терефталатних

  • Предмети
  • Резюме
  • Вступ
  • експериментальна процедура
  • Матеріали
  • Обробка поверхонь
  • Вимірювання сили змочування
  • Поверхневий аналіз
  • Результати і обговорення
  • Вплив сухої обробки на змочуваність ПЕТ
  • Гідрофобне відновлення поверхні ПЕТ після сухої обробки.
  • Характеристики поверхні ПЕТ, обробленої сухою обробкою.
  • Висновки

Предмети

  • Полімери
  • Хімія поверхні
  • Вологий

Резюме

Для посилення гідрофільної природи плівки поліетилентерефталату (ПЕТ) проводили два сухі процеси - вплив плазми атмосферного тиску (APP) та опромінення ультрафіолетовим (УФ) ексимерним світлом 172 нм. Зміна змочуваності на поверхні ПЕТ-плівки після проведення процесів реєстрували вимірюванням сили змочування за методом Вільгелмі. Після сухих процесів спостерігалося різке зменшення прямого та віддаленого кутів контакту води, особливо для впливу APP. Було встановлено, що кут просування на обробленій поверхні ПЕТ збільшується при промиванні водою або старінні на повітрі, тоді як віддача залишається приблизно такою ж. Гідрофобне відновлення швидше зменшувалось для плівки, обробленої УФ. Проведено характеристику поверхні плівки ПЕТ. Ми обговорюємо вплив сухих процесів на фізико-хімічні властивості поверхні ПЕТ.

Вступ

Поліетилентерефталат (ПЕТ) - один з найпоширеніших полімерів, що використовується в промисловості, завдяки своїй високій мірі твердості, міцності, термостійкості, хімічній стійкості та формуваності. 1, 2 Однак гідрофобна природа ПЕТ може бути недоліком для таких застосувань, як адгезія, фарбування, друк, металізація тощо. Тому були зроблені хімічні 3 та фізичні модифікації, щоб зробити поверхню ПЕТ більш гідрофільною. Типовими методами фізичної модифікації є вплив плазми та ультрафіолетового випромінювання, і протягом останніх десятиліть було проведено багато базових та прикладних досліджень цих методів сухої обробки. 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12

При застосуванні сухих процесів для модифікації поверхні полімеру існує серйозна проблема в тому, що поверхні полімеру після модифікації є нестабільними через високу рухливість та переорієнтацію макромолекул. 22, 23 Тому кути контакту з водою на поверхнях ПЕТ, оброблених двома сухими процесами, визначаються як функція часу старіння за допомогою методу Вільгелмі. Цей прийом є не тільки ідеальним методом отримання високоточних кутів контакту, розрахованих за силою змочування, але також дозволяє отримати термодинамічно значущий молодий кут контакту на трифазній контактній лінії шляхом переміщення трифазної контактної лінії на постійну швидкість . 24

Стійкість поверхні ПЕТ після обробок досліджували з точки зору гістерезису контактного кута. Після досягнення плато змочуваності була проведена характеристика поверхні відносно вільної енергії поверхні, хімічного елемента поверхні та топографії поверхні, обговорено вплив сухих процесів на властивості.

експериментальна процедура

Матеріали

В якості ПЕТ-матеріалу для визначення кутів контакту методом Вільгельмі використовували двовісно орієнтовану ПЕТ-плівку товщиною 188 мкм (EMBLET SA-188, Юнітіка, Японія). Перед використанням ПЕТ-плівку очищали ультразвуком у воді.

Дііодеметан, етиленгліколь та н-гептан були реагентами надто чистого рівня і використовувались без подальшого очищення. Воду очищали (опір 18 МОм см) за допомогою апарату UV Direct-Q (Millipore, Billerica, MA, США).

Обробка поверхонь

Обробка поверхні ПЕТ-плівки проводилася за допомогою двох типів сухих процесів, впливу APP та опромінення світлом УФ-ексимером. ПЕТ-плівку шириною 0,5 мм розрізали та обробили обидві сторони.

