azokkal

  • Tárgyak
  • Összegzés
  • Bevezetés
  • kísérleti eljárás
  • Anyagok
  • Felületkezelés
  • Nedvesítő erő mérése
  • Felületi elemzés
  • Eredmények és vita
  • A száraz feldolgozás hatása a PET nedvesíthetőségére
  • A PET felület hidrofób visszanyerése száraz feldolgozás után.
  • A száraz feldolgozással kezelt PET felületi jellemzői.
  • Következtetések

Tárgyak

  • Polimerek
  • Felületi kémia
  • Nedves

Összegzés

A polietilén-tereftalát (PET) film hidrofil jellegének fokozása érdekében két száraz eljárást hajtottunk végre, atmoszférikus nyomású plazmának (APP) való kitettséget és 172 nm-es ultraibolya (UV) excimer fénnyel történő besugárzást. A nedvesség változását a PET fólia felületén a folyamatok elvégzése után Wilhelmy módszerrel végzett nedvesítő erő mérésekkel rögzítettük. Száraz folyamatok után drasztikus csökkenést figyeltek meg a víz előre- és visszahúzódó érintkezési szögeiben, különösen az APP-expozíció esetében. Megállapították, hogy a kezelt PET felületen az előrehaladási szög növekszik a víz öblítésével vagy a levegő öregedésével, miközben a visszarúgás körülbelül ugyanolyan marad. Az UV-kezelt film esetében a hidrofób visszanyerés gyorsabban csökkent. Elvégeztük a PET film felületi jellemzését. Megbeszéljük a száraz folyamatok befolyását a PET felület fizikai-kémiai tulajdonságaira.

Bevezetés

A polietilén-tereftalát (PET) az egyik leggyakoribb polimer, amelyet az iparban használnak magas keménységi fokának, szilárdságának, hőstabilitásának, kémiai ellenállásának és alakíthatóságának köszönhetően. 1, 2 A PET hidrofób jellege azonban hátrányt jelenthet olyan alkalmazásoknál, mint a tapadás, festés, nyomtatás, fémezés stb. Ezért kémiai 3 és fizikai módosításokat hajtottak végre, hogy a PET felület hidrofilebb legyen. Jellemző fizikai módosítási technikák a plazma és az ultraibolya sugárzásnak való kitettség, és az utóbbi évtizedekben számos alapvető és alkalmazott kutatást végeztek ezeken a száraz feldolgozási technikákon. 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12

A polimer felület módosításánál a száraz folyamatok alkalmazása komoly problémát jelent abban, hogy a módosított polimer felületek instabilak a nagy mobilitás és a makromolekulák átirányítása miatt. 22., 23. Ezért a két száraz eljárással kezelt PET felületek vízzel való érintkezési szögeit az öregedési idő függvényében határozzuk meg Wilhelmy módszerrel. Ez a technika nem csak ideális módszer a nedvesítési erőből számított nagy pontosságú érintkezési szögek megszerzéséhez, hanem lehetővé teszi a háromfázisú érintkezővezeték termodinamikailag jelentős fiatal érintkezési szögének elérését a háromfázisú érintkezővezeték állandó sebességre történő mozgatásával . 24.

A kezelések utáni PET-felület stabilitását az érintkezési szög hiszterézise szempontjából vizsgáltuk. A nedvesíthetőségi fennsík elérése után elvégeztük a felület jellemzését a felszíni szabad energia, a felületi kémiai elem és a felületi topográfia szempontjából, és a száraz folyamatok tulajdonságokra gyakorolt ​​hatását vitattuk meg.

kísérleti eljárás

Anyagok

PET anyagként 188 µm vastagságú, biaxiálisan orientált PET fóliát (EMBLET SA-188, Unitika, Japán) alkalmaztunk az érintkezési szögek Wilhelmy-technikával történő meghatározásához. Használat előtt a PET-fóliát ultrahanggal vízben tisztítottuk.

A dijód-metán, az etilén-glikol és az n-heptán extra tiszta minőségű reagensek voltak, és további tisztítás nélkül használtuk fel őket. A vizet tisztítottuk (18 MΩcm ellenállással) UV Direct-Q készülékkel (Millipore, Billerica, MA, USA).

