低溫等離子體處理技術(shù)是一種常用的材料改性手段，它是通過電離氣體產(chǎn)生大量的帶能粒子和各種形式的光輻射作用于材料表面，從而改變材料表面潤濕性、粗糙度、黏結(jié)強度等，達(dá)到制備具有一種或多種特定功能材料的目的。低溫等離子體處理技術(shù)在材料改性中備受青睞得益于四大優(yōu)勢：（1）反應(yīng)環(huán)境所需溫度低；（2）處理效率高；（3）適用范圍廣；（4）不會破壞材料本身的性質(zhì)。
等離子體處理技術(shù)在塑料印刷、涂層、粘接加工的應(yīng)用
低溫等離子體處理塑料可顯著改善材料表面自由能，使塑料表面潤濕性發(fā)生變化。塑料表面潤濕性與粘接、印刷、涂飾的難易有密切的關(guān)系。表1是O2、Ar、NH3、He、CH4、H2等離子體處理的聚四氟乙烯（PTFE）高分子材料表面自由能變化結(jié)果。
表一 6 種氣體低溫等離子體處理后的 PTFE 表面自由能變化結(jié)果
等離子體與高分子塑料表面作用，發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)和蝕刻反應(yīng)的同時，基材表面生成不飽和鍵或粗糙化，這是印刷性、噴涂、粘接性提高的主要原因。低溫等離子體中的活性粒子具有的能量一般都接近或超過C—C或其它含碳鍵的鍵能，因此能與導(dǎo)入系統(tǒng)的氣體或高分子固體表面發(fā)生化學(xué)或物理的相互作用，引入大量的極性基團(tuán)，改變其表面活性。表2是6種氣體等離子體處理的PTFE表面化學(xué)組成的ESCA測定結(jié)果。
表 2 6 種氣體等離子體處理后的 PTFE 表面化學(xué)組成的 ESCA 測定結(jié)果
印刷前等離子體預(yù)處理
塑料制品基本材料主要為聚丙烯（PP）、聚已烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚酯（PET）等，其表面特性因分子結(jié)構(gòu)基材的極性基團(tuán)，結(jié)晶程度和塑料的化學(xué)穩(wěn)定性等不同而有很大的差異，這些因素對印刷油墨層的粘附牢度影響很大。對屬于極性結(jié)構(gòu)的PS（聚苯乙烯）、PVC，印刷前不需要做表面預(yù)處理，但對于其表面結(jié)構(gòu)是非極性的PP、PE、PET等，其化學(xué)穩(wěn)定性極高，不易被大多數(shù)油墨溶劑所滲透和溶解，與油墨印刷的結(jié)合牢度很低，所以在印刷之前必須經(jīng)過等離子體表面處理，使塑料表層活化生成新的化學(xué)鍵使表面粗化，從而提高油墨與塑料表面的結(jié)合粘附牢度；同時制造某些粒料過程中，按不同要求摻入了一定數(shù)量的助劑，附加劑，下開口劑，當(dāng)吸膜定型后，這些助劑就浮在材料表面，形成肉眼看不見油層，這些油層對印刷是完全不利的，它使塑料表面不易粘合，附著力下降，當(dāng)?shù)入x子體與塑料表面相遇時，產(chǎn)生了清潔、活化、刻蝕作用，表面得到了清潔，去除了碳化氫類污物，如油脂、輔助添加劑等，根據(jù)材料成分，其表面分子鏈結(jié)構(gòu)得到了改變。建立了羥基、羧基等自由基團(tuán)，這些基團(tuán)對各種涂敷材料具有促進(jìn)其粘合的作用，在粘合和油漆應(yīng)用時得到了優(yōu)化。
未處理的PPS部件用40mN/m測試油墨不能潤濕，等離子體處理后，用60mN/m測試油墨達(dá)到了完全的潤濕。
