大气压等离子体射流的生成和特征(APPJ)和聚对苯二甲酸乙二醇酯在表面改性中的应用

文摘

一个大气压等离子体射流(APPJ)近年来很多的应用,如在材料加工、表面改性、生物医学材料加工和薄膜沉积。APPJ已经由一个高压电源(0-20 kV)操作27赫兹的频率。本文报告的生成和表征APPJ在氩气环境下的表面改性及其应用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。等离子体射流的特点是电气和光学方法。为了描述等离子体射流,电子密度和电子温度决定。未经处理的表面粗糙度和plasma-treated宠物样本由接触角测量的特点,表面能量分析、傅里叶变换红外(FTIR)光谱,扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)。

1。介绍

低温和低温等离子体已经成为一个感兴趣的话题。直到现在,不同类型的低压系统和一些大气压力系统已经开发出来。低压等离子体源已经使用了聚合物表面处理、清洗基板和薄膜的沉积。现在各种低温等离子体的应用都进行了广泛的调查(1,2]。排放在大气压强也稳定生产即使在低频和射频源是昂贵得多。通过工作气体的条件下,活性物种可以被吹出反应堆形成发光的等离子体射流与温和的能量密度在露天,因此在材料加工中的应用,生物医学,和薄膜沉积3,4]。等离子体由离子组成,自由电子、自由基、兴奋的物种,光子,中性色(5]。大气压等离子体的一个重要领域的应用是在聚合物的表面处理来改善其亲水性。这个应用程序的动机是由于许多优势传统的表面处理方法(6,7]。聚合物通常是大分子形成的重复连接大量的小分子(8]。聚合物扮演越来越重要的角色,近年来结构材料广泛应用于工业(9,10]。聚合物有吸引力的商业文章由于其性能优越,成本低、断裂性能好,透明度,和较低的可燃性。然而,它的硬度低、抗划伤、必要和紫外线辐射降解表面改性(11,12]。因为他们的低表面能、化学反应性差,和弱凝聚力层表面上,有必要提高聚合物的表面性质不改变大部分属性(13,14]。宠物,作为惰性材料,被广泛接受为一个安全的和可回收的塑料的原因之一是广泛使用在饮料包装、电子、和生物医药产业。类似于玻璃,发动攻击,这是卫生,一般抗细菌和其他微生物(15]。以前工作APPJ使用一个玻璃管的一代飞机使它不方便介绍任何额外工作气体放电政权或前体材料(16]。然而,在当前的设置中,三个管子加上尼龙(聚四氟乙烯)耦合器促进引入一个额外的入口的气体放电政权没有任何损害飞机形成机制。此外,大多数以前的作品使用了射频电源相比,这是更昂贵的电力供应用于本研究。

2。材料和方法

反应堆的设计和制造在加德满都大学等离子体物理实验室。实验装置由电极电容耦合系统由铜箔厚度1毫米缠绕在两个硼硅玻璃管的外直径6毫米,内径5毫米。铜电极与高压电源、玻璃管是尼龙(聚四氟乙烯)耦合器的耦合长度49毫米。两个电极之间的距离是固定在80 mm,喷嘴的顶端之间的距离和较低的电极是3毫米。该系统由一个额外的进气口与第三管与尼龙耦合器在中间水平。这第三管可用于引入额外的气体进入系统。氩作为工作气体的实验。实验装置的原理图和放电的性质如图1。氩气的流量是2 L / min,电压和频率保持在4.5 kV和27 kHz,分别。放电的电气特性是通过测量电流和电压波形使用美国泰克TDS2002示波器由电流探针和高电压探针(平塔克HVP-28HF)。电压探针的衰减比例是1000:1。同样,光学特性的流量已经完成使用线强度比方法的帮助下一个光学发射光谱仪(USB 2000 +,海洋光学)。未经处理的接触角和plasma-treated宠物样品是使用拉梅哈特接触角测量的测角仪(型号200)。ATR-FTIR光谱测量的宠物箔进行PerkinElmer谱100红外光谱谱仪配备了一个普遍的衰减全反射(UATR)偏振光谱范围的配件4000 - 500厘米¹在4厘米的决议¹每分析20积累。在治疗之前,样品的尺寸( )拍摄。格拉汉姆·古德费勒提供的样本,英国。在治疗之前,去除有机污染物从表面的标本是由在异丙醇冲洗10分钟。样本然后在蒸馏水超声清洗20分钟后在室温下干燥。所有在氩等离子治疗进行了大气压力和环境温度。接触角的测量是在五个不同的地点相同的样品,和接触角的平均值从而获得用于表面能的计算。在这项工作中,一个狮子座(500)/蔡司场发射扫描电子显微镜(SEM)被用来检查表面形态。多模8毫微秒示波器原子力显微镜(AFM、力量、美国)是用于图像nonmodified衬底的表面和plasma-treated电影的宠物。硅悬臂梁的弹簧常数0.5 N m¹(总部:NSC19 /不Al类型;MikroMasch,保加利亚)申请在PeakForce攻™力显微镜成像模式。显微镜成像是校准的校准光栅由制造商提供的。

