سطوح پلیمری بهبود یافته با پلاسما

دسته: مقالات منتشر شده در 28 مهر 1400
نوشته شده توسط Admin بازدید: 676

بررسی آبدوستی سطوح پلیمری بهبود یافته با تصفیه پلاسما

خواص سطحی نمونه های پلی کربنات (PC)، پلی پروپیلن (PP) و پلی اتیلن ترفتالات (PET) که با پلاسمای آرگون القاء شده از میکروویو تصفیه شده اند، با ارزیابی زاویه تماس، اسپکتروسکوپی فوتوالکترون اشعه X (XPS) و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) مورد بررسی قرار گرفته اند. مشخص شد که تصفیه پلاسما سطوح را از نظر ترکیب و زبری تغییر داده است. اصلاح ترکیب باعث می شود سطوح پلیمری بسیار آبدوست باشند؛ که اساسآ به افزایش نسبت گروه حاوی اکسیژن بستگی دارد. این آزمایش بیشتر نشان داد که پیوند C=O عامل اصلی در بهبود آبدوستی سطوح پلیمری است. با بررسی SEM در PET به این نتیجه رسیدیم که زبری سطح نیز در مقیاس میکرون بهبود یافته و میزان آبدوستی سطوح را تحت تأثیر قرار می دهد.

 

پلیمرها کاربرد گسترده ای در صنعت مدرن دارند. با این حال، چسبندگی و نازک شدن بسیاری از آنها به دلیل آبدوستی پایین سطوح شان مشکل ایجاد می کند. از آنجایی که این امر رطوبت پذیری، رنگ آمیزی، رنگ پذیری، زیست سازگاری، خواص آنتی الکترواستاتیک، خواص آنتی فاگ، چسبندگی و غیره را تحت تأثیر قرار می دهد؛ روش های بسیاری برای اصلاح سطوح پلیمری بکار رفته است. از بین آنها، تصفیه پلاسما در حال حاضر متداول ترین روش است زیرا باعث افزایش آبدوستی در سطوح پلیمری می شود. به اعتقاد برخی از محققان، بهبود آبدوستی سطح با تشکیل گروه های جدید حاوی اکسیژن در سطح مانند OH و OOH ایجاد شد، چون این گروه ها آبدوست هستند. با این وجود، مقالات کمتری به بررسی این موضوع پرداخته اند و حتی اینکه چه رابطه ای بین این گروه های اکسیژن دار و زاویه تماس آب وجود دارد. ما در اینجا نتایج تجربی حاصل از بررسی خواص سطح پلیمر قبل و بعد از تصفیه پلاسما را ارائه دادیم و برای این کار نمونه های پلیمری پلی کربنات (PC)، پلی پروپیلن (PP) و پلی اتیلن ترفتالات (PET) را انتخاب کردیم. میزان آبدوستی سطح با کمک زاویه تماس و همچنین ترکیب سطح نیز با استفاده از XPS ارزیابی شدند. همچنین زبری سطح پلیمر با SEM بررسی شد.

 

اندازه گیری زاویه تماس

درشکل زیر، تغییرات زاویه تماس ارائه شده است.

 

شکل 1:

 Contact angle with plasma treatment work

 

براساس این داده ها، میتوان گفت که آبدوستی سطح در هر سه پلیمر با افزایش تصفیه، افزایش می یابد. این امر در کاهش داده های زاویه تماس در حال پیشرفت و زاویه تماس در حال کاهش با انجام تصفیه دیده می شود. همچنین میتوان مشاهده کرد که داده زاویه تماس کاهش یافته با کمک روندهای سازگاری، پراکندگی کمتری دارد. با این حال، تغییر زاویه تماس در داده های کاهش یافته در مقایسه با داده های پیشرو، بویژه PP بیشتر است. از بین این سه نمونه، PP واضح ترین کاهش در زاویه تماس را داشت؛ که به معنای بهبود آبدوستی سطح PP به دلیل تصفیه پلاسما است.

 

XPS:

تصفیه پلاسما ازطریق برش پیوند ناشی از تجزیۀ یون های انرژی زا، نقاط فعالی روی سطح پلیمر ایجاد می کند که می توانند به اتم یا مولکول دیگری در هوا متصل شوند؛ بویژه زمانی که پلیمرهای تیمار شده در معرض هوا قرار بگیرند. تحلیل XPS می تواند نشان دهندۀ گروه های مختلف حاوی اکسیژن روی سطح من جمله C-O، C=O و O-C=O پس از تصفیه پلاسما باشد و ازطرفی، این گروه ها مسئولیت تغییر میزان آبدوستی سطح را برعهده دارند. در جدول زیر نتایج حاصل از تحلیل XPS ارائه شده است.