下圖形象地展示了材料表面能、印刷質(zhì)量以及等離子體處理三者之間的關(guān)系。圖片上方是施加到材料表面的油墨液滴，而下方則是相對應(yīng)的印刷質(zhì)量。第一個液滴有超過90°的接觸角，材料表面的潤濕效果很差，導(dǎo)致了材料表面的油墨收縮也不能在材料表面均勻地印刷噴涂。中間兩個液滴有相對較小的接觸角，從而印刷質(zhì)量也相對提高。而當(dāng)液滴的接觸角為0°時，將會取得最佳的印刷質(zhì)量，液滴可以很好地潤濕材料表面并獲得均勻的印刷質(zhì)量。
涂層、涂裝前等離子預(yù)處理
等離子處理是最有效的對表面進(jìn)行清洗、活化和涂層的處理工藝之一，可以用于處理各種材料，包括塑料、金屬或者玻璃等。利用等離子處理機對塑料表面清洗，可以清除表面上的脫模劑和添加劑等，而活化過程則可以確保后續(xù)的粘接工藝和涂裝工藝等的品質(zhì)，對于涂層處理而言，則可以進(jìn)一步改善復(fù)合物的表面特性。使用這種等離子技術(shù)，可以根據(jù)特定的工藝需求，高效地對材料進(jìn)行表面預(yù)處理。
通常而言，涂層的附著力與機械鍵合力、化學(xué)鍵力和分子吸附力三種力有關(guān)，分別與塑料基體的表面粗糙度、表面化學(xué)能、表面自由能有直接關(guān)系。低溫等離子體的高能量對塑料表面起到清潔作用的同時還會使表層的塑料發(fā)生氧化，含氧極性官能團(tuán)的增加可以使涂層更容易固化和交聯(lián)，交聯(lián)度的提高有利于提高涂層與基體之間的結(jié)合強度。物理濺射可增加基體表面的粗糙度，隨著表面粗糙度的增大，基體與涂層的浸潤度也隨之增加；另外，由于表面凹凸不平，涂層材料陷入其中形成鉤鏈狀態(tài)，增加了涂層與基體之間有效的附著面積，固化后可起到機械嵌合的作用；其次，等離子體中存在大量的高活性的活性基團(tuán)，這些活性物質(zhì)可與塑料表面的原子反應(yīng)，增加塑料表面的化學(xué)活性，提高涂層與基體間化學(xué)結(jié)合強度。
塑料粘接前等離子體處理
塑料之所以難以粘接，是由于表面能低、濕潤能力差、結(jié)晶度高、極性低且存在較弱的邊界層。對應(yīng)的解決辦法有以下幾種:導(dǎo)入極性基團(tuán)、提高表面能、增加表面粗糙度、降低或消除表面的弱界面層。
粘接效果在很大程度上取決于膠粘劑的流動能力、膠粘劑與被粘物表面是否緊密接觸或良好浸潤等。一般認(rèn)為，膠粘劑和被粘表面之間的粘接力主要分為機械粘接力和化學(xué)鍵合力。
等離子體處理是利用等離子體中的高能態(tài)粒子打斷塑料表面的共價鍵，等離子體中的自由基則與斷開的共價鍵結(jié)合形成極性基團(tuán)，從而提高了塑料表面活性。于此同時，等離子體對高分子塑料表面存在物理刻蝕作用，導(dǎo)致塑料表面的納米尺度的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而獲得較好的潤濕性，可以使膠粘劑在低表面能塑料材料的表面更易流動、鋪展和浸潤，從而達(dá)到適宜的粘接強度。
下圖顯示了未處理的塑料和預(yù)先等離子處理過的相同塑料與2K環(huán)氧膠粘劑膠接的拉脫強度的比較。對比表明了粘接的顯著改善。
對于塑料等材料來說，可以利用等離子處理技術(shù)改善材料的特性，比如在處理PE、PP、LDPE等材料時，在材料表面引入多種含氧基團(tuán)，可以使材料表面的性能由非極性，結(jié)合強度差等轉(zhuǎn)變?yōu)閹в幸欢ǖ臉O性、親水性。采用低溫等離子體處理技術(shù)對塑料材料進(jìn)行改性，可以提高常規(guī)高分子塑料的使用性能，拓寬其應(yīng)用范圍。
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