玻璃等离子表面清洗处理对其亲水性能的影响

文章出处：等离子清洗机厂家 | 深圳纳恩科技有限公司| 发表时间：2022-04-28

低温等离子体中的粒子具有较高的速度，在对材料表面进行改性过程中，低温等离子体中的粒子会与材料表面发生碰撞，与材料表面发生物理、化学反应，改变材料的表面性能。

本文采用氧气低温等离子体对玻璃表面进行表面改性处理，采用接触角测试、XPS测试、扫描电镜测试方法来表征经氧气等离子体改性前后玻璃的表面特性及微观形貌。本次实验采用的是本公司生产制造的NE-PE05等离子清洗机，所用的工艺气体为氧气，实验结果及分析如下。

接触角测试结果分析

图1-1为玻璃在氧气低温等离子体表面改性前后的接触角对比图，等离子体改性时间分别是1min、3min、5min。其中，本试验中的接触角值均由接触角测定仪自动计算得到。从图1-1可知，未改性处理玻璃表面的接触角最大，其值为21.1°。玻璃表面经过低温等离子体表面改性后，接触角明显降低，表面润湿性提高。当玻璃经低温等离子体改性1min后，接触角为2.6°，如图1-1(b)所示，表面接触角降低了87.7%，表明经过氧气低温等离子体改性后玻璃表面润湿性得到大幅度提高。这是因为在等离子体改性过程中，高能量的粒子冲击玻璃表面，使材料表面部分化学键断裂，在玻璃表面生成许多自由基，而氧气则与表层自由基反应生成活性官能团，提高玻璃表面能，润湿性提高。

图 1-1 玻璃在氧气低温等离子体表面改性前后的接触角对比图

为了更直观地了解随着改性时间的增加，玻璃表面接触角的变化情况，作改性时间与玻璃表面接触角的关系曲线如图1-2所示。从图中可以看出：低温等离子体改性能降低玻璃表面接触角，改善玻璃表面的润湿性；在改性时间从1min到5min范围内，玻璃表面接触角随着改性时间的增加而缓慢增加，当改性时间为1min时，水在玻璃表面的接触角值最小，为2.6°，此时表面润湿性最好。由此可知，玻璃表面的氧气低温等离子体改性的最佳时间为1min。对于随着改性时间的增加，玻璃表面接触角反而增大现象，其原因可能是等离子体的刻蚀作用。随着低温等离子体改性时间的进一步增加，玻璃表面因化学键断裂而产生的低分子量物质的概率增多，玻璃表面的刻蚀效果愈明显，此时存在于刻蚀层以下的部分惰性官能团暴露出来成为新的表面层，导致玻璃的表面能降低，润湿性变差，接触角增大。

图 1 -2 低温等离子体处理时间对玻璃表面水接触角的影响

XPS测试结果分析

XPS实验测试可用来分析玻璃经低温等离子体改性后，玻璃表面元素的变化情况，图1-3(a)、(b)分别为玻璃经低温等离子体改性前后表面元素的XPS全谱图。XPS全谱图结果显示，未低温等离子体改性的玻璃表面检测到O1s、C1s、Si2p、Au4f等信号，表明该表面含有O、C、Si、Au元素。玻璃经低温等离子体改性1min后，表面的元素含有O、C和Si元素。

图 1 -3 低温等离子体改性前后玻璃表面的 XPS 全谱图

通过玻璃表面的XPS实验测试，可以获得未处理和在功率100W、处理时间1min条件下低温等离子体改性处理后的玻璃表面的元素相对含量，表1-1为低温等离子体改性前后玻璃表面元素的相对含量结果。从表中可以看出，经过低温等离子体改性后，玻璃表面的氧元素相对含量增加，碳元素的相对含量明显降低，且O/C的比值从1.05增大到33.63，增大了32倍左右。该现象发生的原因是，本次低温等离子体改性设备采用的气体是氧气，所以改性后玻璃表面的氧含量增加，形成更多的含氧官能团；等离子体对材料表面具有清洁作用，能除去表面的含碳杂质，使改性后玻璃表面碳元素含量降低。

表1-1 低温等离子体改性前后玻璃表面元素相对含量分析（ Atomic %）

表面微观结构分析

图1-4展示了玻璃在低温等离子体改性前后的表面形貌。根据扫描电镜结果观察可知，在放大1000倍的条件下，玻璃经低温等离子体改性1min、3min、5min后，玻璃表面比较平整，如图1-4(b)、(c)、(d)。与原始玻璃表面形貌相比较，表面形态几乎没有发生改变，这表明，经过低温等离子体改性后，玻璃表面形貌没有发生明显的破坏改变。

图1 -4 玻璃在低温等离子体改性前后的表面形貌

实验总结

利用接触角测试、XPS测试、扫描电镜等实验手段来研究氧气低温等离子体改性方法对玻璃表面性质的影响，其主要结论如下：
（1）氧气低温等离子体改性方法能提高玻璃表面的润湿性，且随着改性时间的增加，玻璃表面接触角呈先降低后增大的变化趋势。
（2）经氧气低温等离子体改性后，玻璃表面氧元素相对含量增加，表面的含碳杂质减少。
（3）经过表面形貌观察，发现玻璃表面形貌比较平整，低温等离子体改性不会破坏玻璃表面形貌。