為了研究空氣介質阻擋放電(DBD) 對聚乙烯表面吸濕性的影響及其機理, 在本文中利用空氣DBD 對PE 表面進行改性研究。利用測量水接觸角測試儀測量樣品的水接觸角, 應用紅外光譜( FTIR-ATR) 、X 射線光電子譜( XPS) 對樣品進行表面表征, 應用掃描電鏡( SEM) 觀測在處理前、處理后及處理中加吹風系統的聚乙烯樣品表面上利用磁控濺射方法制備的銅膜。實驗結果表明: 水接觸角隨處理時間的增加而減小; FTIR-ATR, XPS 結果表明處理過樣品表面上引進了醛基、羧基等含氧基團親水基團。SEM 結果表明: 經過處理的樣品表面粗糙度增加, 表面吸濕性改善; 處理過程中加入吹風系統對聚乙烯表面粗糙度影響較大, 對改善表面吸濕性有較大作用。

　　聚合物薄膜本身在包裝、密封、醫療方面有著廣泛應用, 但由于聚合物薄膜表面能低, 親水性和附著強度較差, 在印染、打印、粘合力、涂覆能力等方面處于劣勢。聚合物薄膜表面改性成為近年來的熱門研究領域, 大致包括化學改性和物理改性。真空技術網(http://smsksx.com/)認為由于化學改性相對物理改性來說易造成環境污染, 高分子材料表面改性比較傾向于物理改性。物理改性主要是采用等離子體技術。S. Guruvenket 等利用微波電子回旋共振等離子體對聚苯乙烯和聚乙烯進行改性, 提高了吸濕性。Coen 等在高真空條件下對聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯等聚合物進行表面改性, 等離子體處理在聚合物表面引起了形貌改變。S. Bhowmik 等利用直流輝光放電在不同的電極結構條件下對聚丙烯進行表面改性, 研究了放電對聚丙烯的吸濕性和物理化學性質的影響。

　　介質阻擋放電( DBD) 被證明在聚合物表面研究領域非常有發展前途的應用技術。DBD 是有絕緣介質插入放電空間的一種氣體放電, 工作電壓為幾千伏, 工作頻率為5~ 500 kHz。DBD 等離子體里的平均電子能量是0~ 10 eV , 與聚合物里的化學鍵能相近, 帶電粒子能斷開聚合物表面的化學鍵實現改性。DBD 放電結構簡單, 沒有復雜的電源要求, 不需昂貴的真空系統, 廣泛用于改性聚酰亞胺、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚甲基戊烯等諸多聚合物。本文中利用空氣DBD 對聚乙烯進行表面進行改性, 以期提高其表面的吸濕性并探討其機理。

1、實驗

　　圖1 為DBD 實驗裝置示意圖。放電室由500mm × 500 mm × 500 mm 不銹鋼制成; 正負電極均為直徑45 mm 不銹鋼: 上電極被厚為1 mm、直徑60 mm 的石英玻璃絕緣板所覆蓋; 下電極被聚乙烯所覆蓋, 高度可在1~ 5 mm 之間上下調動。上電極接高壓電源(頻率在0~ 20 kHz, 有效電壓在0~ 20 kV 之間連續可調) , 下電極接地。

圖1 實驗裝置示意圖

　　樣品來源于商用的聚乙烯薄膜, 厚度為100um, 將樣品剪成55 mm × 55 mm 的正方形, 先將其浸在酒精里0.5 h, 再浸在丙酮里放在超聲波儀器里振蕩0.5 h, 最后用去離子水將其再清洗一次, 自然晾干或用電吹風吹干, 樣品準備完畢。

　　利用空氣DBD 對樣品進行改性處理: 放電電壓為16 kV, 放電頻率為4 kHz; 電極間隙為2 mm; 樣品處理時間為1~ 120 s; 處理過程發生在大氣壓下的空氣中, 通過電動吹風機可改變樣品表面氣流。利用水接觸角檢測儀( 型號: OCAH200 德國Dataphysics公司) 測量被處理樣品的水接觸角: 采用去離子水進行測量, 每次取2 ul, 每個樣品測量5 次取其平均值作為最后測量值; 應用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)( 型號: AVATAR 360FT-IR, 附件為: ATR) 、X 光電子能譜( XPS) ( 型號: Kratos Analyt ical Amicus) 進行相關測試; 應用磁控濺射儀在處理120 s 的聚乙烯薄膜表面鍍銅膜(在大連理工大學三束材料改性實驗室完成) , 再用掃描電子顯微鏡(SEM) ( 型號: JSM-5600LV) 觀測銅膜表面。

　　本文通過利用空氣DBD 對聚乙烯表面進行處理, 研究了空氣DBD 對聚乙烯表面吸濕性的影響及其機理。應用水接觸角測量, FTIR-ATR, XPS, SEM來表征, 應用磁控濺射儀在未進行改性處理、應用空氣DBD 處理120 s 及處理120 s 后加風吹的聚乙烯樣品表面制備銅膜。實驗結果表明: 水接觸角隨處理時間的增加而減小。FTIR-ATR, XPS 檢測發現在處理過的樣品表面引進了醛基、羧基等含氧基團, 解釋了水接觸角減小的原因。制備銅膜實驗進一步驗證了實驗結果, 處理過程中加入吹風系統對改善聚乙烯表面吸濕性有較大作用。