PTFE薄膜等離子體處理對其表面黏結(jié)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(zhì)，在電子電氣等領(lǐng)域均有重要應(yīng)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(yīng)用范圍廣，但在某些應(yīng)用領(lǐng)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(zhì)，如表面的親水性、拉伸強(qiáng)度、粘結(jié)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(zhì)，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(fù)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(zhì)狀態(tài)說，等離子體是具有化學(xué)反應(yīng)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(zhì)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(jié)構(gòu)的許多變化而對高分子材料進(jìn)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(jìn)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(jié)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(jié)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(jī)，該設(shè)備的系統(tǒng)示意圖如圖1所示，其由反應(yīng)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(shè)備具有放電空間大、等離子體產(chǎn)生均勻、可控性強(qiáng)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(jìn)等方面。

圖一等離子體產(chǎn)生設(shè)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(jìn)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(jī)剝離速度為100mm/min。試驗中每種條件制備5個樣品,測試結(jié)果取平均值。

親水性
PTFE的親水性采用表面水接觸角進(jìn)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(tuán)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(yù)試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(dǎo)致PTFE薄膜變形，因此本試驗選取放電功率為200和300W進(jìn)行研究。

當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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O(shè)2、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(qiáng)，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(qiáng)改性效果并使水接觸角減小，而當(dāng)功率過大時改性效果達(dá)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(tuán)的引入,當(dāng)功率過大時等離子體內(nèi)的高能粒子數(shù)增多,導(dǎo)致刻蝕作用增強(qiáng)，一部分接枝上去的官能團(tuán)又會被重新刻蝕掉，如此最終達(dá)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(jié)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(jié)果,說明N2/H2等離子體處理對改善PTFE的黏結(jié)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(jìn)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(xì)小的裂痕，這是由膜的機(jī)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(jié)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(jìn)行分析。以N2/H2等離子體處理后的樣品為例進(jìn)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(jìn)一步分析PTFE薄膜表面黏結(jié)性能改善的原因，對薄膜的C1s譜進(jìn)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(tuán)，這是其表面黏附性即黏結(jié)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(jié)：

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(jié)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(jié)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(guān)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(tuán)，這是黏結(jié)性能提升的重要原因。