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通過改變等離子處理參數(shù)(放電功率、處理距離和處理速度),研究不同處理參數(shù)對PMMA表面潤濕性的影響。不同放電功率對PMMA接觸角的影響如圖1和圖2所示,每個條件的參數(shù)為處理速度60mm/s,處理距離6mm,數(shù)據(jù)在至少四個不同的點位表征后取平均值得出。

圖1 等離子放電功率對PMMA接觸角的影響

圖2 放電功率對接觸角的影響:(a)未處理;(b)300 W;(c)600 W;(d)900 W

從圖中可以看出,功率的改變對于接觸角的影響十分明顯。未經(jīng)處理的PMMA片表面的接觸角為86.67°,接近親水和疏水的臨界值(90°)。而經(jīng)過300W的等離子處理后,PMMA表面的接觸角達到99.34°,表現(xiàn)出疏水性。當放電功率提升至600W時,PMMA表面的接觸角下降到35°。將放電功率進一步提升至900W時,PMMA表面的平均接觸角再次降低,達到32.3°。

可見當放電功率小到一定程度時,處理后PMMA的接觸角可以大于處理前PMMA的接觸角,這時等離子處理起到降低潤濕性的能力。隨放電功率的增加,接觸角逐漸變小,整體變化趨勢為也逐漸趨于穩(wěn)定。這時等離子處理起到增強潤濕性的能力。

在放電功率為900W、速度為60mm/s的參數(shù)下,選擇了4mm、7mm、11mm三種處理距離對PMMA片進行了試驗,圖3和圖4為不同處理距離對PMMA接觸角的影響。隨著處理距離的增加,接觸角先減小后增大,最小達到32.3°。

圖3 等離子處理距離對PMMA接觸角的影響

圖4 等離子處理距離對PMMA接觸角的影響:(a)4 mm; (b)7 mm; (c)11 mm

除此之外,研究了處理速度這一要素對潤濕性的影響。圖5和圖6為處理速度對PMMA接觸角的影響。隨著處理速度從30mm/s增加到90mm/s,接觸角的變化規(guī)律為先減小后增大,60mm/s時接觸角最小。

圖5 等離子處理速度對PMMA接觸角的影響

圖6 等離子處理速度對PMMA接觸角的影響:(a)30 mm/s;(b)60 mm/s; (c)90 mm/s

綜合三種因素對接觸角的影響,可以看出,放電功率對于接觸角的影響遠遠大于處理距離和處理速度對于接觸角的影響的比重。改變放電功率使接觸角下降67.04°,遠大于改變處理距離和處理速度時的接觸角下降量(分別為18.39°和20.63°),因此,通過等離子體處理進行表面改性可調(diào)節(jié)PMMA表面潤濕性,改變放電功率是便捷有效的方式。

等離子處理對PMMA表面化學組成的影響

通過XPS檢測等離子處理前后表面元素變化,分析等離子處理對PMMA表面化學成分的影響。XPS檢測結(jié)果如圖7所示。圖7(a-c)為等離子處理前PMMA表面能譜圖、C1s和O1s光譜圖。等離子處理前PMMA中元素如圖7a所示,光譜圖中只有C、O元素峰,表明PMMA中不含有其它元素雜質(zhì),圖7d為等離子處理后PMMA表面能譜圖。圖7e為等離子處理后PMMA表面C1s光譜圖,該光譜中有3種成分,分別位于284.8eV(C-C)、286.30eV(C-O)和288.73eV(O-C=O)。與等離子處理前相比(如圖7(b)所示),C-C峰強度降低,C-O、O-C=O峰強度升高。圖7f為等離子處理后PMMA表面O1s光譜,與未經(jīng)等離子處理相比,該光譜中除了存在位于532.02eV的C-O峰和533.36eV的C=O峰以外,還出現(xiàn)了新的峰,即位于533.44eV的O-H峰。

圖7 等離子處理前后,PMMA表面的XPS和各元素光譜:(a)等離子處理前的XPS;(b)等離 子處理前的C1s光譜; (c)等離子處理前的O1 s光譜; (d)等離子處理后的XPS; (e)等離子處理后 C1 s光譜; (f)等離子處理后的O1 s光譜 

表3.1、3.2、3.3為不同譜圖中等離子處理前后峰的強度,可以看到等離子處理后C元素含量減少,O元素含量增多。這是由于處理過程中等離子體與材料發(fā)生碰撞,對材料表面進行改性,使PMMA表面的長碳鏈斷裂,使得更多的O元素與C元素相連,從而使C-O、O-C=O鍵含量增加。這很好的解釋了表3.2中C-C強度減小,C-O、O-C=O強度增大的現(xiàn)象以及表3.3中含碳化學鍵占比減小的現(xiàn)象。含氧官能團占比增加可以增強PMMA表面的極性,同時也增強了PMMA表面的潤濕性,這與前文中等離子處理減小接觸角的現(xiàn)象吻合。