Felületkezelés

A PET-fólia felületkezelését kétféle száraz eljárással hajtottuk végre, az APP expozíciót és az UV excimer fénysugárzását. PET0,5 mm széles PET fóliát vágtak és mindkét oldalát kezelték.

Az UV excimer fényt UV excimer lámpával 172 nm hullámhosszon, környezeti levegőben sugároztuk be Xe 2 excimer vákuum UV készülékkel (UER20-172, Ushio, Tokió, Japán). A lámpaház SiO 2 felső üvegablakában az UV-excimer fény intenzitását 15,8 mW cm -2-nek határoztuk meg UV-monitor rendszer (ITU-150 és VUV-S172, Ushio) alkalmazásával. A PET-film kapcsolatba lépett az ablakkal. Az UV besugárzás ideje 2 és 90 s között változott.

A száraz kezelések után a PET-filmeket 20 ± 1 ° C hőmérsékleten és 30 ± 1% relatív páratartalom mellett tartott exszikkátorban tároltuk.

Nedvesítő erő mérése

A PET-filmben lévő víz előre és hátra érintkezési szögét a nedvesítő erő Wilhelmy-módszerrel történő mérésével határoztuk meg. 0,5 mm széles és 10 mm hosszú PET-fólia csíkot szuszpendáltunk az elektrobalancia karjából (C-2000 modell, Cahn Instruments, Cerritos, CA, USA). A lépcsőmotorhoz (MP-20L, MICOS, Eschbach, Németország) csatlakoztatott emelvényre egy vizet tartalmazó üvegtartály került, közvetlenül a filmcsík alá. A víz felszínét 0,3 mm/min (24. hivatkozás) határfelületi mozgási sebességgel emeltük, amíg ± 2 mm-re el nem merültek a film aljától. Ezután a víz felülete lefelé mozdult az eredeti helyzetbe. Folyamatos súlyrekordot sikerült elérni a merülés-kivonási ciklusok során. Az előre és hátra érintkezési szögeket az előre, illetve a vissza nedvesítő erőkből számoltuk ki, a Wilhelmy-egyenlet felhasználásával. 27 A film effektív kerületét az n-pentán alkalmazásával kapott nedvesítő erőből számítottuk, feltételezve, hogy az érintkezési szög nulla. 27 érintkezési szöget mértünk 4–8 azonos körülmények között készített mintán.

A PET-film felületi szabad energiakomponenseinek becsléséhez a dijód-metán és az etilén-glikol érintkezési szögeit is mértük. A Lifshitz-van der Waals komponenst, valamint a Lewis-sav- és bázisparamétereket a Van Oss-Chaudhury-Good 28. egyenletből számítottuk ki, helyettesítve a víz, dijód-metán és etilén-glikol mért érintkezési szögeit, és ezek energiakomponenseit. 29.

Felületi elemzés

A PET filmfelületek kémiai összetételét és érdességét a száraz kezelések előtt és után röntgen fotoelektron spektroszkópiával (XPS), illetve atomi erő mikroszkóppal jellemeztük.

Az XPS elemzést Axis-Ultra DLD spektrométerrel (Kratos, Manchester, Egyesült Királyság) végeztük monokromatikus Al K α sugárzással 1486,7 eV (120 W) feszültség mellett, töltéssemlegesítéssel. A C1s, N1s és O1s központi szintek felmérési spektrumait és nagy felbontású spektrumait 80, illetve 20 eV áteresztési energiával és résnyílással (0,3 × 0,7 mm 2) nyertük. A spektrumokat 30 ° -os fotoelektron lehúzási szögben gyűjtöttük össze. Az analitikai kamrában a nyomást ~ 10 -8 Pa értéken tartották. Az elemzett felületi réteg néhány nanométeren belül volt. Valamennyi XPS-kötési energiát az esetleges szén-Ci csúcsra vonatkoztattuk 284,8 eV kötési energiánál. Az összegyűjtött spektrumokat Gauss-Lorenzian közelítéssel felbontottuk Shirley háttér-kivonása után, a Vision 2 szoftver segítségével.

Az atomerőmikroszkópos képeket egy nanoszkóp IIIa (Digital Instruments, Tonawanda, NY, USA) bypass módban gyűjtöttük össze. Az 1 × 1 μm-es területen kapott képek alapján meghatároztuk a felületi érdességi paramétereket, az átlagos érdességet, a négyzet középső érdességét és a maximális érdességi mélységet.

