低温等离子体处理对PTFE薄膜的亲水化改性一、实验目的聚四氟乙烯(PTFE)作为一种优良的高分子材料备受人们的关注。PTFE分子是完全直链型的，没有支链结构，以碳原子为骨架，周围被氟原子覆盖。C-F键的键能大而键距短，F原子稠密地排布在C-C主链的周围，起保护作用，所以PTFE有极优的耐腐蚀性、耐高低温性、耐老化性。分子结构对称性使PTFE分子呈电中性，因此分子间作用力小、表面张力小，致使它的机械强度不大，但具有良好的不粘性。虽然PTFE性能优异，但由于其表面能低，润湿性能差，不能很好地被粘接，从而限制了其在一些特殊领域中的应用。为了使PTFE获得更广泛的应用，必须对它的表面进行改性，改善表面的润湿性能，以提高其粘合性能。PTFE的表面处理方法很多，有钠-萘络合物化学处理法、电解还原法、等离子体处理法等。钠-萘络合物化学处理法是一种效果较好、较经典的方法，但存在一些明显缺点，比如：被粘物表面变暗或变黑，在高温环境下表面电阻降低，长期暴露在光照下粘接性能将大大下降等。电解还原法是采用电解法将PTFE中的氟原子转变为离子，进而除去。电解还原法使PTFE表面被还原成多孔性的黑色碳素层，对粘接强度提高很有利，但是该法因为PTFE只是与电极相接触的一侧被碳化，所以只适合于薄膜或薄片的单面处理，并且电解还原的速度较低。近年来，利用低温等离子体对PTFE材料表面进行改性取得了很大的进展，并且在工业上已经获得了一定的应用。本实验采用低温等离子体技术对PTFE薄膜表面进行处理，通过测量接触角，研究了等离子体处理前后其润湿性能的变化。通过本实验应达到以下目的：1.了解低温等离子体对PTFE薄膜表面改性的作用机理：2.学会应用低温等离子体技术对PTFE薄膜进行亲水化改性；3.学会使用视频接触角测量仪对薄膜表面进行接触角的测试。截面CF2--CFh图1聚四氟乙烯的分子结构模型
低温等离子体处理对 PTFE 薄膜的亲水化改性 一、 实验目的 聚四氟乙烯(PTFE)作为一种优良的高分子材料备受人们的关注。PTFE分子是完全直链 型的，没有支链结构，以碳原子为骨架，周围被氟原子覆盖。C-F键的键能大而键距短，F原 子稠密地排布在C-C主链的周围，起保护作用，所以PTFE有极优的耐腐蚀性、耐高低温性、 耐老化性。分子结构对称性使PTFE分子呈电中性，因此分子间作用力小、表面张力小，致 使它的机械强度不大，但具有良好的不粘性。虽然PTFE 性能优异，但由于其表面能低，润 湿性能差，不能很好地被粘接，从而限制了其在一些特殊领域中的应用。为了使PTFE获得 更广泛的应用，必须对它的表面进行改性，改善表面的润湿性能，以提高其粘合性能。PTFE 的表面处理方法很多，有钠-萘络合物化学处理法、电解还原法、等离子体处理法等。钠-萘 络合物化学处理法是一种效果较好、较经典的方法，但存在一些明显缺点，比如：被粘物表 面变暗或变黑，在高温环境下表面电阻降低，长期暴露在光照下粘接性能将大大下降等。电 解还原法是采用电解法将PTFE 中的氟原子转变为离子，进而除去。电解还原法使PTFE表面 被还原成多孔性的黑色碳素层，对粘接强度提高很有利，但是该法因为PTFE只是与电极相 接触的一侧被碳化，所以只适合于薄膜或薄片的单面处理，并且电解还原的速度较低。近年 来，利用低温等离子体对PTFE材料表面进行改性取得了很大的进展，并且在工业上已经获 得了一定的应用。本实验采用低温等离子体技术对PTFE薄膜表面进行处理，通过测量接触 角，研究了等离子体处理前后其润湿性能的变化。 通过本实验应达到以下目的： 1. 了解低温等离子体对PTFE薄膜表面改性的作用机理； 2. 学会应用低温等离子体技术对PTFE薄膜进行亲水化改性； 3. 学会使用视频接触角测量仪对薄膜表面进行接触角的测试。 图 1 聚四氟乙烯的分子结构模型
