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等離子體處理,是一種良好的表面改性方法,廣泛應用于各種材料的表面改性。等離子體在1879年由英國物理學家和化學家William Crookes在研究陰極射線的時候發現,是一種兼顧物理方法和化學方法處理的氣態技術,具有低能耗、高效率、低污染、清洗效果好等優點在表面處理方面得到廣泛的應用。等離子體氣體中活性粒子的能量如表1所示、一些化學鍵的鍵能如表2所示。等離子體氣體中的活性粒子的能量略大于有機膜中常見化學鍵的鍵能,因此當有機膜處于等離子體氣體中時,等離子體能夠使得有機膜發生化學鍵的斷裂和生成,在這個過程中,生成的部分化學鍵則會使得有機膜變得親水。

等離子體處理時間對有機膜表面親水性的影響

經過50W等離子體處理之后的有機膜表面水接觸角隨時間的變化如圖1所示:

圖1 有機膜表面接觸角測試結果  (a)、(b)、(c) 為有機膜等離子體處理10s、50s、70s 

圖1中有機膜經50W等離子體處理10s、50s、70s后,表面水接觸角分別為下降為36.458°、14.414°、19.589°;

由圖1可知,經過等離子體處理之后的有機膜表面水接觸角明顯變小。當處理時間在50s內,有機膜表面水接觸角變化十分顯著,繼續增加處理時間會使得有機膜表面水接觸角在小范圍內變大。這是因為在等離子體處理前期階段,氧等離子體中的活性粒子與有機膜表面元素發生反應引入親水基團,并且能清潔有機膜表面的雜質和污垢。過長時間的處理會導致有機膜的過度氧化,使得部分羥基等親水性基團被破壞,化學結構出現變化,導致親水性出現小幅度變化。

等離子體處理對有機膜表面形貌的影響

圖2為經過不同等離子體功率處理時,得到的有機膜表面AFM形貌圖,AFM圖像經過平坦化矯正。其中(a)圖為未經處理的有機膜A和有機膜B的AFM圖,由(a)圖可以看出有機膜表面均勻光滑,幾乎沒有顆粒感,粗糙度約在0.6nm左右。經過50W的等離子體處理之后,兩種有機膜的表面粗糙度分別增大為0.78nm和1.12nm,如(b)圖所示。隨著等離子體處理功率的繼續增加,有機膜表面粗糙度也隨之逐漸增大。當經過100W、200W等離子體處理之后,有機膜A表面粗糙度分別達到0.92nm和1.76nm,有機膜B表面粗糙度分別達到1.39nm和2.65nm,如(c)圖、(d)圖所示。這是因為等離子體的激發功率越大,電子和離子等粒子的能量和速度也會相應的增加,這些能量和速度更大的粒子接觸到有機膜表面時,加劇了對有機膜表面的轟擊效應,對有機膜產生了更劇烈的物理刻蝕,有機膜表面化學鍵發生斷裂導致有機膜表面粗糙度增加。同時高功率的等離子體引發更劇烈的轟擊作用,導致襯底表面變得粗糙,進而影響有機膜表面親水性。

圖2 等離子體處理有機膜的表面形貌圖  (a) 原始襯底  (b) 50W處理  (c)100W處理  (d)200W處理 

等離子體處理增加有機膜表面親水性的主要原因如下：等離子體中的自由基和離子與有機膜表面發生一系列物理化學反應,生成羥基的同時去除了表面的附著物,能增加有機膜的親水性,提高有機膜的化學反應活性,改善有機膜的表面附著性。