3所示。结果和讨论

3.1。电放电的特性

图2显示了外加电压和放电电流波形与电极距离APPJ获得 ,外加电压 ,和阻力 。电子密度可以估计显示测量值的电流密度的关系(17]。

电子迁移率,我们使用 电场的强度, 。用这个值在方程(1),电子密度被发现 。

3.2。放电的光学特性

图3显示了放电的光谱及其相应的强度和波长使用氩作为工作气体。放电的光学特性进行了使用线强度比的方法。在这种方法中,四个合适的线(两个基于“增大化现实”技术的我和两个Ar II)从谱线选择获得的氩放电。工作公式用来计算电子温度如下(18,19]。

在方程(2),是两条线的强度之比,谱线的强度,的跃迁概率过渡 , 是统计上层的重量,线辐射的波长,上层的能量,玻耳兹曼常数,是电子温度。的值和从观测获得,的值 , ,和得到了国家标准与技术研究院(NIST)原子光谱数据库。

相应的值的转移概率、统计重量,和能量水平的氩I和II线路通过NIST数据库(20.]。

表1显示的相应值谱线的强度比( )与电子温度的变化( )。

从图4,电子温度( )被发现 。

同时,电子密度计算通过使用

因此,电子密度被发现 。

3.3。表面改性的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)

3.3.1。接触角和表面能的测量

对于理想、光滑和均匀的表面水接触角和表面自由能在平衡根据测量杨氏方程和Owens-Wendt-Kaelble方法,分别为(21]。 在哪里固体基质的表面自由能,是固体和液体之间的界面张力,然后呢液体的表面张力。

对两种液体和 ,

把已知的表面张力值和极性和色散组件测试的液体,固体的表面自由能的组成部分和可以解决由方程(5)和(6)。这两个量的总和最终给了总固体的表面能22]。

样本的处理进行各种曝光时间( - - - - - - 秒)。亲水性的影响,这个参数是研究通过使用两个测试接触角测量液体表面(水和甘油)。看到一个快速下降的静态水接触角发生与治疗时间10秒显示增加APPJ治疗引起的表面润湿性。最初,未经处理的宠物的接触角对水和甘油82°和88°,但等离子体处理后,接触角是有效减少26°和30°,治疗后分别成为几乎恒定的时间如图50秒5。接触角的减少可能是由于表面粗糙度的变化从SEM和AFM显微图23]。

表面能的变化与极地和色散组件如图6。总表面能增加从26.1 mJ / m²64.99 mJ / m²在秒的治疗时间。类似的趋势也观察到极地组件,这主要是由于公司的极地物种如羰基(C = O)、羟基(-哦),羧基(羧基)组治疗宠物表面。色散分量几乎保持不变。这个组件没有任何贡献增加润湿性(24]。

3.4。扫描电镜的图像控制和Plasma-Treated宠物

数据7和8显示控制和plasma-treated表面的SEM形貌的宠物在60秒。逐步增加粒子粒径与图像扫描区域可以实现。SEM图像的控制和处理样品清楚地表明,等离子体射流治疗产生显著增加表面粗糙度(25]。

3.5。AFM图像的控制和Plasma-Treated宠物

数据9和10显示控制的AFM显微图和plasma-treated表面的宠物在120秒。控制表面相对光滑,均匀,没有缺陷的,没有具体的形态方面。等离子体射流的治疗后,宠物电影显示的表面粗糙的形态。可以看出,表面蚀刻和表面粗糙度增加。在这里,看到的是治疗形式大量均匀分布较小的治疗表面不规则的突起。这些形态变化可能是由于切除前几层的聚合物薄膜,由于表面等离子体粒子的轰击。治疗后样品的表面形态的变化研究了原子力显微镜(AFM)。这导致一个明显增加表面粗糙度导致润湿性改善(26]。