УФ-ексимерне світло опромінювали на ПЕТ-плівку за допомогою УФ-ексимерної лампи при довжині хвилі 172 нм в навколишньому повітрі за допомогою ексимерного вакуумного апарату Xe 2 (UER20-172, Ушио, Токіо, Японія). Інтенсивність ультрафіолетового ексимерного світла у верхньому скляному вікні SiO 2 світильника була визначена рівною 15,8 мВт см -2 за допомогою системи УФ-монітора (ITU-150 та VUV-S172, Ushio). ПЕТ-плівка стикнулася з вікном. Час ультрафіолетового опромінення коливався від 2 до 90 с.

Після сухих обробок ПЕТ-плівки зберігали в ексикаторі, витриманому при 20 ± 1 ° C і 30 ± 1% RH.

Вимірювання сили змочування

Кути прямого та зворотного контакту води у ПЕТ-плівці визначали шляхом вимірювання сили змочування за методом Вільгелмі. Стрічка ПЕТ-плівки шириною 0,5 мм і довжиною 10 мм була підвішена до плеча електровесу (модель C-2000, Cahn Instruments, Cerritos, CA, США). Скляний контейнер з водою розмістили на платформі, підключеній до крокового двигуна (MP-20L, MICOS, Ешбах, Німеччина), трохи нижче плівкової стрічки. Поверхня води піднімалася зі швидкістю міжфазного руху 0,3 мм хв -1 (посилання 24), поки вона не занурилася на ± 2 мм від дна плівки. Потім поверхня води перемістилася вниз у вихідне положення. Постійний запис ваги був отриманий під час циклів занурення-зняття. Кути прямого та зворотного контактів були розраховані відповідно до сил зволоження вперед та назад відповідно, використовуючи рівняння Вільгельмі. 27 Ефективний периметр плівки розраховували на основі сили змочування, отриманої з використанням н-пентану, припускаючи, що кут контакту дорівнює нулю. 27 Контактні кути вимірювали для 4-8 зразків, приготованих за тих самих умов.

Кути контакту дійодеметану та етиленгліколю також вимірювали для оцінки поверхневих компонентів вільної енергії плівки ПЕТ. Компонент Ліфшица-ван-дер-Ваальса, а також кислотні та основні параметри Льюїса розраховувались за рівнянням Ван Осса-Чаудхурі-Гуда 28, підставляючи виміряні кути контакту води, дійодеметану та етиленгліколю та їх енергетичних компонентів на поверхневому еталоні. 29

Поверхневий аналіз

Хімічний склад та шорсткість поверхонь ПЕТ-плівок до та після сухих обробок характеризувались рентгенівською фотоелектронною спектроскопією (XPS) та атомно-силовою мікроскопією відповідно.

Аналіз XPS проводили за допомогою спектрометра Axis-Ultra DLD (Кратос, Манчестер, Великобританія) з використанням монохроматичного випромінювання Al K α при 1486,7 еВ (120 Вт) з нейтралізацією заряду. Спектри обстеження та спектри високої роздільної здатності центральних рівнів C1s, N1s та O1s були отримані з енергією проходу відповідно 80 та 20 еВ та апертурою щілини (0,3 × 0,7 мм 2). Спектри збирали під кутом фотоелектронного відшарування 30 °. Тиск в аналітичній камері підтримували ∼ 10 -8 Па. Аналізований поверхневий шар знаходився в межах декількох нанометрів. Всі енергії зв’язування XPS посилалися на додатковий пік вуглецю C1s при енергії зв’язку 284,8 еВ. Зібрані спектри деконволюціонували з наближенням Гауса-Лоренца після фонового віднімання Ширлі за допомогою програмного забезпечення Vision 2.

