中频交流脉冲等离子体PTFE表面改性研究

摘要

聚四氟乙烯(PTFE)具有高度的化学稳定性、热稳定性、电绝缘性和异常的润滑性等许多优良的物理化学性能，因而得到广泛的应用。但是聚四氟乙烯的亲水性和粘接性很差大大限制了它在某些领域的应用。 本文结合对聚四氟乙烯进行表面亲水性能改进的实际工程需要，采用自行研制的100kHz中频交流脉冲电源产生等离子体,对聚四氟乙烯进行了表面改性研究。主要摸索了处理时间、压强、电压、气氛等工艺参数对改性结果的影响，得到了最佳工艺条件。对改性效果的时效性进行了考察。通过接触角测量、扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)等手段对作用前后的亲水性、表面形貌、化学成分的改变进行了检测和分析。对中频交流脉冲等离子体的作用机理进行了初步探讨，从处理前后PTFE表面物理性质及化学结构改变的情况分析，得出了如下结论： SEM显示，中频交流脉冲等离子体作用后的聚四氟乙烯表面粗糙度较直流等离子体、直流脉冲等离子体更明显；接触角测量低达43度；XPS测试表明中频交流脉冲等离子体作用后，PTFE处理后样品表面引入了含O基团及含N基团，分子中F的含量大大减少，F/C下降到0.4。通过实验和测试数据的分析我们认为：1)刻蚀造成的表面粗糙有利于在聚四氟乙烯与其他材料之间形成锁沟，因而有利于其粘结性能的改善。2)由于背景气体的参与及处理后的自由基作用使PTFE的表面引入了含O基团及含N基团。引入的含O极性基团将大大增加PTFE亲水性和与其他材料表面的粘接性。3)去氟效果使样品表面的主链上的C在不同的 PTFE分子间形成交叉连接，即表面交联，能有效地阻止亲水基团向内部翻转，此外处理后样品表面硬度也有所提高。 本文对中频交流脉冲的放电过程进行了分析： 1)中频交流放电在时间上呈现周期性的变化。在一个周期内由于放电电压的交替变化，使得阴阳极交替变换，引起等离子体分布的变化，对聚四氟乙烯表面的亲水性能改变起着特殊的作用。 2)特别提出了中频交流脉冲等离子体对聚四氟乙烯进行表面改性时负向脉冲增强氧化作用的观点。强调了在负脉冲时(样品所处位置为阳极)的氧化作用对聚四氟乙烯表面亲水改性的重要作用。 3)指出了用中频交流脉冲等离子体在本实验条件下改性材料的最佳放置位置是贴近电极处，并对此进行了解释。 4)极间距在保证辉光不熄灭的前提下越小越好。 5)分析了脉冲辉光放电处理效果比直流辉光放电好的原因。 6)指出直流脉冲放电中的上升沿、下降沿对处理起着决定性作用。 7)指出了在一定范围内中频交流脉冲等离子体增大占空比可以改善处理效果，占空比的增大使得脉冲宽度增加，这将导致样品在负向脉冲时的氧化作用加强。 这些将对实际工程应用具有指导作用。