PTFE薄膜等離子體處理對其表面黏結性和親水性的影響

文章出處：本站 | 網(wǎng)站編輯：深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時間：2023-03-27

聚四氟乙烯（PTFE）薄膜是聚合物薄膜中的一種，具有良好的電絕緣性，常用于制作電容的介質，在電子電氣等領域均有重要應用。與聚四氟乙烯薄膜一樣，聚合物薄膜如聚乙烯(PE)、聚丙烯、聚乙烯對苯二酸酷(Polyethyleneterephthalate，PET)等高分子薄膜產(chǎn)量大，應用范圍廣，但在某些應用領域往往需要通過使用低溫等離子體改變薄膜表面的些性質，如表面的親水性、拉伸強度、粘結度、粗糙度、可印刷性等。

等離子體處理

等離子體是一種全部或部分電離了的氣體狀態(tài)的物質，含有原子、分子、離子、亞穩(wěn)態(tài)和激發(fā)態(tài)、電子、自由基等粒子，并且電子、負離子與正離子的含量大致相等，因此被命名為等離子體。按物質狀態(tài)說，等離子體是具有化學反應性的，它的組成和特性與普通氣體不同，也稱之為繼固體、液體、氣體之后的第四種物質狀態(tài)。

等離子處理是指高分子材料經(jīng)非聚合性等離子體處理后，引起材料結構的許多變化而對高分子材料進行表面改性。等離子體處理能夠改善高分子材料的表面性能，如染色性、濕潤性、粘合性等。

本文通過低溫等離子體對PTFE薄膜表面進行改性，探究不同氣體（O2、N2、H2和N2/H2）、放電功率和處理時間對PTFE薄膜表面黏附性及親水性的影響，以表征材料黏結性能的變化，并使用X射線光電子能譜、場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）等測試手段分析PTFE表面黏結性能的改善原因。等離子體產(chǎn)生裝置為我司（納恩科技）生產(chǎn)的容性耦合等離子體清洗機，該設備的系統(tǒng)示意圖如圖1所示，其由反應腔體、電子控制系統(tǒng)、13.56MHz射頻電源發(fā)生器、自動匹配系統(tǒng)和真空泵（外部系統(tǒng)）組成。該設備具有放電空間大、等離子體產(chǎn)生均勻、可控性強等優(yōu)點，主要用于等離子體清洗、材料表面活化及材料表面附著力改進等方面。

圖一等離子體產(chǎn)生設備系統(tǒng)示意圖

聚四氟乙烯（PTFE）等離子體處理測試與表征

表面黏附性
PTFE的表面黏附性用表面黏附力進行表征參照GB/T2791-1995，使用3M610膠帶表征PTFE薄膜的表面黏附力，樣品尺寸為200mmx25mm,拉力機剝離速度為100mm/min。試驗中每種條件制備5個樣品,測試結果取平均值。

親水性
PTFE的親水性采用表面水接觸角進行表征。采用外形圖像分析法測量PTFE薄膜表面的靜態(tài)水接觸角，以去離子水為參考液。

表面形貌
采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡，觀察等離子體處理前后PTFE薄膜的表面形貌。

表面元素含量
采用XPS分析PTFE表面元素含量及官能團的變化情況。

等離子體處理條件對聚四氟乙烯（PTFE）薄膜表面黏附性的影響

預試驗發(fā)現(xiàn)，當放電功率為200和300W時等離子體的改性效果較好，而放電功率過高將導致PTFE薄膜變形，因此本試驗選取放電功率為200和300W進行研究。

當放電功率為200和300W時，不同氣體氛圍等離子體處理后3M610膠帶對PTFE薄膜的表面黏附力隨處理時間的變化如圖2所示。

圖2不同等離子體處理條件下３Ｍ膠帶對 PTFE的表面黏附力

由圖2可知，未經(jīng)等離子體處理的PTFE表面黏附力僅為0.5N,經(jīng)不同氣體氛圍等離子體處理后PTFE的表面黏附力均得到了較大的提升。整體上，PTFE表面黏附力隨處理時間的延長先增大后趨于平緩。具體而言，表面黏附力在30s處理時間內(nèi)迅速提高,5min左右時取得最大值，之后隨處理時間的延長而趨于平緩。當放電功率為200W時經(jīng)H2等離子體處理后PTFE薄膜的表面黏附力提升最大,且表面黏附力最大值約為未處理時的8倍;當放電功率為300W時,N2/H2等離子體的改性效果最為顯著，相比未處理時,PTFE薄膜的表面黏附力約增加了10倍。

等離子體處理條件對PTFE薄膜親水性的影響

等離子體處理時間對PTFE薄膜靜態(tài)水接觸角的影響
放電功率為200和300W時，PTFE薄膜表面靜態(tài)水接觸角隨處理時間的變化情況如圖3所示。

圖3 等離子體處理時間對PTFE膜水接觸角的影響

由圖3可知:經(jīng)不同等離子體處理后PTFE薄膜的水接觸角均有所減小，其中以H2等離子體處理后的水接觸角變化最為顯著;當放電功率增大到300W時，以N2/H2，等離子體處理后PTFE薄膜的水接觸角明顯減小，且隨等離子體處理時間的延長，水接觸角呈先減小后趨于平穩(wěn)的態(tài)勢。由此表明PTFE薄膜表面親水性呈先快速增大后趨于平緩的態(tài)勢,這與表面黏附性的變化趨勢相吻合。

