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科研发展

等离子体预处理对材料表面张力的影响

维尔茨堡-施韦因富特应用技术大学(FHWS)塑料与弹性体技术专业的学生在J. Leiber教授的“材料表面张力测量及预处理”课程实习中,研究了手持式等离子体设备piezobrush® PZ2对各种塑料材料表面的不同影响。通过测量油墨和接触角等参数来分析使用等离子体设备对塑料表面预处理之后对材料表面能的影响。

一个实验小组将18瓦功耗的手持式等离子体设备piezobrush® PZ2和实验室中的电晕设备(剂量:5000 瓦*秒/平方米)的处理效果进行了比较:在聚丙烯材料上都取得了很好的效果,电晕设备所需的处理时间相对较短一些[1]。另一个小组除了测量聚丙烯材料以外,还使用PZ2对聚丙烯/三元乙丙橡胶和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物进行了测试,结果也显示PZ2显著提高了上述两种材料的表面能[2]。实验人员高度赞扬了piezobrush® PZ2的性能并对加工处理过程给予了建议。同时,学生也通过实验了解到,等离子体加工处理的距离和速度对加工处理的结果起到了决定性的作用。

分析方法

在实验过程中,学生使用两种不同的方法来确定材料的表面能:使用测试油墨来分析和测量接触角。相比测量三种不同测试液体的接触角,使用测试油墨分析更易于操作,但准确性较差。而第二种测试方法则是将不同测试液体的液滴沉积在材料表面,然后测量其接触角。使用这种方法得到的表面能分为极性以及分散两部分,将其相加便得到了总的材料表面能。

实验数据与结论

总的来说,学生通过实验会发现,使用piezobrush PZ2预处理可以显著提高不同待测塑料材料的表面能。通过材料表面的氧基团数量的增加,使得表面能中的极性部分显著提高,具体结果如图1所示。

等离子体预处理对材料表面张力的影响:通过测量接触角所确定的piezobrush PZ2处理前后的不同塑料材料的极性与分散部分的表面能
图1:通过测量接触角所确定的piezobrush PZ2处理前后的不同塑料材料的极性与分散部分的表面能

以上数据的实验条件为:加工处理速度20 毫米/秒,piezobrush PZ2喷嘴与材料表面距离为5 毫米。而对于实验室的电晕设备,在速度为170 毫米/秒的情况下,可以在聚丙烯材料上取得类似的结果[1]。通过使用piezobrush PZ2手持式等离子体设备,可以使学生进一步的了解加工速度以及加工距离对提高材料表面能的重要影响:为了可以重现实验数据,建议将piezobrush PZ2手持式等离子体设备安装在可以保持固定加工距离以及恒定加工速度的系统中[2]。最后,得出了一个积极的结论:“使用小型手持式等离子体设备对实验是十分有帮助的。学生可以非常直观地观察到电晕效应的工作原理,以及简单快速地理解其作用过程和相应结果。此外,piezobrush PZ2手持式等离子体设备也具有高度的便携性,非常适合于课堂讲解或者小批量流水线中的生产加工[2]。”

参考文献:

[1] R. Knaub, M. Deininger, M. Jampolski, S. Taumann, J. Ketterer, J. Keller (2019),塑料材料表面分析课程实验报告:材料表面张力的测量以及预处理,维尔茨堡-施韦因富特应用技术大学塑料与弹性体技术专业

[2] A. Schäder, G. Fischer, C. Zier, F. Schneider, S. Götz, D. Gärtig (2019),塑料材料表面分析课程实验报告:材料表面张力的测量以及预处理,维尔茨堡-施韦因富特应用技术大学塑料与弹性体技术专业

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