高密度聚乙烯(HDPE)因其硬度、拉伸强度和蠕变性好;耐磨性、电绝缘性较好;化学稳定性好;易加工等优点,在高分子材料加工方面应用广泛,但HDPE表面的疏水性导致其表面胶黏接强度差,在与极性材料复合时,二者的相容性较差。等离子体处理可提高高分子材料润湿性。

为分析等离子体处理工艺对HDPE表面润湿性的影响,深入探究等离子体改性机理,本研究采用O2和N2两种等离子体分别对HDPE表面进行处理,并对等离子处理前后HDPE表面形貌及化学结构进行表征,进一步探究等离子体改性的机理。

等离子处理前后表面形貌及化学结构分析

SEM分析

图1 等离子处理前后HDPE表面SEM照片

图1为采用等离子体处理前后的HDPE表面形貌SEM照片。从图1可以看出,未经等离子体处理的HDPE表面较平滑,经等离子体处理后,HDPE表面形成了明显的刻蚀痕迹,出现小白点以及沟壑,表面粗糙度明显增加。相关文献表明,等离子体处理后,材料表面有明显的等离子体蚀刻痕迹并留下凹凸不平的坑洼,即在材料表面形成了冷等离子粗化面。等离子体处理造成材料表面粗糙化主要原因是冷等离子体中高能粒子轰击材料表面,使表面化学键部分断开,并发生蚀刻作用,从而使表面物理结构发生改变,表面的粗糙度增加。

XPS结果分析

图2 等离子处理前后HDPE表面XPS谱图

图2为等离子处理前后HDPE表面XPS谱图，从图2可以看出,未经等离子处理的HDPE表面C1s光谱是对称的,结合能为284.4eV,由C—C/C—H(285.0eV)和C—OH(286.2eV)组成,其中C—OH是由聚烯烃不可避免的自然风化引起的,其相对比例较低。经等离子处理后,HDPE处理前后的主要元素并没发生变化,仍主要是由有O、C和N元素组成其C1s峰明显不对称,C1s峰向高能量一侧拖尾,这说明HDPE经O2、N2等离子体处理后在其表面引入了含氧官能团,经波形认定,含氧官能团主要是—C=O—、O=C—O—两种类型,这一结果与已知文献一致。聚合物表面润湿性与其表面的特征官能团密切相关,当表面引入含O或含N极性基团,可在界面垂直方向产生特殊作用力,这些作用力是由各类极性基团在界面垂直方向上的氢键和偶极间的分子间作用力协同产生,这些作用力的综合效应能改善聚合物的可润湿性,与已知文献一致。并且从N1s峰谱图可以看出,N2等离子体处理后的HDPE表面的峰比处理前明显增加,这可能是经过N2等离子体处理后生成了—C—NH2,—C—NH—等基团,O2等离子体处理后生成了HDPE表面引入的含N的基团少,主要是—CO—O—和C—O—基团。以上极性基团的引入大大增强了HDPE表面的极性,表现在处理后的样品和水的接触角显著降低,表面能明显增加,亲水性显著提高。

氮气、氧气等离子体处理后,HDPE表面发生蚀刻现象,产生明显凹坑,并在其表面引入了含氧官能团C—O、C=O、O—C=O和含氮气官能团—C—NH2、—C—NH—。