在室溫下,采用大氣壓等離子體射流對(duì)船體鋼進(jìn)行表面改性,通過水接觸角測(cè)量、掃描電鏡、X射線光電子能譜等分析測(cè)試方法研究了等離子體射流處理前后船體鋼表面潤(rùn)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(tuán),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(shí)間及放電電流的影響且在空氣中放置時(shí)會(huì)出現(xiàn)老化效應(yīng),處理時(shí)間越長(zhǎng),老化效應(yīng)越弱。

　　表面涂覆有機(jī)涂層是目前應(yīng)用最廣泛的金屬腐蝕防護(hù)手段之一[ 1- 2] 。涂層的防護(hù)機(jī)制是通過在金屬和腐蝕環(huán)境之間加入一個(gè)防護(hù)層來(lái)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(duì)金屬的防護(hù)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(rùn)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(diǎn), 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(duì)普通船體鋼進(jìn)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(qiáng)度, 從而增加涂層的防護(hù)性能。通過水接觸角測(cè)量、SEM、X 射線光電子能譜( XPS) 等分析測(cè)試方法研究了等離子體處理前后船體鋼表面潤(rùn)濕性、物理形貌及化學(xué)特性的變化。

實(shí)驗(yàn)部分

表面處理

　　本實(shí)驗(yàn)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(duì)噴砂處理后的船體鋼試樣( 50 mm@ 50 mm@ 3 mm) 進(jìn)行了表面改性, 空氣等離子體射流槍結(jié)構(gòu)與文獻(xiàn)[ 13] 類似。將等離子體槍固定于鐵架臺(tái)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(zhǎng)度約15 mm, 直徑約10 mm, 放電電流I 為3~ 315 A, 移動(dòng)試樣前后左右運(yùn)動(dòng), 實(shí)現(xiàn)大面積均勻處理。

性能測(cè)試與表征

接觸角測(cè)試

　　實(shí)驗(yàn)在型號(hào)為KRBSS-DSACOO 的接觸角測(cè)試儀上進(jìn)行。在室溫下, 采用靜態(tài)液滴法, 分別測(cè)取樣品面5 個(gè)點(diǎn)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(shí)間、放電電流及等離子體處理后放置時(shí)間變化的曲線。其中, 在處理試樣時(shí), 記錄的時(shí)間是處理整片試樣所用的時(shí)間,但在本文中記錄的處理時(shí)間值已換算成了連續(xù)處理單個(gè)點(diǎn)的時(shí)間, 大約為處理整片試樣時(shí)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(duì)等離子體射流處理前后樣品表面的化學(xué)元素進(jìn)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(shí)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(qiáng)度越大, 達(dá)到所要求的潤(rùn)濕度所用時(shí)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(cè)試表明空氣等離子體對(duì)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(tuán)及等離子體對(duì)材料表面的清洗作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

　　(3) 空氣等離子體處理后的試樣在空氣中放置時(shí)親水性會(huì)出現(xiàn)老化效應(yīng), 處理時(shí)間越長(zhǎng), 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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