二、实验原理低温等离子体中含有大量的电子、离子、激发态的分子原子、自由基及紫外光等活性粒子，这些粒子的能量大多在0-20ev之间，而高分子材料大多数是由C、H、O、N四种元素组成，这些分子之间的键能也多在1-10ev之间，如聚四氟乙烯结构中的C-F键能为4.8eV，恰恰在等离子体的能量作用范围，因而低温等离子体对PTFE材料表面改性就十分有效，使其表面的化学组分和化学结构发生变化。在非聚合性气体的等离子体对材料进行表面处理时，使用的工作气体有反应性气体（如O2、N2等）和非反应性气体（如Ar、He等），前者可使材料表面产生大量自由基，并将一些含氧的基团引人材料表面，如羰基（C=O）、羧基（-COOH）和羟基（-OH）等，这些都是亲水性的基团，它们的引入使材料表面的浸润性得到增强。同时由手氧化分解的作用加速了材料表面的粗糙化，对提高材料的粘接强度也发挥了重要作用。非反应气体的作用与反应性气体的作用相同之处也是产生大量的自由基，但在此更重要的一点是由于大分子自由基的加成作用使其材料表面形成薄薄的交联层，交联层的形成改变了表面自由能，从而提高了润湿性和粘接性。接触角能用来表征材料表面的润湿性，材料与水的接触角越小，表明材料的亲水性越好，润湿性越好。因此通过测试改性前后材料表面的静态接触角可以观察其润湿性的变化。三、仪器和材料1.仪器：HD-1A型冷等离子体处理仪1台（图2。包括真空反应室一个：CDO-2型热偶式真空计1个：SY-1型RF射频电源1个：气体流量计2个）：2X-4型直连式真空泵2台；视频接触角测量仪1台。2.材料：聚四氟乙烯薄膜若干（厚度0.15mm）；He气：氮气或氧气；丙酮。四、实验步骤与数据处理1、前期准备：在低温等离子体处理之前，依次用丙酮、蒸馏水清洗聚四氟乙烯薄膜，然后置手干燥箱中烘干，备用。2、低温等离子体处理：（1）将控制柜下方开关合上，关闭各气阀5。（2）将试样放入等离子体发生器的真空室7，合上真空室上盖。（3）启动两个真空泵按钮6，然后按下热偶真空计开关1，测量真空度。观察真空计指针，等真空度小于5Pa，慢慢旋开工作气体进气阀，进工作气体。（4）调节气体流量计4，当工作气体气压至所需值时，按下功率源开关3，指示灯亮，缓缓调节板压，观察功率计，把功率调至真空室气体起辉，然后反复调节匹配电容C1和C2，直至反射功率最小。将功率调至所需值。（5）在计时器上设定工作时间，按下计时器开关按钮，计时器开始计时。等工作时间到，计时器报警。（5）逆时针调节电位器旋钮到最低位置，关闭放电电源。（6）关闭工作气体进气阀。关闭真空泵。最后打开真空
二、 实验原理 低温等离子体中含有大量的电子、离子、激发态的分子原子、自由基及紫外光等活性粒 子，这些粒子的能量大多在 0-20ev 之间，而高分子材料大多数是由 C、H、O、N 四种元素 组成，这些分子之间的键能也多在 l-10ev 之间，如聚四氟乙烯结构中的 C-F 键能为 4.8ev， 恰恰在等离子体的能量作用范围，因而低温等离子体对 PTFE 材料表面改性就十分有效，使 其表面的化学组分和化学结构发生变化。在非聚合性气体的等离子体对材料进行表面处理 时，使用的工作气体有反应性气体（如 O2、N2 等）和非反应性气体（如 Ar、He 等），前者 可使材料表面产生大量自由基，并将一些含氧的基团引人材料表面，如羰基（C=O）、羧基 （-COOH）和羟基（-OH）等，这些都是亲水性的基团，它们的引入使材料表面的浸润性得 到增强。同时由于氧化分解的作用加速了材料表面的粗糙化，对提高材料的粘接强度也发挥 了重要作用。非反应气体的作用与反应性气体的作用相同之处也是产生大量的自由基，但在 此更重要的一点是由于大分子自由基的加成作用使其材料表面形成薄薄的交联层，交联层的 形成改变了表面自由能，从而提高了润湿性和粘接性。 接触角能用来表征材料表面的润湿性，材料与水的接触角越小，表明材料的亲水性越好， 润湿性越好。因此通过测试改性前后材料表面的静态接触角可以观察其润湿性的变化。 三、 仪器和材料 1. 