基于大氣壓低溫等離子射流處理的材料親水性實驗教學(xué)研究

錢沐楊, 呂 燕, 馬 鵬, 江遠(yuǎn)輝, 劉三秋, 王震東,龔江宏

(1. 南昌大學(xué) 物理系, 江西 南昌 330031； 2. 清華大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 北京 100084)

基于大氣壓低溫等離子射流處理的材料親水性實驗教學(xué)研究

錢沐楊1, 呂 燕1, 馬 鵬1, 江遠(yuǎn)輝1, 劉三秋1, 王震東1,龔江宏2

(1. 南昌大學(xué) 物理系, 江西 南昌 330031； 2. 清華大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 北京 100084)

通過大氣壓下低溫等離子體射流對材料表面進(jìn)行處理,可以極大地提高材料表面的親水性。該方法有別于傳統(tǒng)的共混、表面接枝和界面聚合等方法對膜材料親水性改性,利用懸浮電極射流源產(chǎn)生的等離子體化學(xué)活性強(qiáng)、氣體溫度低,而且操作簡單、成本低廉。通過水接觸角測量儀測量射流處理前后材料表面的水接觸角,從而表征材料表面親水性改性。該實驗可以吸引學(xué)生的注意力,幫助學(xué)生加深了解材料及物理等交叉學(xué)科基本知識，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用材料物理基礎(chǔ)理論知識和實驗技能進(jìn)行材料研究開發(fā)的基本能力，可為中國大學(xué)材料及物理相關(guān)專業(yè)的本科實驗教學(xué)提供參考和啟示。

材料表面； 親水性改性； 大氣壓低溫等離子體射流； 大學(xué)實驗教學(xué)

材料表面的親、疏水性對于材料的使用性能,如材料的透水能力(水通量)、耐污染性能及生物相容性等起著至關(guān)重要的作用。國內(nèi)外廣大材料科學(xué)工作者采用共混、表面接枝和界面聚合等方法對膜材料進(jìn)行親水性改性,不斷提高材料的親水性始終是科研工作者孜孜不倦的追求目標(biāo)[1-3]。

如何在課堂上形象生動地引導(dǎo)材料物理學(xué)生了解材料物理的基礎(chǔ)理論和基本知識,一直是相關(guān)課程追求的目標(biāo)。本科生教學(xué)有別于科學(xué)研究,本科生并沒有扎實的學(xué)科理論知識儲備。此外,一些傳統(tǒng)意義上的材料表面親水性改性,需要比較專業(yè)的診斷設(shè)備,如掃描電子顯微鏡、紅外光譜儀、X射流衍射分析儀,原子力顯微鏡等,而一些缺乏經(jīng)費的?？圃盒２荒荛_展相關(guān)的本科實驗教學(xué)，僅僅通過課堂上的理論授課,學(xué)生只能了解大概的基礎(chǔ)理論知識,并不能有直觀的教學(xué)體驗。

本文試圖通過引入大氣壓低溫等離子體射流,直接處理材料表面,采用水接觸角測量儀表征處理前后材料表面的親水性。這種新穎的方法適用于廣大本?？圃盒２牧衔锢硐嚓P(guān)專業(yè)的實驗教學(xué),可直觀地引導(dǎo)學(xué)生了解大氣壓等離子體射流作用材料表面的物理機(jī)制,為進(jìn)一步開發(fā)學(xué)生的材料研究和新材料開發(fā)指明方向。