3.6。傅里叶变换红外(FTIR)分析

图11显示控制和plasma-treated样品的红外光谱谱120秒。化学变化的表面性质plasma-treated聚合物被红外光谱分析。光谱表明,有某些官能团的吸收峰的强度变化。红外光谱分析显示芳香碳氢键摇722.57厘米⁻¹,在1096厘米O-C-C不对称拉伸的山峰⁻¹羰基(C = O)山峰,和两个碳氢键拉伸峰值以及光谱1720厘米⁻¹,1410厘米⁻¹,1340厘米⁻¹,分别。它代表的碳含量降低,表面的氧含量增加。吸收峰的相对强度为1720厘米⁻¹和1340厘米⁻¹也增强,建议增加醛,酮和芳香组表面(27]。在这种情况下,大量的氧气的表面极性官能团引入plasma-treated宠物电影。这是负责改善润湿性和改变表面的化学成分28]。

4所示。结论

大气压力氩等离子体射流已经产生和特点是电气和光学方法。电子密度( )和电子温度( )被发现的10¹⁶厘米⁻³和0.551 eV,分别使用强度比值的方法。同样,电子密度( )被发现的10¹⁵厘米⁻³用电子方法。治疗宠物使用大气压等离子体射流导致亲水性的改善。这主要是由于增加的极性分量的等离子体射流处理后表面自由能表明表面极性官能团的形成。的改善润湿性的宠物强烈依赖于治疗时间。结果表明,有一个显着减少的水接触角在聚合物表面等离子体射流治疗后随之增加,其表面自由能。SEM和AFM图像的控制和处理样品清楚地表明,等离子体处理产生显著增加粗糙度的电影。AFM可以显示样品的三维孔隙结构,可以检测的毛孔在纳米尺度上超出了许多常规方法的能力。表征的宠物通过红外光谱分析表明粘附的氧气碳氢键的极性官能团和拉伸,可以相关改善PET表面的润湿性。

数据可用性

数据(数据表)和相应的研究文章,支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突,关于这篇文章的出版。

确认

作者要感谢帮秦博士教授对他有价值的帮助和支持在放电的特性。支持的通讯作者是尼泊尔科技学院(NAST),尼泊尔,提供一个通过批准号11/073/074博士奖学金。作者要感谢加德满都大学等离子体物理实验室和大学拨款委员会(UGC),尼泊尔,宝贵的帮助和支持。作者要感谢大学的教授Andrzej Huczko华沙,波兰、SEM和AFM对聚合物样品的分析。此外,我们也感谢国际会议在纳米科学和高能物理(ICNHEP),在加德满都,尼泊尔,日期为2月4 - 6,2019年,为我们提供一个平台来展示我们的研究工作的初步结果海报。