仪器：HD-1A 型冷等离子体处理仪 1 台（图 2。包括真空反应室一个；CDO-2 型 热偶式真空计 1 个；SY-1 型 RF 射频电源 1 个；气体流量计 2 个）；2X-4 型直连式真空泵 2 台； 视频接触角测量仪 1 台。 2. 材料：聚四氟乙烯薄膜若干（厚度 0.15mm）；He 气；氮气或氧气；丙酮。 四、 实验步骤与数据处理 1、 前期准备：在低温等离子体处理之前，依次用丙酮、蒸馏水清洗聚四氟乙烯薄膜， 然后置于干燥箱中烘干，备用。 2、 低温等离子体处理：（1）将控制柜下方开关合上，关闭各气阀5。（2）将试样放 入等离子体发生器的真空室7，合上真空室上盖。（3）启动两个真空泵按钮6，然后按下热 偶真空计开关1，测量真空度。观察真空计指针，等真空度小于5Pa，慢慢旋开工作气体进气 阀，进工作气体。（4）调节气体流量计4，当工作气体气压至所需值时，按下功率源开关3， 指示灯亮，缓缓调节板压，观察功率计，把功率调至真空室气体起辉，然后反复调节匹配电 容C1和C2，直至反射功率最小。将功率调至所需值。（5）在计时器上设定工作时间，按下 计时器开关按钮，计时器开始计时。等工作时间到，计时器报警。（5）逆时针调节电位器 旋钮到最低位置，关闭放电电源。（6）关闭工作气体进气阀。关闭真空泵。最后打开真空
放气阀，当真空室处于大气压后，打开真空室盖，取出样品。关闭真空室盖。冷等离子体改性设备67341.热偶式真空计：2.放射功率计：3.放电按钮：4.气体流量计：5.各种气阀：6.真空泵控制按钮：7.真空室图2HD-1A型冷等离子体处理仪3、接触角测量：在电脑上打开接触角测量仪软件，将样品膜安放在夹持工具上，保持水平，放在与镜头平行的位置。设置参数：注射器中液体注射速度为0.52ul/s，注射体积为3.0ul，取液滴左右两侧的水接触角的平均值为样品的接触角，每个样品测定5个接触角，取其平均值。五、 注意事项1、低温等离子体设备放置场所必须保持于净清洁。2、在等离子体处理前，必须检查各气阀是否关闭。实验过程中要严格按照操作顺序进行，不可乱动按钮。3、在设置等离子体放电功率时，必须调节匹配电容C1和C2，使反射功率不要太大，否则易损坏元器件。4、气氛置换时必须对腔体充气5-10分钟，清楚残留的气体。5、等离子体设备不工作时，真空室必须保持真空状态
放气阀，当真空室处于大气压后，打开真空室盖，取出样品。关闭真空室盖。 1.热偶式真空计；2.放射功率计；3.放电按钮；4.气体流量计；5.各种气阀；6.真空泵控制按钮；7.真空室 图 2 HD-1A 型冷等离子体处理仪 3、 接触角测量：在电脑上打开接触角测量仪软件，将样品膜安放在夹持工具上，保持 水平，放在与镜头平行的位置。设置参数：注射器中液体注射速度为0.52μl/s，注射体积为 3.0μl，取液滴左右两侧的水接触角的平均值为样品的接触角，每个样品测定5个接触角，取 其平均值。 五、 注意事项 1、 低温等离子体设备放置场所必须保持干净清洁。 2、 在等离子体处理前，必须检查各气阀是否关闭。实验过程中要严格按照操作顺序进 行，不可乱动按钮。 3、 在设置等离子体放电功率时，必须调节匹配电容 C1 和 C2，使反射功率不要太大， 否则易损坏元器件。 4、 气氛置换时必须对腔体充气 5-10 分钟，清楚残留的气体。 5、 等离子体设备不工作时，真空室必须保持真空状态。 2 1 3 4 5 6 7
六、思考题1、低温等离子体对PTFE薄膜处理前后，表面的接触角有什么变化？放电功率或等离子体处理时间对PTFE薄膜的接触角有什么影响？2、低温等离子体在高分子材料表面改性方面还有哪些应用？请举一实例
六、 思考题 1、 低温等离子体对 PTFE 薄膜处理前后，表面的接触角有什么变化？放电功率或等离 子体处理时间对 PTFE 薄膜的接触角有什么影响？ 2、 低温等离子体在高分子材料表面改性方面还有哪些应用？请举一实例