大氣壓等離子體射流改性船體鋼表面親水性研究

　　在室溫下,采用大氣壓等離子體射流對船體鋼進行表面改性,通過水接觸角測量、掃描電鏡、X射線光電子能譜等分析測試方法研究了等離子體射流處理前后船體鋼表面潤濕性、表面形貌及化學(xué)特性的變化。研究結(jié)果表明,船體鋼經(jīng)大氣壓空氣等離子體射流處理后在其表面引入了大量含氧基團,處理2s表面的水接觸角就可以降到30°以下;處理后材料表面的親水性受處理時間及放電電流的影響且在空氣中放置時會出現(xiàn)老化效應(yīng),處理時間越長,老化效應(yīng)越弱。

　　表面涂覆有機涂層是目前應(yīng)用最廣泛的金屬腐蝕防護手段之一[ 1- 2] 。涂層的防護機制是通過在金屬和腐蝕環(huán)境之間加入一個防護層來減弱金屬腐蝕。然而, 在涂層的使用過程中往往發(fā)生涂層從金屬基體上剝落的現(xiàn)象, 減弱了涂層對金屬的防護性能。因此, 開展提高涂層與金屬基體之間附著力的研究非常必要。研究表明, 涂層在金屬表面的結(jié)合牢固程度往往受涂料或樹脂在基體表面鋪展?jié)櫇裥缘挠绊慬 3- 5] 。C. J. Lee 等[ 6] 采用掃描電鏡( SEM) 觀察了膠粘劑/ 金屬的斷面形貌。結(jié)果顯示, 如果膠粘劑在樣品表面上有好的潤濕性, 則可以緊貼在凹凸不平的試樣上, 否則膠粘劑與金屬界面間將存在大量縫隙。

　　等離子體表面改性技術(shù)是一種氣-固相干式反應(yīng)體系, 具有不引入其他物質(zhì)、不污染環(huán)境, 能夠有效地改善金屬、聚合物表面的親水性、疏水性及生物相容性, 大幅度提高金屬-金屬、金屬-聚合物之間的結(jié)合牢固度等優(yōu)點, 已引起了眾多研究者的廣泛關(guān)注[ 7- 8] 。等離子體的改性效果往往與放電氣體種類及放電條件有關(guān)[ 9- 12] 。本文采用大氣壓空氣等離子體射流對普通船體鋼進行表面改性處理, 以期能夠改善鋼基體表面的親水性能, 提高涂層與基體之間的結(jié)合強度, 從而增加涂層的防護性能。通過水接觸角測量、SEM、X 射線光電子能譜( XPS) 等分析測試方法研究了等離子體處理前后船體鋼表面潤濕性、物理形貌及化學(xué)特性的變化。

實驗部分

表面處理

　　本實驗于大氣壓下, 以空氣為放電氣體, 采用APJ-1000 低溫等離子體儀對噴砂處理后的船體鋼試樣( 50 mm@ 50 mm@ 3 mm) 進行了表面改性, 空氣等離子體射流槍結(jié)構(gòu)與文獻[ 13] 類似。將等離子體槍固定于鐵架臺上, 噴嘴豎直向下, 試樣置于噴嘴下方10~ 15 mm 處, 等離子體在內(nèi)、外電極之間的區(qū)域產(chǎn)生, 并由壓縮空氣吹出, 射流火焰長度約15 mm, 直徑約10 mm, 放電電流I 為3~ 315 A, 移動試樣前后左右運動, 實現(xiàn)大面積均勻處理。

性能測試與表征

接觸角測試

　　實驗在型號為KRBSS-DSACOO 的接觸角測試儀上進行。在室溫下, 采用靜態(tài)液滴法, 分別測取樣品面5 個點的接觸角, 水滴均為30 LL, 記錄數(shù)據(jù)求平均值, 并作出接觸角隨等離子體處理時間、放電電流及等離子體處理后放置時間變化的曲線。其中, 在處理試樣時, 記錄的時間是處理整片試樣所用的時間,但在本文中記錄的處理時間值已換算成了連續(xù)處理單個點的時間, 大約為處理整片試樣時間的1/ 30。

SEM及XPS分析

　　采用荷蘭Philips 公司生產(chǎn)的XL-30 型SEM, 觀察空氣等離子體射流處理前后試樣的表面形貌, 加速電壓為20 kV, 并用XPS 儀對等離子體射流處理前后樣品表面的化學(xué)元素進行分析。

　　(1) 大氣壓空氣等離子體射流能夠高效提高船體鋼表面的親水性。處理后材料表面的親水性受處理時間、距離及放電電流的影響, 在相同條件下, 處理距離越近, 電流強度越大, 達到所要求的潤濕度所用時間越短。在距離10 mm、電流3 A 條件下處理2s, 船體鋼表面的水接觸角就可以降到30b以下。

　　(2) XPS 測試表明空氣等離子體對材料表面親水性能的改善, 主要是通過在材料表面引入了大量含氧官能團及等離子體對材料表面的清洗作用來實現(xiàn)的。

　　(3) 空氣等離子體處理后的試樣在空氣中放置時親水性會出現(xiàn)老化效應(yīng), 處理時間越長, 老化效應(yīng)越弱即處理效果保持度越高。

　　關(guān)鍵詞：大氣壓等離子體射流;表面改性;親水性;老化效應(yīng)

　　Abstract: The surfaces of hull steel were modified with a high pressure plasma jet under ambient conditions,i.e.in air and at room temperature.The influence of the surface modification conditions,including the discharge current,plasma sputtering time,separation between the jet-nozzle and surface and the sputtering angle,on the morphologies,properties and compositions of the modified surfaces were studied.The modified surfaces and the control surfaces were characterized with scanning electron microscopy and X-ray photoelectron spectroscopy.The results show that the surface modification significantly improves the hydrophilicity of the hull steel.For instance,the water contact angle decreased to below 30° after the air plasma sputtering for 2 s,possibly because the plasma generated a large density of oxygen functions groups on the surface.We found that the hydrophilicity deteriorates in long-time storage,i.e.the ageing effect;and the longer the plasma sputtering time,the weaker the ageing effect.

Keywords: Atmospheric pressure plasma jet,Surface modification,Hydrophilicity,Aging effect

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