Зображення атомно-силової мікроскопії збирали за допомогою Nanoscope IIIa (Digital Instruments, Тонаванда, Нью-Йорк, США) в режимі байпасу. Параметри шорсткості поверхні, середня шорсткість, середньоквадратична шорсткість та максимальна глибина шорсткості визначались із зображень, отриманих на площі 1 × 1 мкм.

Результати і обговорення

Вплив сухої обробки на змочуваність ПЕТ

На малюнку 1 показані типові записи ваги для ПЕТ-плівок, що не обробляються, та оброблених струменем АРР та УФ-ексимерного світла. Точки 'a', 'b' і 'c' показують час, коли водна поверхня торкалася нижнього краю плівки, коли напрямок руху поверхні води був зворотним, і коли водна поверхня відокремлювалася від нижнього краю фільм, відповідно. Зміни ваги в точках 'а' і 'с' відповідають силам змочування, що рухаються вперед і назад, відповідно. Порівняно з необробленою плівкою, спостерігалася значна зміна вагових показників після обох сухих процесів.

Типові записи ваги необроблених і оброблених плівками плазми струменем плазми (АРР) з поліетилентерефталату (ПЕТ) (відстань між соплом і плівкою: 7 мм, швидкість руху плівки: 0,16 мс -1) та ультрафіолетовим (УФ) ексимером світло (час опромінення: 60 с). Вимірювання проводили протягом 30 хвилин після обробки. Точка a відповідає моменту, коли водна поверхня торкалася нижнього краю плівки, точка ba, коли напрямок руху водної поверхні був зворотним, і точка ca, коли водна поверхня відокремилася від нижнього краю фільму.

Повнорозмірне зображення

Пряма (закриті символи) та відступаюча (відкриті символи) кути контакту води, θ a та θ r, відповідно, у плівці з плазмового атмосферного тиску (APP), обробленій поліетиленовим терефталатом (ПЕТ) та ексимерним ультрафіолетовим (УФ) світлом як функція відстань між соплом і плівкою, час опромінення D та УФ відповідно.

Повнорозмірне зображення

Гідрофобне відновлення поверхні ПЕТ після сухої обробки.

Типові записи ваги полі (етилентерефталатних) плівок, ополіскуваних водою та н-гептаном та висушених на повітрі відразу після обробки плазмовим струменем атмосферного тиску та ексимерним ультрафіолетовим (УФ) світлом. Вимірювання проводили протягом 30 хвилин після обробки. Точка a відповідає моменту, коли водна поверхня торкалася нижнього краю плівки, точка ba, коли напрямок руху водної поверхні був зворотним, і точка ca, коли водна поверхня відокремилася від нижнього краю фільму.

Повнорозмірне зображення

У таблиці 1 представлені прямий і зворотний кути контакту води, розраховані на основі відповідних сил змочування на малюнках 1 і 3. Чітко було помічено, що обидва кути різко зменшились внаслідок сухих процесів. Хоча зменшення просування контактного кута внаслідок обробки було помітним під впливом АРР, відтворюваність отриманого кута була кращою для УФ-обробки. Тривале УФ-випромінювання порівняно з високошвидкісною обробкою аплікації може призвести до однорідності обробленої поверхні.

Повний розмір таблиці

У таблиці 1 кут просування значно збільшився після промивання водою, що, ймовірно, було спричинено розчиненням гідрофільного НМО на обробленій водою поверхні ПЕТ, як зазначено вище. Як і слід було очікувати, після промивання н-гептаном кут заздалегідь не змінився. З іншого боку, кути віддачі обробленої ПЕТ-плівки були однаковими у всіх випадках в межах експериментальної помилки, оскільки LMWOM у плівці розчинявся у воді під час розширеного сканування.

Зміни кутів контакту висування (закриті символи) і втягування (відкриті символи) води, θ a та θ r відповідно, у поліетилентерефталатній плівці, обробленій плазмовим струменем атмосферного тиску (APP) та ексимерним ультрафіолетовим (УФ) світлом, залежно від на термін зберігання. Кола, трикутники та квадрати показані без промивання, промивання водою безпосередньо після обробки та промивання водою безпосередньо перед вимірюванням кута контакту відповідно.

