DBD型低溫等離子體對PDMS表面性能的影響

王衛芳

【摘 要】利用介質阻擋（DBD）型低溫等離子體設備對聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜進行表面處理，通過改變等離子體處理條件，觀察PDMS薄膜表面接觸角，表面形態的變化，探究其對PDMS表面潤濕性能，黏附性的影響。經過等離子體處理，PDMS的接觸角發生明顯的減小，PDMS薄膜的親水性增強，PDMS薄膜表面的潤濕性能和吸附性能得到改善。

【關鍵詞】DBD型低溫等離子體；PDMS薄膜；潤濕性；接觸角

Effect of DBD Low Temperature Plasma Treatment on the Surface Properties of PDMS Film

【Abstract】The surface treatment of PDMS film was studied by DBD type low temperature plasma equipment. The change of surface contact angle and surface morphology of PDMS film was observed by changing the plasma treatment conditions， and its effect on PDMS surface wettability and adhesion was investigated. After the plasma treatment， the contact angle of PDMS is obviously reduced， the hydrophilicity of PDMS film is enhanced， and the wettability and adsorption performance of PDMS film are improved.

【Key words】DBD low temperature plasma； PDMS film； Wettability； Contact angle

近年來，低溫等離子體對高科技經濟的發展產生著巨大的影響，其中大氣壓下，DBD型低溫等離子體與真空中產生的等離子體相比，由于其多功能性，操作容易性，受到人們的關注。此裝置采用雙介質層的阻擋放電機理，放電性更加均勻，不直接與放電氣體接觸，避免了電極腐蝕，被廣泛用來制造特種優良性能的新材料、并與生物傳感技術結合，檢測唾液等各種體液中的生物標志物，以進行醫學診斷。

PDMS聚合物材料由于具有良好的化學惰性，熱穩定性，被廣泛應用于生物醫學等領域，然而，由于它的表面能低，機械穩定性差，其黏附性受到限制。因此可通過等離子體處理來改善其親疏水性，改善PDMS的黏附性。

低溫等離子體處理改變聚合物表面的黏附性已被應用于改善原棉織物的親疏水性。它們通過測量材料表面的接觸角，來間接反映聚合物的黏附性，接觸角越小，黏附性越高，同時也說明潤濕性越好。

本文使用DBD型低溫等離子體裝置，探究不同處理方法對PDMS表面性能的影響，運用掃描電子顯微鏡（SEM）捕獲PDMS的高分辨率圖像，觀察表面形態的變化，并運用LU160M相機捕獲接觸角圖片，用計算機軟件對接觸角進行分析處理。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置與原理

采用CTP-2000K型電源供電的低溫等離子體處理裝置（南京蘇曼等離子體有限公司生產），在不同條件下（時間、阻擋介質）對PDMS薄膜進行處理。LU160M相機，艾格科技有限公司。PDMS薄膜是選取PDMS溶液與固化劑按10：1的比例混合攪拌均勻，放入真空泵中抽取攪拌過程中產生的氣泡，再均勻涂敷在載玻片上，放入烘箱，在120 溫度下，烘干2h。

DBD型低溫等離子體裝置是通過在兩個平行電極間放入阻擋介質，加載高壓交流脈沖電源，通過單相接觸調壓器產生實驗所需的高壓正弦波，旋轉電壓調節范圍為0～250V，通過調節電壓旋轉，從而使介質阻擋放電等離子體產生均勻的放電細絲。

圖1 DBD等離子體放電裝置

1.2 低溫等離子體處理

將涂敷有PDMS薄膜的載玻片放入等離子體裝置上下電極之間，設定等離子體處理參數（包括時間、阻擋介質等），處理完畢，使用LU160M相機捕獲接觸角圖片，用計算機軟件對接觸角圖片進行分析。

1.3 分析測試

1）表面形態。用電子顯微鏡觀察PDMS薄膜的表面形貌。

2）接觸角。低溫等離子體處理載玻片5min內，用image J軟件捕獲0.05ul去離子水滴在PDMS薄膜上的靜態接觸角。

2 結果與分析討論

2.1 處理前后表面形態的變化

在不同條件下對PDMS表面進行處理，在40W和120W條件下處理材料5min，在電子顯微鏡下進行掃描，得到表面形態如圖2所示，從圖2a可以看出，未處理的PDMS表面光滑平整，處理后的圖片（b～d），可以觀測到許多被等離子體刻蝕的凹槽，相同處理時間下，功率越高，凹槽越多，且隨著功率的增加，凹槽寬度加寬。

a

b

c

d

圖2電子顯微鏡下，PDMS表面形態（a）未處理（b）功率40W，處理5min（c）120W，處理5min（d）功率120W，處理15min

2.2 處理前后的表面接觸角變化

2.2.1 處理時間不同

在處理功率20W的情況下，改變處理時間，可得到處理時間與接觸角的關系曲線，如圖3所示。從圖3可見，未處理的PDMS薄膜具有明顯的惰性和疏水性，隨著處理時間的增加，疏水性減弱，親水性逐漸增加。這說明等離子體處理后，PDMS表面的健被打斷，同時又引入了空氣中 ，使得PDMS膜表面形成大量的 和O-O健，這些含氧基團具有很強的親水性，使得其表面潤濕性得到提高。

圖3 接觸角與處理時間的關系

2.2.2 阻擋介質不同

分別選取氧化鋁陶瓷，聚四氟乙烯作為阻擋介質，在相同功率，相同處理時間情況下，測量處理后的不同時間下，接觸角變化情況。通過Origin軟件分析數據結果，如圖5所示，從圖中可見，氧化鋁陶瓷作為阻擋介質時， PDMS的親水性更強，且在不同時間下，聚四氟乙烯的親水性變化比較緩慢，這是由于相同功率下，聚四氟乙烯對材料的處理更加均勻。

圖4 阻擋介質對PDMS接觸角的影響

3 結論

DBD型低溫等離子體可以在大氣壓下對空氣中的PDMS薄膜進行表面改性處理，通過改變不同的等離子體處理條件，在電子顯微鏡下可以明顯觀察到薄膜表面粗糙度的變化。對接觸角數據進行分析，得出親疏水變化情況。同時，選取聚四氟乙烯和氧化鋁陶瓷作為阻擋介質，可以間接地揭示出阻擋介質對材料表面均勻性的影響。因此，可以選取不同的阻擋介質，來改善材料的均勻性。

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[責任編輯：張濤]endprint