1 大氣壓低溫等離子射流處理材料機(jī)理

大氣壓低溫等離子體射流,由于產(chǎn)生的等離子體射流溫度低,等離子體化學(xué)活性強(qiáng)及工作區(qū)域與放電完全分離等特點,近些年來在聚合物表面改性、殺菌消毒及等離子體醫(yī)學(xué)等方面受到廣泛的關(guān)注[4-6]。實驗研究結(jié)果表明，大氣壓低溫等離子體射流直接作用于材料表面,材料的親水性能快速地得到改性。其作用機(jī)理和傳統(tǒng)的材料親水性改性有著很大區(qū)別,由于低溫等離子體射流溫度可以低至室溫而電子能量在1.0～10 eV,此外射流中還有很多活性粒子,如強(qiáng)氧化性的氧原子和OH分子等[7-10]。這樣高能量的電子和強(qiáng)氧化性的活性粒子,可以打斷大多數(shù)聚合物材料的化學(xué)鍵(2.0～10 eV),所以經(jīng)過射流處理的聚合物表面會產(chǎn)生大量的不飽和鍵[11-13]。這些不飽和鍵在空氣中被氧化而形成大量的極性基團(tuán),這些極性基團(tuán)的存在提高了聚合物的表面能,使得極性水分子與聚合物表面的結(jié)合力增強(qiáng),從而導(dǎo)致材料的親水性得到改善。等離子體改性只涉及聚合物表面0.1 μm微米量級的范圍,不會對聚合物的整體結(jié)構(gòu)造成損害。此外,低溫等離子體射流表面處理還具有等離子體處理反應(yīng)速度快、作用的時間短,只需要幾分鐘就可以達(dá)到要求,因此具有極高的處理效率；而且是一種環(huán)境友好處理手段,處理過程中不會產(chǎn)生有害派生物,所以是一種非常有前途的表面處理技術(shù)。

2 實驗教學(xué)裝置及基本原理

圖1是我們設(shè)計的大氣壓低溫等離子體射流源裝置。該實驗教學(xué)裝置需要的設(shè)備主要有:裝稀有氣體的鋼瓶,內(nèi)外徑分別為5.5 mm和8 mm的石英玻璃管,控制工作氣體的質(zhì)量流量計(也可用轉(zhuǎn)子流量計),性能穩(wěn)定且價格適中的正弦交流電源、示波器、高壓和電流探頭、發(fā)射光譜儀。值得注意的是在石英玻璃管的下端,兩根直徑僅為1 mm的細(xì)鎢絲鑲嵌在石英玻璃管中,一根接高壓電源充當(dāng)陽極,另一根懸浮著(故稱之為懸浮電極)。作者所在的博士階段課題組對這種懸浮電極射流源進(jìn)行了很多實驗和嘗試,發(fā)現(xiàn)電極懸浮的獨特設(shè)計,有利于產(chǎn)生性能穩(wěn)定、射流長的等離子體射流。高壓和電流探頭用于測量放電的工作參數(shù),高帶寬的示波器用來捕捉放電過程中的電壓和電流信號。有條件的院校可以配備原子發(fā)射光譜儀(如美國普林斯頓儀器公司的Acton SpectraPro系列光譜儀),用來診斷射流中的活性粒子自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子信號。對于工作氣體,一般選擇價格低廉、放電穩(wěn)定的氬氣(Ar)。表征膜材料親水性變化的分析手段主要有紅外光譜技術(shù)、膜污染指數(shù)測量和水靜態(tài)接觸角(以下簡稱為水接觸角)測量等。其中水接觸角測量由于儀器相對比較簡單、數(shù)據(jù)又很直觀而得到普遍采用。因此,本文用水接觸角測量儀測量射流直接處理前后的材料表面水接觸角,從而表征處理前后材料表面親水性改性。

圖1 處理材料的射流源裝置

3 實驗教學(xué)內(nèi)容及討論

圖2是我們得到的氬氣流量為0.26 m3/h時不同峰值電壓下射流的演化圖片。從圖2中很明顯可以看到,射流在峰值電壓為4 kV左右處于最佳的工作狀態(tài)，此時射流長度(噴出石英管外部分)達(dá)6 cm，且放電溫度均勻,有利于直接處理待處理的材料,如聚合物材料。實驗內(nèi)容有:

