Publications of Relyon Plasma GmbH
表面能

用测试油墨和接触角测量的方法测定表面能,通过等离子体处理增强

润湿性对于各种表面处理(例如印刷,上光和涂胶)至关重要。 它描述了液体在固体表面上的性能,取决于液体的表面张力和固体的表面能。 两种参量通常以每平方米毫焦耳(mJ / m2)或每米毫牛(mN / m)计量。 例如,水在25°C(77°F)时的表面能为72 mN / m。 如果处在表面上的水滴没有收缩而是形成薄膜,则该表面有至少为72 mN / m的能量。

基于这原理,所谓的测试油墨可以使用作为一种快速估计固体表面能的方法。广泛范围(通常为18至76 mN/m)的测试油墨可从不同的生产商购买。

  • 费希尔

在一个表面上涂抹一定值的测试油墨后,观察它是否在几秒钟内收缩。如果这样,基材的表面能低于测试油墨的标称值。在这种情况下,应涂抹较低值的测试油墨直到其中一种测试油墨在表面上显示出理想的润湿性,即在最初的几秒钟内没有收缩。因此,该测试油墨的值对应于基材的表面能。

通过接触角的测量可以达到表面能的更精确的测定。如果已知测试液体的表面张力,则可以通过在表面上放置液体的液滴来测定固体的表面能。可以测量液滴表面和侧面之间的接触角ϴ。如果ϴ大,即液滴有非常圆的形状(见图3左上),这意味着润湿性低,因此基材有低的表面能。如果液滴在表面是扁平的,即ϴ小(见图3右上),则基材的表面能高。所谓液滴形状分析仪(例如https://www.kruss-scientific.com/)是一种简单可靠的量化这些参数的方法。他们使用两种测试液体(例如水和二碘甲烷),滴成液滴,放在基材上,通过精确测量接触角来计算其表面能。

应用实例:增加表面能

具有低表面能的基材对于诸如粘接、上光或印刷的工艺具有挑战性,因为各个的介质(例如胶粘剂或清漆)在表面上表现了差的润湿性,从而降低了工艺质量。 通过增加基材材料(无论是聚合物、金属、玻璃、陶瓷还是纺织品)的表面能,可以增强润湿性,从而提高后续工艺的质量。 Relyon Plasma提供两种不同的技术来增强各种材料的表面能:脉冲大气电弧技术(PAA®)和压电直接放电技术(PDD®)。 两者在用于印刷、上光和粘附等过程的表面预处理中都很好地被认定,并将在以下使用实际应用示例中介绍。

使用plasmabrush®PB3PAA Technology®)处理聚苯硫醚(PPS)

聚合物往往具有低表面能,能导致胶粘、上光或印刷时出现问题。

图1:未处理的PPS部件用40mN/m测试油墨不能润湿。

图1:未处理的PPS部件用40mN/m测试油墨不能润湿。

图2:等离子体处理后,用60mN/m测试油墨达到了完全的润湿。

图2:等离子体处理后,用60mN/m测试油墨达到了完全的润湿。

未处理的聚苯硫醚(PPS)部件的表面能低于40 mN / m。如图1所示, 通过各个的测试油墨会在表面上形成液滴的收缩。 借助液滴形状分析仪Kruss DSA 10,可以测量两种测试液体水和二碘甲烷(CH2I2)的接触角,以确定表面能约为36 mN / m(见图3)。 用Plasmabrush®PB3等离子体处理后,表面能增加到值62 mN / m。 通过涂抹测试油墨,可以确认表面能现在超过60 mN / m,因为各个的测试油墨不会收缩,而是在表面上形成封闭的膜,如图2所示。等离子体处理显著改善了有效的后续工艺例如胶粘的前提条件,和通过明确定义的工艺参数保证再现性。

图3:等离子体处理前和处理后的PPS部件的表面能的测定

图3:等离子体处理前和处理后的PPS部件的表面能的测定

使用plasmabrush® PB3 (PAA Technolgy®)处理弹簧钢

未经处理的弹簧钢部件的表面能通过接触角测量确定为大约42 mN/m(见图4)。对于像胶粘等这样的工艺这些不是理想的条件。清洁的金属表面通常具有几千mN/m的表面能。制造过程中使用的氧化物和有机残余物(如润滑剂和脱模剂)可以猛烈地降低表面能。在这种情况下,使用Plasmabrush®PB3的大气等离子体的快速且可在线的预处理能提高表面能到约66 mN/m(见图4),该值通常对典型的胶粘工艺已绰绰有余。为工艺量身定制的一组参数确保了这些结果的再现性。

图4:等离子体处理前和处理后的钢部件的表面能的测定

图4:等离子体处理前和处理后的钢部件的表面能的测定

测试油墨的应用可以帮助验证等离子体诱导的表面能的增强,并显示已处理和未处理表面积之间的差异。 在图5中,将具有值为66 mN/m的测试油墨涂抹到表面,完美地润湿等离子体已处理的区域,同时未处理区域上收缩成液滴。

Testtinte von 66 mN/m aufgebracht auf abschnittsweise plasmabehandeltes Stahlsubstrat zur Bestimmung der Oberflächenenergie

图5:具有值为66 mN/m的测试油墨涂抹到局部的等离子体已处理的钢表面

使用piezobrush® PZ2 (PDD Technolgy®)处理ePTFE

所谓的特氟龙带或ePTFE以排斥液体的能力而知名。这表明在本医疗应用实例中材料的极低表面能,已被确定为约8 mN/m(参见图6)。像这样的低值超出了典型测试墨水的范围,这使得接触角测量成为更确定的方法。对于医疗应用, ePTFE表面能的增强是理想的。通过多气体喷嘴注入氩气,使用Piezobrush®PZ2处理表面,可导致表面能的显著提高达30 mN/m。

图6:ePTFE在等离子体未处理和处理后的表面能的测定

图6:ePTFE在等离子体未处理和处理后的表面能的测定

结论

对在如胶粘、上光或印刷的工艺中被处理的基材,表面能是一个重要的参数。表面的润湿性是必需的,通过测试油墨的帮助很容易地估计或通过接触角测量精确地确定。如果基材没有被胶、清漆等充分地润湿,粘接质量就会受到影响。通过大气等离子体的表面预处理,表面能可有效地和再现性地增加:Relyon plasma提供适用的标准工艺以及特殊应用的解决方案。

文献

Pocius,Alphonsus V.(2002)。 粘合和胶粘剂技术:序。慕尼黑:汉瑟。
伯格,约翰·C(1993)。 润湿性。 纽约:Marcel Dekker,Inc,