 

جدول 1:

 Element ratio at. of O on PET PP and PC surfaces before and

 

بدیهی است که نسبت اتم اکسیژن در سطح هر سه نمونه با انجام فرایند تصفیه افزایش می یابد؛ بطور کلی تصور می شود که گروه های جدید حاوی اکسیژن در سطح پلیمر در طی فرایند اکسیداسیون بطور قابل توجهی به بهبود آبدوستی سطح کمک می کنند. تحلیل XPS ما اثربخشی یکسان این گروه ها را نشان داد و همچنین نتایج تجربی بدست آمدۀ ما با داده های ارائه شده در شکل بالا کاملآ مطابقت دارد. در جدول بالا، PP نمونه ای است که نسبت اتم اکسیژن آن بیانگر بیشترین افزایش است؛ یعنی مطابق با بیشترین کاهش زاویه تماس در شکل بالا. برای تحلیل بیشتر، طیف های XPS با عملکرد گاسیان تنظیم شدند. نسبت های اتمی O 1s بر روی سطح نمونه با انرژی اتصال متفاوت، قبل و بعد از تصفیه پلاسما، در جدول زیر ارائه شده است.

 

جدول 2:

Element marked ratio  of O 1s in the samples with different 

 

با توجه به این جدول، هیچ تغییر یکسانی در نسبت پیوند C-O در هر سه نمونه وجود ندارد. در PET، این نسبت کمی افزایش می یابد؛ در PP کاهش می یابد؛ در PC بطور ناگهانی تغییر می کند. در مقایسه با داده های زاویه تماس، گروه C-O آبدوستی سطح پلیمر را تحت تأثیر قرار نمی دهد. باتوجه به جدول دوم میتوان گفت که نسبت پیوند C=O بطور کلی با تصفیه پلاسما در هر سه نمونه افزایش می یابد. کاملآ مشخص است که قطبیت این پیوند شدیدتر از پیوند C-O است. از آنجا که با مشاهده XPS، دیگر عناصر تنوع چشمگیری ندارند؛ نتایج تجربی ارائه شده در شکل یک را میتوان به این دلیل تفسیر کرد که کاهش زاویه تماس بیشتر ناشی از افزایش نسبت پیوند C=O است. استنباط این مطلب منطقی است که پیوند C=O نقش کلیدی در بهبود روند آبدوستی سطح پلیمر ایفا کند.

 

SEM:

در شکل زیر سطح PET در فرایند تصفیه پلاسما ارائه شده است؛ اندازه تصاویر همگی 12×8 میلی متر است.

 

شکل 2:

 Morphology of PET samples associated with the plasma treatment

 

در بخش اول از این شکل، یک تصویر معمولی از نمونه کار نشده می بینیم؛ این تصویر نشان دهندۀ برآمدگی های نامنظمی روی سطح است. در بخش دوم، مورفولوژی سطح درمان شده با 3160 Ws است؛ که برآمدگی های نامنظم همچنان قابل مشاهده هستند، اما با سطحی صاف تر. در بخش سوم، مورفولوژی سطح درمان شده با 5960 Ws نشان داده شده است که از تصویر دوم صاف تر است. این نتایج بدست آمده نشان می دهد که در اثر تجزیه سطح نمونه توسط ذرات پر انرژی موجود در تیمار پلاسما، تعداد زیادی از برآمدگی های ریز از بین رفته اند. با این حال، این نتیجه در نمونه PC یا PP یافت نشد. بطور کلی، باید گفت که هیچ ارتباط محسوسی بین زبری سطح و شرایط تیمار، به استثنای PET در این آزمایش وجود ندارد. شکل بالا باتوجه به داده های زاویه تماس نشان می دهد که سطح هموارتر PET در مقیاس میکرون دارای زاویه تماس کوچکتر و آبدوستی بیشتر است. همچنین در این مقیاس، هیچ تأثیر قابل ملاحظه ای از زبری سطح و آبدوستی سطح بر PC و PP مشاهده نشد.

 

براساس نتایج ارائه شده در این مقاله میتوان گفت که تمام زاویه تماس با آب در سطوح PC، PP و PET با افزایش روند تصفیه پلاسما کاهش می یابد؛ به این معنا که آبدوستی سطح در هر سه نمونه بهبود یافته است. نتایج حاصل تحلیل XPS نشان داد که تعداد اتم اکسیژن در این نمونه ها افزایش یافته و با ارزیابی های زاویه تماس ادغام می شود. تجزیه و تحلیل بیشتر نشان داد که نسبت پیوند دوگانۀ C=O مهمترین عامل در زاویه تماس و آبدوستی سطوح پلیمر محسوب می شود. با ادغام نتایج SEM حاصل از سطح PET با داده های زاویه تماس آن، می توان استنباط کرد که کاهش زبری سطح در مقیاس میکرون می تواند علاوه بر افزایش پیوند C=O، آبدوستی سطح را نیز بهبود بخشد.