Eredmények és vita

A száraz feldolgozás hatása a PET nedvesíthetőségére

Az 1. ábra a kezeletlen és az APP sugárral kezelt PET fóliák és az UV excimer fény jellemző tömegrekordjait mutatja. Az „a”, „b” és „c” pontok azt az időpontot mutatják, amikor a vízfelület megérintette a film alsó szélét, amikor a vízfelület mozgásának iránya megfordult, és amikor a vízfelület elvált. a film, ill. Az "a" és "c" pontokban bekövetkező súlyváltozások megfelelnek az előre és hátra mozgó nedvesítő erőknek. A kezeletlen filmhez képest mindkét száraz folyamat után jelentős súlyváltozás figyelhető meg.

A kezeletlen és légköri nyomású plazmasugárral (APP) kezelt poli (etilén-tereftalát) (PET) filmek jellemző súlyfelvételei (a fúvóka és a film távolsága: 7 mm, a film mozgási sebessége: 0,16 ms -1) és az ultraibolya (UV) excimer fény (besugárzási idő: 60 s). A méréseket a kezelés után 30 percen belül elvégeztük. A pont megfelel annak a pillanatnak, amikor a vízfelület megérintette a film alsó szélét, a ba pont, amikor a vízfelület mozgásiránya megfordult, és a ca pont, amikor a vízfelület elvált a film alsó szélétől.

Teljes méretű kép

Az előre (zárt szimbólumok) és a visszahúzódó (nyitott szimbólumok) víz érintkezési szögei, θ a és θ r, a légköri nyomás plazma sugárral (APP) kezelt polietilén-tereftalát (PET) filmben és az excimer ultraibolya (UV) fény függvényében a fúvóka és a film távolsága, a D besugárzási idő, illetve az UV.

Teljes méretű kép

A PET felület hidrofób visszanyerése száraz feldolgozás után.

A poli (etilén-tereftalát) filmek tipikus súlyfelvételei vízzel és n-heptánnal leöblítve, majd légköri nyomású plazma (APP) robbantással és excimer ultraibolya (UV) fénnyel történő kezelés után azonnal levegőn száradtak. A méréseket a kezelés után 30 percen belül elvégeztük. A pont megfelel annak a pillanatnak, amikor a vízfelület megérintette a film alsó szélét, a ba pont, amikor a vízfelület mozgásiránya megfordult, és a ca pont, amikor a vízfelület elvált a film alsó szélétől.

Teljes méretű kép

Az 1. táblázat bemutatja a víz előre és hátra érintkezési szögét, az 1. és a 3. ábrán látható nedvesítő erőkből számítva. Egyértelműen megfigyelhető volt, hogy mindkét szög drámai módon csökkent a száraz folyamatok miatt. Bár a kezelés miatti érintkezési szög előrehaladásának csökkenése figyelemre méltó volt az APP-nek való kitettség szempontjából, a kapott szög reprodukálhatósága jobb volt az UV-kezelésnél. A nagy sebességű kijuttatáshoz képest tartós UV-sugárzás a kezelt felület homogenitásához vezethet.

Teljes méretű asztal

Az 1. táblázatban az előrehaladási szög jelentősen megnőtt a vízöblítés után, amit valószínűleg a hidrofil LMWOM oldódása okozott a vízben kezelt PET felületen, amint azt fentebb említettük. Ahogy az várható volt, az n-heptánnal végzett öblítés után az elõzõ szögben nem sok változás történt. Másrészt a kezelt PET-fólia visszarúgási szögei minden esetben azonosak voltak a kísérleti hibán belül, mivel a filmben lévő LMWOM vízben oldódott a fejlett szkennelés során.

A víz előrehaladásának (zárt szimbólumok) és a visszahúzódás (nyitott szimbólumok) érintkezési szögeinek változása, θ a és θ r, a légköri nyomású plazmasugár (APP) polietilén-tereftalát filmben és az excimer ultraibolya (UV) fényben, a tárolási időtartamtól függően. A körök, a háromszögek és a négyzetek öblítés nélkül, közvetlenül a kezelés után vízzel és közvetlenül az érintkezési szög mérése előtt vízzel öblítve jelennek meg.

