤性明顯變強,親水性大大提高,接觸角減少至18.6°。

圖1.2 PET等離子處理前后水滴角變化

PET等離子表面處理時效性

等離子體表面處理雖然可以對材料表面進行良好的改性,大大提高材料表面的親水性。但是其對材料表面的處理效果并不是穩定的,一般而言,表面處理效果是會隨著其暴露在空氣中的時間而逐漸消退。不同學者對低溫等離子處理的機理做出過分析,其中最為廣泛的理論為高分子材料表面基團等動態重組。對于高分子材料而言,由于表面缺少與周圍原子、基團等作用,其表面的穩定性不如其內部,所以高分子材料表面具有一定的表面能。當PET材料經過等離子體處理后,其表面將會引入一些基團例如:-OH、-COOH、-NH2等來提高材料表面的浸潤性。這些基團的引入使得材料表面更加不穩定,其表面能也會相應增大。由于所有物質都會降低自身的能量來保持一個穩定狀態,所以為了保證材料本身的穩定性,經過等離子體處理過的材料表面所引入的基團會翻轉進入材料內部。相應地,材料內部的原子重新翻上表面直至材料表面和內部的原子、基團達成了動態平衡。經過O2等離子體處理PET材料的表面效果的消退機理如圖1.3所示。

圖1.3 O2等離子體處理后的PET的表面變化

為了探究改性后的PET材料的最佳處理時間段,分別將等離子處理30s后的PET材料放置在空氣中6h、5h、4h、3h、2h、1h,然后觀察其接觸角的變化,結果如圖1.2所示。等離子處理后的1h和2h內接觸角相差不大,相較于PET表面處理結束時的接觸角18.68°略高,都保持在22°左右。但是隨著放置在空氣的時間延長至3h至4h,接觸角開始了較大幅度的變化,接觸角在35°左右。時間繼續延長至6h,PET表面的接觸角恢復至最開始的圖1.4中表面未處理時的54°左右,親水性差,結果符合等離子表面處理具有時效性的理論。

圖1.4 等離子處理后PET表面的接觸角隨放置時長的變化