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聚合物的化學組成以及性質主要包括聚合物元素組成,基團分布等,由于等離子體放電對于聚合物的修飾不同于常規(guī)修飾方法,因此得到的產物較復雜。不同條件下的等離子體處理對聚氨酯（PU）的化學結構和組成都產生顯著影響。聚氨酯表面的化學性質直接影響著材料的各種性能,如力學性能、表面能等。因此,對等離子體處理下聚氨酯表面化學成分的深入分析對于理解聚氨酯親水性的改善原理至關重要。

聚氨酯空氣等離子體處理提高親水性原理

在本文中,采用XPS測試技術,通過分析聚氨酯在空氣等離子體處理后的表面變化,探討空氣等離子體處理對聚氨酯化學結構和組成的影響。通過對XPS譜圖的分析,能夠深入了解空氣等離子體處理引起的表面改性的細節(jié),為理解聚氨酯親水性的提升提供理論依據(jù)。

空氣等離子體不同輸出功率下聚氨酯的XPS分析

在保持等離子體處理時間為40s的情況下,改變輸出功率對聚氨酯進行改性處理,對改性后的結果與未處理的聚氨酯進行對比。首先將未處理的聚氨酯進行XPS掃描,如圖1.1所示。

圖1.1 未處理聚氨酯泡沫XPS總譜圖

從掃描圖中可以明顯分辨出未處理的聚氨酯樣品中有明顯的C、N、O三種元素。同時對不同輸出功率處理后的聚氨酯泡沫均進行XPS掃描分析并對該三種元素的百分比含量進行計算。等離子體處理后聚合物的化學表面改性通過每種聚合物的化學元素的原子百分比的變化來揭示。

經過測算的三種元素的占比如表1.1所示。經過等離子體放電處理后,C1s、N1s、O1s峰高均發(fā)生了變化,其中C1s譜峰和O1s譜峰變?yōu)樽顬槊黠@,而N1s的濃度幾乎不受影響。這表明等離子處理使得聚氨酯表面元素發(fā)生了變化。未處理的聚氨酯泡沫表面C元素占比較高達到65.98%,而O元素占比僅為29.08%,經過不同功率下的等離子體放電處理后可以明顯看出,O元素含量獲得了大幅度的提升。在輸出功率為33.03W時,C元素占比下降為55.50%,而氧元素占比達到38.42%。隨著空氣等離子體輸出功率增強,聚氨酯表面的氧元素含量也在不斷變化。根據(jù)XPS定量分析結果,O元素含量的變化可能是由于空氣為反應性氣體,空氣等離子體氣氛中的與氧相關的活性粒子與聚氨酯表面發(fā)生了一系列反應,通過這些反應在泡沫表面引入了大量含氧基團,因此聚氨酯表面O元素的相對含量大幅增加,導致聚氨酯親水性發(fā)生了變化。但具體增加了哪種基團還需要進一步對聚氨酯的精細譜進行分峰擬合分析。

表1.1 空氣等離子體變輸出功率處理前后聚氨酯表面元素組成XPS分析數(shù)據(jù) 

(1) C1s譜圖分析

擬合分峰后得到的基團分布情況如圖1.2所示,未處理的聚氨酯C1s譜圖中,C元素以三種形式存在。284.8eV左右是典型的C-C,286eV為C-O-C,288.5eV為O-C=O。C-C是典型的碳-碳鍵,表明聚氨酯中存在著碳鏈結構。C-O-C與聚氨酯中醚鍵的存在相關。O-C=O表示酯鍵,符合聚氨酯的實際情況。經過不同輸入電壓的等離子體放電處理之后,表面基團的存在形式變?yōu)镃-C以及C-O-C兩種形式,輸入電壓的提升提高了等離子體的活性。圖中明顯看出隨著功率的增大,C-O-C官能團占比先增大后降低,與空氣等離子體處理對聚氨酯親水性改善的效果緊密相關.

圖1.2 不同輸出功率下空氣等離子體處理前后C1s譜圖 (a)未處理  (b)輸出功率33.03W  (c)輸 出功率48.06W  (d)輸出功率57.16W  (e)輸出功率66.54W

對O元素的精細譜進行分峰擬合,得到的基團結構如圖1.3所示。未處理的聚氨酯泡沫存在531.5eV的C-O及533eV的C=O這兩種官能團,經過等離子體處理后的聚氨酯基團結構發(fā)生了明顯變化。

圖1.3 不同輸出功率下空氣等離子體處理前后O1s譜圖 (a)未處理  (b)輸出功率33.03W  (c)輸 出功率48.06W  (d)輸出功率57.16W  (e)輸出功率66.54W 

由于等離子體可能提供足夠的能量,使得氧原子在等離子體條件下發(fā)生氧化反應形成更為穩(wěn)定C=O官能團,促進親水性的提升。但隨著隨著輸出功率增大,聚氨酯表面反應發(fā)生的速度越快,到達峰值的時間減少,而更長的處理時間讓聚氨酯表面能夠被氧化的基團越來越少。隨著處理時間的增加,溫度越來越高,高溫可能引發(fā)進一步的分子結構變化,破壞了聚氨酯在等離子體處理初期已經形成的含氧官能團,導致親水性下降,從而導致改性的效果減弱。觀察到當輸出功率進一步提升至66.54W時,C-O官能團減少而C=O官能團的重新出現(xiàn)。這說明過高的放電溫度和高能粒子會對聚氨酯表面形成刻蝕。刻蝕過程會暴露出更多的官能團或改變官能團的狀態(tài),從而影響材料與水分子的相互作用。表面刻蝕還可能改變材料的表面能,這對材料與水分子之間的相互作用也具有重要影響。這種改變可能使材料的表面更具親水性,導致親水性改善效果的升高。