引用

1. m .他电影由等离子体沉积技术十卷施普林格系列原子、光和等离子体物理,1992年Springer-Berlin。视图:出版商的网站
2. j·r·罗斯工业等离子体工程卷。2:“应用程序来处理低温等离子体”、眼压、布里斯托尔和费城,2001年。视图:出版商的网站
3. d . p . Subedi r . b . Tyata r . Shrestha和c . s . Wong”的实验研究大气压介质阻挡放电(DBD)氩,”航会议论文集,卷1588,不。1,第108 - 103页,2014。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. z方,j .杨y . Liu t·邵和c,“表面处理的聚对苯二甲酸乙二醇酯改善亲水性利用大气压等离子体射流,”IEEE等离子体科学第41卷。。6,1627 - 1634年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. f·f·陈,“电探测器”等离子体诊断技术j·d·埃文斯,w . Zawalski r·h·哈德和s . l . Leornard Eds。、学术出版社,1965年。视图:谷歌学术搜索
6. k . a . Vijayalakshmi m . Mekala c·p·Yoganand和k Navaneetha Pandiyaraj,”研究改性聚碳酸酯(PC)膜的表面性质引起的直流辉光放电等离子体,“国际高分子科学杂志》上ID 426057条,卷。2011年,7页,2011。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. h·b·Baniya r . Shrestha a Shrestha et al .,“表面改性聚碳酸酯的大气压氩气/空气等离子体射流,”杂志的科学、工程和技术,10卷,不。2、2014。视图:谷歌学术搜索
8. k .弗里德里希·“聚合物复合材料摩擦学的应用”先进的工业和工程聚合物研究,1卷,不。1,3-39,2018页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. d·赫格曼h . Brunner, c . Oehr“等离子体处理聚合物表面和粘附改善,”在物理学研究中的核仪器及方法部分B:梁与材料和原子的相互作用卷,208年,第286 - 281页,2003年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. r·t·施大气压等离子体射流的实验研究及其应用,博士论文,自然科学,学校科学、尼泊尔,加德满都大学,2016。
11. a . Sarani a . y . Nikiforov n . de Geyter r . Morent和c .草地的“表面改性的聚丙烯大气压等离子体射流在氩氩/水蒸气混合物,”应用表面科学,卷257,不。20日,第8741 - 8737页,2011年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. d . p . Subedi d . k . Madhup k . Adhikari和美国m . Joshi”在低压等离子体处理的润湿性增强聚碳酸酯,”印度的纯粹和应用物理杂志》上,46卷,第544 - 540页,2008年。视图:谷歌学术搜索
13. r . Guragain s Gautam r . Shrestha, d . p . Subedi“表面改性聚碳酸酯的治疗50 hz介质阻挡放电在附近的大气压力,”国际科学研究杂志(IJSR)5卷,第1470 - 1468页,2016年。视图:谷歌学术搜索
14. h·b·Baniya s Shrestha, d . p . Subedi”浮动电极对电容耦合大气压等离子体射流的长度,”国际工程网上研究杂志》;一个同行评审的国际期刊,4卷,不。1,2016。视图:谷歌学术搜索
15. Hameed a, a·a·沙f·哈桑和s·艾哈迈德,“生物降解塑料:全面审查,”生物技术的进步,26卷,不。3、246 - 265年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. m . Laroussi陆x, v . Puech,“大气压非平衡等离子体射流和等离子体子弹。”等离子体科学和技术来源,21卷,不。3,第034005条,2012年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. k . k . Trusov”、多通道动态和准均匀滑动放电形成稀有气体,”物理学学报D辑:应用物理,40卷,不。3、786 - 794年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. c . s . Wong和m . Rattachat元素的等离子体技术施普林格,新加坡,2016年。视图:出版商的网站
19. 美国福斯特、c·莫尔和w .开口,“调查大气压等离子体射流的光学发射光谱学,”表面涂层技术,卷200,不。1 - 4、827 - 830年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. a . Kramida y Ralchenko、j .读者和NIST ASD团队,NIST的原子光谱数据库,“2018年,2019年3月,https://physics.nist.gov/asd。视图:谷歌学术搜索
21. y元,t·r·李”,接触角和润湿性质表面科学技术,Eds Bracco和b·霍尔斯特。51的卷施普林格系列在表面科学施普林格,柏林,海德堡,2013。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. h·b·Baniya r . p . Guragain b . Baniya g .秦和d . p . Subedi”改善亲水性的聚酰胺利用大气压等离子体射流,”Bibechana,17卷,第138 - 133页,2020年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. t·s·m·梅·r·p·莫塔,a . Quade l . r .。o .嗯,k . g . Kostov”统一的表面改性聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的大气压等离子体射流喷嘴来呢,”表面涂层技术卷,352年,第347 - 338页,2018年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. r·p·Guragain s Gautam r . Shrestha和d . p . Subedi“等离子体处理对聚对苯二甲酸乙二醇酯的表面效果与50 hz介质阻挡放电near-atmospheric压力,”国际期刊的最近的研究和审查,9卷,不。4,34-37,2016页。视图:谷歌学术搜索
25. h·t·Furukawa先生佐藤,y北城et al .,“分子结构、结晶度和形态学的聚乙烯/聚丙烯混合拉曼映射,研究了扫描电子显微镜、广角x射线衍射、差示扫描量热法,“聚合物杂志,38卷,不。11日,第1136 - 1127页,2006年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
26. n·l·辛格,a·库雷希:沙et al .,“由等离子体表面改性的聚对苯二甲酸乙二醇酯治疗。”辐射测量,40卷,不。2 - 6,746 - 749年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
27. d·l·帕维亚通用Lampman, g . s . Kriz和j·r·Vyan介绍光谱,Cengage学习,美国康涅狄格州斯坦福德市,2015年。
28. n . De Geyter r . Morent, c .草地的“表面表征plasma-modified聚乙烯通过接触角实验和ATR-FTIR光谱学,”表面和界面分析,40卷,不。3 - 4、608 - 611年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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