放電功率對PTFE靜態(tài)水接觸角的影響
由圖3可知,等離子體處理時間約為1min時PTFE薄膜的親水性較好，因此試驗選取處理時間為1min來研究放電功率對PTFE薄膜表面水接觸角的影響。等離子處理時間為1min時PTFE薄膜表面水接觸角隨放電功率的變化情況如圖4所示。

圖4 等離子體處理 1min 時放電功率對PTFE膜水接觸角的影響

由圖4可知，PTFE薄膜的表面水接觸角隨放電功率的增大先減小后保持穩(wěn)定。其中:以O2、N2等離子體處理后PTFE薄膜表面水接觸角稍有減小，親水性仍較差;以H2等離子體處理后的PTFE薄膜表面水接觸角變?yōu)槌跏贾档囊话?親水性顯著增強，且在200和300W時以H2等離子體處理的PTFE薄膜的水接觸角均較小。由此可見,等離子體放電功率對PTFE薄膜表面改性具有顯著影響，且在一定范圍內(nèi)增大功率可以增強改性效果并使水接觸角減小，而當功率過大時改性效果達到飽和狀態(tài)，表現(xiàn)為水接觸角不再減小甚至略有回升。推測可能是因為在等離子體改性的同時存在刻蝕和新官能團的引入,當功率過大時等離子體內(nèi)的高能粒子數(shù)增多,導致刻蝕作用增強，一部分接枝上去的官能團又會被重新刻蝕掉，如此最終達到平衡狀態(tài)。

表面形貌分析
使用FE-SEM觀察等離子體處理后PTFE薄膜的表面形貌變化情況。鑒于本文主要研究低溫等離子體表面改性對PTFE表面黏結性能的影響，而使用N2/H2等離子體處理后PTFE薄膜的表面黏附性及親水性均取得較好結果,說明N2/H2等離子體處理對改善PTFE的黏結性能有較好的效果，故以N2/H2等離子體處理后的樣品為例進行分析。以N2/H2等離子體處理前后PTFE薄膜表面的SEM圖如圖5所示。從圖5可以看出:未經(jīng)處理的PTFE薄膜表面只有細小的裂痕，這是由膜的機械生產(chǎn)造成的;經(jīng)N2/H2等離子體處理后樣品表面粗糙度增大，且粗糙度隨處理時間和放電功率的增加而增大，等離子體對PTFE薄膜表面的刻蝕作用使得材料表面粗糙度增大，使其表面黏附性和親水性得以改善，這是其黏結性能改善的一個原因。

圖5 N2/H2 等離子體處理前后PTFE膜的SEM圖

表面元素分析
為研究等離子體處理后PTFE薄膜的表面元素含量變化,使用XPS進行分析。以N2/H2等離子體處理后的樣品為例進行分析，處理前后PTFE薄膜的XPS譜圖如圖6所示。
由圖6可知：未處理的PTFE薄膜表面只有F和C的特征峰，經(jīng)N2/H2等離子體處理后PTFE薄膜表面出現(xiàn)了O和N的特征峰，證明等離子體處理向PTFE薄膜表面引入了O和N元素。為進一步分析PTFE薄膜表面黏結性能改善的原因，對薄膜的C1s譜進行分析，如圖7所示。由圖7可知：未經(jīng)處理的PTFE樣品C1s譜中只有CF2的特征峰；經(jīng)N2/H2等離子體處理后薄膜表面增加了C=O、C-OH、C-C、C-CF3的特征峰。由此可見，等離子體處理可以在PTFE薄膜表面生成新的官能團，這是其表面黏附性即黏結性能提升的重要原因。

圖6 N2/H2 等離子體處理前后PTFE薄膜XPS圖

圖7 N2/H2 等離子體處理前后PTFE膜的C1S譜

總結：

1)通過射頻容性耦合放電，利用O2、N2、H2、和N2/H2等離子體可顯著提升PTFE薄膜的表面黏附性，且N2/H2等離子體處理可取得最好的表面黏附性改性效果，在放電功率為300W時經(jīng)N2/H2等離子體處理300s后表面黏附力可提高為未處理時的10倍左右。

2)等離子體處理可顯著改善PTFE薄膜的表面親水性，改性效果受氣體氛圍、放電功率和處理時間的影響。

3)SEM結果表明，經(jīng)等離子體處理后PTFE薄膜的表面粗糙度增大，這是其黏結性能改善的原因之一。PTFE薄膜的表面黏附性與表面F/C、(O+N)/C比例有直接關系。樣品的XPS分析表明，等離子體處理可以降低PTFE薄膜表面的F/C比例并引入新的活性基團，這是黏結性能提升的重要原因。