Teljes méretű kép

Meglepő módon a visszahúzódó érintkezési szögek szinte állandóak (~ 20 °) maradtak, függetlenül az öblítéstől és a tárolástól. Az előző 26. dokumentumban kimutatták, hogy az említett érintkezési szög hiszterézis viselkedése a PET felületen az alkalmazással történő kezelés után összhangban áll az előre és a visszavonulás érintkezési szögének elméleti számításával a modell heterogén felületeiben alacsony és magas energiájú régiókkal. 33, 34 A túlnyomórészt nagy energiájú felületek, például az APP és az UV-vel kezelt PET felületek esetében csak a fejlett érintkezési szög nagymértékben függ a nagy energiájú régió arányától. A száraz öblítés utáni vízöblítés és légraktározás következtében kialakuló hidrofób visszanyerési folyamatban a nagy energiájú régió aránya csökkenhet. Ebben a folyamatban a visszarúgási szög érzéketlen lesz a nagy energiájú régió arányának csökkenésére. Ezért a hidrofób visszanyerést csak az elõzõ érintkezési szögnél figyeltük meg, és a visszafelé irányuló szög állandó maradt.

A száraz feldolgozással kezelt PET felületi jellemzői.

A felületi jellemzés eredményeit a 2. táblázat foglalja össze. Az APP és az UV-vel kezelt filmeket vízzel öblítés és 1 hétig tartó öregítés után elemeztük, ahol a hidrofób visszanyerés majdnem megszűnt, és a kezelt felület stabilizálódott.

Teljes méretű asztal

Röntgensugaras fotoelektron-spektroszkópia Poli (etilén-tereftalát) filmfelületek C1s magszint-spektrumai atmoszférikus nyomású plazmasugárral (APP) és excimer ultraibolya (UV) fénnyel végzett kezelések előtt és után. A filmeket közvetlenül a kezelések után vízzel öblítettük és 1 hétig tároltuk.

Teljes méretű kép

Röntgensugaras fotoelektron spektroszkópia Poli (etilén-tereftalát) filmfelületek O1 magszintű spektrumai ultraibolya excimer fény- és légköri nyomású plazmasugaras kezelések előtt és után. A filmeket közvetlenül a kezelések után vízzel öblítettük és 1 hétig tároltuk.

Teljes méretű kép

A PET-film felületi érdességi paraméterei, amelyeket a 7. ábra szerinti atomerőmikroszkópos képekből nyertek, a száraz folyamatok miatt nőttek, különösen az UV-kezelésnél. Beszámoltak arról, hogy figyelemre méltó topográfiai változás figyelhető meg a polimer felületeken, amikor Ar/He 37 inert gázt és egy eximer 39, 40 UV lézert használnak UV alkalmazáshoz, illetve kezeléshez. A PET felületi érdességének száraz eljárásokkal történő ellenőrzése egy jövőbeni tanulmány tárgya.

A polietilén-tereftalát filmfelületek atomerő-mikroszkópos képei légköri nyomás plazmasugár (APP) és excimer ultraibolya (UV) fénykezelések előtt és után.

Teljes méretű kép

Általánosságban az APP különféle aktív fajokat tartalmaz, például gyököket, ionokat, gerjesztett molekulákat és elektronokat, amelyek egyidejűleg kölcsönhatásba léphetnek a PET kitett felületével. 18 Az UV-sugárzás esetén a fotokémiai reakciók jelentik a fő reakciókat. 20 Ezeket a száraz folyamatokat gerjesztett makromolekulák bomlása és szabad gyökök képződése indítja el. Az ilyen gyökök reagálnak a légkörben lévő oxigénmolekulák foto gerjesztése révén keletkező aktivált oxigénfajtákkal. 41 Az APP és az UV reakciómechanizmusai hatással lehetnek a kezelt PET felület nedvesíthetőségére és a későbbi hidrofób visszanyerési viselkedésre az LMWOM légköri vesztesége és a felület elhelyezkedése miatt. A tanulmány kísérleti adatai között azonban nehéz megmagyarázni a két száraz folyamat reakciómechanizmusát. Az új kísérletek alapján történő gondos megfontolás a jövőbeni tanulmányok tárgya.

Következtetések