(1) 記錄不同峰值電壓和工作氣體流量下的電壓和電流的波形曲線,拍攝相應(yīng)的射流放電圖片,從而得到最優(yōu)的工作參數(shù)；

(2) 用發(fā)射光譜儀診斷射流中的活性粒子成分；

(3) 用水接觸角測量儀測量射流直接處理前后的聚合物的水接觸角,表征材料表面親水性改性。

圖3是用發(fā)射光譜儀得到的發(fā)射光譜圖,波長范圍為300～900 nm。通過此圖,我們對這種懸浮電極射流源中的活性粒子成分有了全面的了解,如激發(fā)態(tài)的氬原子、強(qiáng)氧化性的OH自由基和O原子、激發(fā)態(tài)的N2等。等離子體強(qiáng)的化學(xué)活性就是基于這些活性粒子,尤其是在處理聚合物的時候,強(qiáng)氧化性的OH和O原子以及高能的電子起著主導(dǎo)作用。事實上,到目前為止,等離子體作用在材料表面的潛在物理機(jī)制,仍沒有一個完全信服的定論。本實驗,主要是培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力。此外,還可以充分激發(fā)學(xué)生獨立自主的思考能力和發(fā)散思維,引導(dǎo)他們對潛在的物理機(jī)制提出自己的個人看法和見解。比如通過改變實驗條件,如果O原子的光強(qiáng)增加,此時的材料在相同時間內(nèi)水接觸角減小,間接就說明了O原子有利于提高材料表面的親水性。

圖2 不同峰值電壓下射流的形成和演化過程(工作氣體流量為0.26 m3/h)

圖3 懸浮電極氬等離子體射流源發(fā)射光譜圖(氣體流量0.26 m3/h,峰值電壓4 kV)

大氣壓等離子體射流直接處理聚四氟乙烯樣品30 s后,用水接觸角測量儀測量處理前后樣品表面的水接觸角,結(jié)果見圖4。由圖4學(xué)生直觀地了解到等離子體射流具備迅速改變材料表面親水性的能力。

4 實驗總結(jié)

本文介紹的大氣壓低溫等離子體射流直接處理聚合物能快速、無污染地改變材料表面親水性。該方法很適合在廣大本?？圃盒ｉ_展相關(guān)的本科實驗教學(xué)。第一,整套實驗儀器成本低廉,共計2萬余元(不包括發(fā)射光譜儀)；而且實驗操作簡單、原理明確,能夠給學(xué)生留下直觀的印象。第二,實驗內(nèi)容詳實。比如學(xué)生首先需要找到一個最優(yōu)化的放電參數(shù),此時能在最短時間內(nèi)迅速地提高材料的親水性,學(xué)生還可以體會到不同放電參數(shù)下哪種活性粒子對材料表面的親水性改變起著主導(dǎo)作用。第三,通過此次實驗,學(xué)生可以了解大氣壓低溫等離子體射流材料表面改性的基本知識,提高學(xué)生實驗動手能力。

圖4 懸浮電極氬等離子體射流處理聚四氟乙烯表面前后的水接觸角變化(處理時間30 s,氣體流量0.26 m3/h,峰值電壓4 kV)

致謝：本文得到國家自然科學(xué)基金項目(11465013)和江西省教改項目“物理類創(chuàng)新實驗?zāi)K實踐及實施效果研究(XJG-14-1-32)”的支持,在此表示由衷的感謝。

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An experimental teaching research on material hydrophilicity based on low-temperature atmospheric pressure plasma jet

Qian Muyang1, Lü Yan1, Ma Peng1, Jiang Yuanhui1, Liu Sanqiu1, Wang Zhendong1, Gong Jianghong2

(1. Department of Physics, Nanchang University, Nanchang 330031， China;2. School of Material Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084， China)

The low temperature atmospheric pressure plasma jet is applied to treat the material surface, which has been demonstrated to significantly improve the material hydrophilicity. Material modification by plasma jet with the floating electrode has a variety of promising advantages, including enhanced plasma chemistry, low gas temperature, easy control and low cost, which is distinct from traditional surface grafting and interfacial polymerization methods. Before and after plasma treatment, the water contact angle is measured to characterize the modification of material hydrophilicity. Based on this vivid teaching method, it can attract the student’s attention and cultivate them to understand the basic knowledge of interdisciplinary material physics. This paper is considered to provide references to undergraduate experimental teaching and help students to improve the ability of studying the material science and technology with the basic theoretical knowledge and experimental skills.

material surface; material hydrophilicity modification; low temperature atmospheric pressure plasma jet; undergraduate experimental teaching

2015- 06- 15 修改日期：2015- 09- 09

國家自然科學(xué)基金項目(11465013)；江西省教改項目“物理類創(chuàng)新實驗?zāi)K實踐及實施效果研究”(XJG-14-1-32)

錢沐楊(1985—),男，江西臨川，博士，講師，主要從事大氣壓低溫等離子體材料表面改性研究.

E-mail：qianmuyang@ncu.edu.cn

TB303； G642.0

B

1002-4956(2015)12- 0057- 03