等離子體表面處理技術在護目鏡防霧中的應用

孫文辰，李 群，張道芬，袁清玥

(安徽醫科大學, 合肥 230032)

護目鏡是醫學和一些特殊領域常用的防護工具，它可以避免輻射光對眼睛的傷害，同時有效預防病原體感染，阻隔病毒飛沫的傳播，在非典和新冠疫情中對醫護人員起到重要的防護作用。但是，由于護目鏡在使用過程中的高度封閉性，呼吸所產生的水汽難免會造成護目鏡起霧。鏡片起霧會不同程度地影響使用者的視覺功能，嚴重時可導致使用者不能視物而喪失作業能力，影響視野及診斷與一些精細操作，所以將鏡片在工作過程中的起霧程度降低具有非常重要的實用意義。

1 水霧形成原理與解決方式

水霧是由于空氣中的水蒸氣在遇到溫度較低的物體表面時發生凝聚而形成的水滴，水滴的形成，從本質上可以認為是一種相變的過程。氣相的水在接觸較冷物體表面時，液化形成了液態水，而且液態水滴的存在也受冷凝與蒸發這兩個過程的影響。

目前，防止水霧產生的諸多方法中，可分為兩大部分，即改變物體表面的環境參數與改變物體基底材料的特征。目前鏡片防霧技術主要有結構式鏡片防霧技術、物化式鏡片防霧技術、人工鏡片防霧方法等[1]。結構式鏡片防霧技術通過調整鏡片表面溫度及通風環境以達到阻止起霧的目的，比如在防護罩體內采用了一種引導吸入空氣吹掃鏡片的“ Y 型管(Tissort Deflector)”工作原理，清晰但需引入附屬，使得護目鏡整體結構復雜繁重。物化式鏡片防霧技術是在鏡片表面噴涂化學物質，即應用親水性或疏水性化學物質抑制水汽形成霧滴[2]，在一定時間段性能較好，但時效性較短，導致工作性能不穩定。人工鏡片防霧方法即通過擦拭等人工干預辦法簡單去除鏡片上的水汽霧滴，該方法比較簡單粗暴，對防護級別不高的情況下較適用，但是它無法滿足醫務人員需連續工作時的防護要求。

2 等離子體表面處理技術

霧是一種小液滴，無數小液滴在一起，就會散射光線，從而影響視線。超親水表面就是讓小液滴不形成液滴，液滴上去就直接鋪開而形成一層水膜，這樣就不會形成散射，而水膜只要夠薄，它的透明度就是很高的，近幾十年來，等離子體對材料表面的改性得到了廣泛應用。通常情況下,等離子體會產生高能物質，如帶電粒子、自由基、表面的原子和分子，這取決于等離子體源的工作過程，發生在表面外露材料如腐蝕、活化、清洗等都會導致修改材料的表面性能。在等離子體工作過程中，可以使用不同的氣壓和接枝氣體條件，在鏡片表面達到不同的處理程度[3]。在特定的工藝下，等離子體對鏡片表面改性處理后可提高鏡片表面的親水性能，且具有較好的穩定性，從而達到很好的防霧效果，滿足醫用護目鏡的工作要求。

3 鏡片表面處理及測試

3.1 樣品制備與測試方法

接觸角是在固體表面液滴完全靜止時，在固、液、氣三態，從固體基底表面的固-液界面經過液體內部到氣-液界面的夾角，其大小可以反映出材料的濕潤性程度，當接觸角越小時，可以表明材料的濕潤性越高，水蒸氣在鏡片表面越不易形成水滴，故在研究中，可以用測量接觸角大小的方法定量比較試件的濕潤性大小。通過接觸角的大小來判讀其表面親水性的優劣，接觸角越小說明鏡片表面親水性越好。將鏡片放置在等離子體處理設備中(見圖1)，對多組鏡片經過不同的處理工藝后，測試其表面接觸角并分析確定最優處理工藝。另外，通過直接觀察法，進一步驗證鏡片防霧效果。將經過等離子體處理前后的鏡片放置于統一的、固定的起霧條件下，透過鏡片觀察某一固定物體，根據觀察者的主觀意識感覺對起霧程度、影響觀察程度進行一個評分，評分采用十分制，越影響觀察則其分數越高，最后通過比較判定等離子體改性處理鏡片對防起霧效果的有效性。

圖1 等離子體處理設備Fig.1 Plasma processing equipment

3.2 處理結果及分析

鏡片表面經過OPS等離子體科技有限公司生產的設備(見圖1)進行等離子體改性處理，起始階段，隨著處理時間的延長，鏡片表面接觸角逐漸減小，60 s后，鏡片表面的接觸角從原始表面的81°下降到15°，接著隨著處理時間的延長，接觸角變化略有增加，當表面活化時間延長至300 s后，接觸角值回升至25°，接觸角隨時間的變化值見表1。

表1 不同處理時間下鏡片表面的接觸角Tab.1 Contact angle of lens surface under different processing time

由圖2可發現，鏡片表面經等離子體改性處理后，其表面親水性能有明顯改變，0～60 s的接觸角變化最大，說明其表面親水性能有了較大改善。隨著時間的延長，當處理時間在60～80 s時，接觸角變化很小，說明親水性基本不變，再隨著處理時間的延長，接觸角有上升趨勢，當時間達到300 s時，接觸角回升至25°，說明其表面親水性能在下降。由此可見，利用等離子體工藝來處理鏡片表面60 s，對其親水性能的提高最顯著。同時采用直接觀察法進一步驗證鏡片處理前后的防霧效果可發現，處理時間在60～120 s、接觸角達到15°～15.5°時，鏡片在霧氣環境中仍保持清晰，說明防霧效果最佳。

圖2 接觸角隨處理時間的變化曲線Fig.2 Curve of contact angle changing with processing time

4 結論

經等離子體處理后，鏡片表面的接觸角從原始的81°下降到15°，說明等離子體工藝可以顯著改變鏡片表面的親水性能；鏡片表面經等離子體改性處理60s時，表面的接觸角達到最小值，說明此時鏡片表面的親水性能達到最佳，同時通過直接觀察法進一步驗證此工藝處理的鏡片，防霧效果很好。