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高密度聚乙烯(HDPE)因其硬度、拉伸強度和蠕變性好;耐磨性、電絕緣性較好;化學穩定性好;易加工等優點,在高分子材料加工方面應用廣泛,但HDPE表面的疏水性導致其表面膠黏接強度差,在與極性材料復合時,二者的相容性較差。等離子體處理可提高高分子材料潤濕性。

為分析等離子體處理工藝對HDPE表面潤濕性的影響,深入探究等離子體改性機理,本研究采用O2和N2兩種等離子體分別對HDPE表面進行處理,并對等離子處理前后HDPE表面形貌及化學結構進行表征,進一步探究等離子體改性的機理。

等離子處理前后表面形貌及化學結構分析

SEM分析

圖1 等離子處理前后HDPE表面SEM照片

圖1為采用等離子體處理前后的HDPE表面形貌SEM照片。從圖1可以看出,未經等離子體處理的HDPE表面較平滑,經等離子體處理后,HDPE表面形成了明顯的刻蝕痕跡,出現小白點以及溝壑,表面粗糙度明顯增加。相關文獻表明,等離子體處理后,材料表面有明顯的等離子體蝕刻痕跡并留下凹凸不平的坑洼,即在材料表面形成了冷等離子粗化面。等離子體處理造成材料表面粗糙化主要原因是冷等離子體中高能粒子轟擊材料表面,使表面化學鍵部分斷開,并發生蝕刻作用,從而使表面物理結構發生改變,表面的粗糙度增加。

XPS結果分析

圖2 等離子處理前后HDPE表面XPS譜圖

圖2為等離子處理前后HDPE表面XPS譜圖，從圖2可以看出,未經等離子處理的HDPE表面C1s光譜是對稱的,結合能為284.4eV,由C—C/C—H(285.0eV)和C—OH(286.2eV)組成,其中C—OH是由聚烯烴不可避免的自然風化引起的,其相對比例較低。經等離子處理后,HDPE處理前后的主要元素并沒發生變化,仍主要是由有O、C和N元素組成其C1s峰明顯不對稱,C1s峰向高能量一側拖尾,這說明HDPE經O2、N2等離子體處理后在其表面引入了含氧官能團,經波形認定,含氧官能團主要是—C=O—、O=C—O—兩種類型,這一結果與已知文獻一致。聚合物表面潤濕性與其表面的特征官能團密切相關,當表面引入含O或含N極性基團,可在界面垂直方向產生特殊作用力,這些作用力是由各類極性基團在界面垂直方向上的氫鍵和偶極間的分子間作用力協同產生,這些作用力的綜合效應能改善聚合物的可潤濕性,與已知文獻一致。并且從N1s峰譜圖可以看出,N2等離子體處理后的HDPE表面的峰比處理前明顯增加,這可能是經過N2等離子體處理后生成了—C—NH2,—C—NH—等基團,O2等離子體處理后生成了HDPE表面引入的含N的基團少,主要是—CO—O—和C—O—基團。以上極性基團的引入大大增強了HDPE表面的極性,表現在處理后的樣品和水的接觸角顯著降低,表面能明顯增加,親水性顯著提高。

氮氣、氧氣等離子體處理后,HDPE表面發生蝕刻現象,產生明顯凹坑,并在其表面引入了含氧官能團C—O、C=O、O—C=O和含氮氣官能團—C—NH2、—C—NH—。