Повнорозмірне зображення

Дивно, але відступаючі кути контакту залишались майже постійним значенням (∼ 20 °) незалежно від промивання та зберігання. У попередньому документі 26 було показано, що згадана поведінка гістерезису кута контакту на поверхні ПЕТ після обробки додатком узгоджується з теоретичним розрахунком кутів випередження та відступу в модельних неоднорідних поверхнях з областями низької та високої енергії. 33, 34 Для поверхонь з переважно високою енергією, таких як поверхні, оброблені АРР та УФ-покриттями, лише розширений кут контакту сильно залежить від частки області високих енергій. У процесі гідрофобного відновлення внаслідок промивання водою та зберігання повітря після сухої обробки частка області високих енергій може зменшуватися. У цьому процесі кут віддачі буде нечутливим до зменшення частки області високих енергій. Отже, гідрофобне відновлення спостерігалось лише для прямого кута контакту, а кут назад залишався постійним.

Характеристики поверхні ПЕТ, обробленої сухою обробкою.

Результати характеристики поверхні узагальнені в таблиці 2. Плівки, оброблені APP та УФ, аналізували після промивання водою та витримки протягом 1 тижня, де гідрофобне відновлення майже припинилося, а оброблена поверхня стабілізувалась.

Повний розмір таблиці

Рентгенівська фотоелектронна спектроскопія C1s-спектри основних рівнів поверхонь плівки полі (етилентерефталату) до та після обробок струменем плазми атмосферного тиску (APP) та ексимерним ультрафіолетовим (УФ) світлом. Плівки промивали водою відразу після обробки і зберігали протягом 1 тижня.

Повнорозмірне зображення

Рентгенівська фотоелектронна спектроскопія Спектри рівня ядра O1 полімерних (етилентерефталатних) поверхонь плівки до та після обробки струменем плазми ультрафіолетовим ексимером та атмосферним тиском. Плівки промивали водою відразу після обробки і зберігали протягом 1 тижня.

Повнорозмірне зображення

Параметри шорсткості поверхні ПЕТ-плівки, отримані на основі зображень атомно-силової мікроскопії на рисунку 7, збільшились завдяки сухим процесам, особливо для обробки УФ. Повідомлялося, що на поверхнях полімерів спостерігаються значні топографічні зміни, коли інертний газ Ar/He 37 та УФ-ексимерний лазер 39, 40 використовуються, відповідно, для нанесення УФ та обробки. Контроль шорсткості поверхні ПЕТ за допомогою сухих процесів є предметом майбутнього дослідження.

Мікроскопія з атомною силою Зображення поверхонь плівки поліетиленового терефталату до та після обробок плазмовим струменем атмосферного тиску (APP) та ексимерним ультрафіолетовим (УФ) світлом.

Повнорозмірне зображення

Загалом, АРР містить різноманітні активні види, такі як радикали, іони, збуджені молекули та електрони, які можуть одночасно взаємодіяти з відкритою поверхнею ПЕТ. 18 У випадку УФ-випромінювання фотохімічні реакції є основними реакціями, що відбуваються. 20 Ці сухі процеси ініціюються розкладанням збуджених макромолекул та утворенням вільних радикалів. Такі радикали реагують з активованими формами кисню, що утворюються внаслідок фотозбудження молекул кисню в атмосфері. 41 Механізми реакції в АФП та УФ можуть впливати на змочуваність обробленої поверхні ПЕТ та подальшу гідрофобну поведінку відновлення внаслідок втрати НМО в атмосферу та розташування поверхні. Однак в рамках експериментальних даних цього дослідження важко пояснити механізм реакції двох сухих процесів. Ретельний розгляд на основі нових експериментів є предметом подальшого вивчення.

Висновки