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由于等離子體內部具有許多高化學活性粒子,等離子體在材料表面處理及功能化方面表現出優異的性能,在材料表面親水/疏水性能改善、表面微納加工、生物組織表面處理等方面有著十分廣泛的應用。等離子體作用于材料表面時,由于放電氣體的差異會產生不同的作用效果,如清潔、活化、刻蝕、接枝、聚合等,以此對材料表面接觸角和表面能產生影響,從而達到改善材料表面性能的作用。這種相互作用并不會破壞材料本身的物理性質,其作用只發生在材料表面微納級別的深度。經等離子體處理后的材料表面擁有了新的特性,其表面能和表面微納結構都得以改善,且等離子體材料表面處理還能減少界面缺陷,清除表面污染雜質,處理過程無污染,因此等離子體對材料表面的改性應用具有重要的研究價值。

玻璃是一種無機非金屬材料,它通常可以用來作為基體材料,通過復合工藝與其他增強材料結合,形成玻璃基復合材料,經復合工藝后的玻璃基復合材料可以改善玻璃的韌性和強度。經過改良后的玻璃基復合材料在國防、電子工程、生物醫學等眾多科學領域的實踐中表現出了優越的性能。但是玻璃與其他材料之間形成的復合體系界面粘結性較弱,粘結界面的質量取決于材料表面的潤濕性,提高玻璃表面潤濕性在玻璃與其他材料之間的粘合中起著至關重要的作用。為了提高粘接強度,低溫等離子清洗對玻璃表面潤濕性的影響具有重要的研究意義。

基于等離子體在材料表面處理及功能化方面的優勢,本文應用等離子體清洗機對玻璃表面進行改性處理,旨在通過等離子體清洗技術改善玻璃表面的潤濕性,通過對玻璃表面的接觸角測量來觀察經過等離子清洗后的玻璃表面潤濕性是否得以改善,基于掃描電子顯微鏡對玻璃表面進行微觀形貌的觀察,分析等離子體作用于玻璃表面后,玻璃表面的微觀結構是否發生改變。

接觸角測量

實驗測得的玻璃表面接觸角隨等離子體清洗時間的變化情況如圖1所示,由圖中可以看出,經低溫氬等離子體清洗后的玻璃表面接觸角顯著降低,玻璃表面的潤濕性得到改善。當玻璃經低溫等離子體處理1min時,接觸角就迅速下降,玻璃表面潤濕性相較未處理時得到明顯改善。在1min的處理時間內,隨著時間的增加,玻璃表面的接觸角逐漸減小,說明玻璃表面的潤濕性逐漸提高。這是由于等離子體作用于玻璃表面時,其內部的高活性粒子會破壞材料表面原有的化學鍵,產生活性基團,這些活性基團于空氣中的粒子接觸反應,會在材料表面形成一些含氧的活性基團,這些親水官能團的引入將改善玻璃表面的潤濕性,提高其親水性。在等離子體作用于玻璃表面的時間超過1min以后,玻璃表面的接觸角基本不變,表明玻璃表面與水的接觸角已經基本達到飽和狀態。

圖1 玻璃表面接觸角隨等離子體清洗時間的變化

掃描電子顯微鏡(SEM)觀測

等離子體對材料表面的處理過程,除了在材料表面引入活性官能團增加其表面能,還可能對材料表面進行刻蝕、濺射等反應,改變材料表面的微觀結構,這種表面微觀物理結構的改變也會促使材料表面的潤濕性得到改善。因此,為了分析經等離子體清洗后的玻璃表面潤濕性提高的原因是否包含玻璃表面微觀結構發生了改變,需要對玻璃表面進行表面形貌的觀測。

掃描電子顯微鏡的觀測精度可以達到納米級別。由于等離子體在材料表面的作用只在材料表層很淺的區域,因此,本文利用掃描電子顯微鏡來觀察玻璃表面經等離子體清洗前后的表面形貌變化。

圖2為利用掃描電子顯微鏡在10μm刻度下觀測到的低溫等離子體處理前后玻璃表面的微觀形貌圖,可以看出,經低溫等離子清洗5min后,玻璃表面的微觀形貌圖沒有發生明顯的改變,處理前后玻璃表面形態幾乎相同,沒有明顯的等離子體刻蝕痕跡。由此得出結論,低溫氬等離子體清洗對玻璃表面潤濕性的改善主要是由于含氧官能團的引入,而非對玻璃表面的微觀形貌改變的結果。

 圖2 等離子體清洗前后的玻璃表面形貌圖

實驗結果表明,經過等離子清洗后的玻璃表面接觸角減小,玻璃表面潤濕性得到明顯提升,但玻璃表面的微觀形貌并未發生明顯改變,由此說明,低溫氬等離子清洗玻璃表面潤濕性的改善主要是由于玻璃表面含氧官能團的引入,而非對玻璃表面的微觀形貌改變的結果。