DBD型低温等离子体对PDMS表面性能的影响

王卫芳

【摘 要】利用介质阻挡（DBD）型低温等离子体设备对聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜进行表面处理，通过改变等离子体处理条件，观察PDMS薄膜表面接触角，表面形态的变化，探究其对PDMS表面润湿性能，黏附性的影响。经过等离子体处理，PDMS的接触角发生明显的减小，PDMS薄膜的亲水性增强，PDMS薄膜表面的润湿性能和吸附性能得到改善。

【关键词】DBD型低温等离子体；PDMS薄膜；润湿性；接触角

Effect of DBD Low Temperature Plasma Treatment on the Surface Properties of PDMS Film

【Abstract】The surface treatment of PDMS film was studied by DBD type low temperature plasma equipment. The change of surface contact angle and surface morphology of PDMS film was observed by changing the plasma treatment conditions， and its effect on PDMS surface wettability and adhesion was investigated. After the plasma treatment， the contact angle of PDMS is obviously reduced， the hydrophilicity of PDMS film is enhanced， and the wettability and adsorption performance of PDMS film are improved.

【Key words】DBD low temperature plasma； PDMS film； Wettability； Contact angle

近年来，低温等离子体对高科技经济的发展产生着巨大的影响，其中大气压下，DBD型低温等离子体与真空中产生的等离子体相比，由于其多功能性，操作容易性，受到人们的关注。此装置采用双介质层的阻挡放电机理，放电性更加均匀，不直接与放电气体接触，避免了电极腐蚀，被广泛用来制造特种优良性能的新材料、并与生物传感技术结合，检测唾液等各种体液中的生物标志物，以进行医学诊断。

PDMS聚合物材料由于具有良好的化学惰性，热稳定性，被广泛应用于生物医学等领域，然而，由于它的表面能低，机械稳定性差，其黏附性受到限制。因此可通过等离子体处理来改善其亲疏水性，改善PDMS的黏附性。

低温等离子体处理改变聚合物表面的黏附性已被应用于改善原棉织物的亲疏水性。它们通过测量材料表面的接触角，来间接反映聚合物的黏附性，接触角越小，黏附性越高，同时也说明润湿性越好。

本文使用DBD型低温等离子体装置，探究不同处理方法对PDMS表面性能的影响，运用扫描电子显微镜（SEM）捕获PDMS的高分辨率图像，观察表面形态的变化，并运用LU160M相机捕获接触角图片，用计算机软件对接触角进行分析处理。

1 实验部分

1.1 实验装置与原理

采用CTP-2000K型电源供电的低温等离子体处理装置（南京苏曼等离子体有限公司生产），在不同条件下（时间、阻挡介质）对PDMS薄膜进行处理。LU160M相机，艾格科技有限公司。PDMS薄膜是选取PDMS溶液与固化剂按10：1的比例混合搅拌均匀，放入真空泵中抽取搅拌过程中产生的气泡，再均匀涂敷在载玻片上，放入烘箱，在120 温度下，烘干2h。

DBD型低温等离子体装置是通过在两个平行电极间放入阻挡介质，加载高压交流脉冲电源，通过单相接触调压器产生实验所需的高压正弦波，旋转电压调节范围为0～250V，通过调节电压旋转，从而使介质阻挡放电等离子体产生均匀的放电细丝。

图1 DBD等离子体放电装置

1.2 低温等离子体處理

将涂敷有PDMS薄膜的载玻片放入等离子体装置上下电极之间，设定等离子体处理参数（包括时间、阻挡介质等），处理完毕，使用LU160M相机捕获接触角图片，用计算机软件对接触角图片进行分析。

1.3 分析测试

1）表面形态。用电子显微镜观察PDMS薄膜的表面形貌。

2）接触角。低温等离子体处理载玻片5min内，用image J软件捕获0.05ul去离子水滴在PDMS薄膜上的静态接触角。

2 结果与分析讨论

2.1 处理前后表面形态的变化

在不同条件下对PDMS表面进行处理，在40W和120W条件下处理材料5min，在电子显微镜下进行扫描，得到表面形态如图2所示，从图2a可以看出，未处理的PDMS表面光滑平整，处理后的图片（b～d），可以观测到许多被等离子体刻蚀的凹槽，相同处理时间下，功率越高，凹槽越多，且随着功率的增加，凹槽宽度加宽。

a

b

c

d

图2电子显微镜下，PDMS表面形态（a）未处理（b）功率40W，处理5min（c）120W，处理5min（d）功率120W，处理15min

2.2 处理前后的表面接触角变化

2.2.1 处理时间不同

在处理功率20W的情况下，改变处理时间，可得到处理时间与接触角的关系曲线，如图3所示。从图3可见，未处理的PDMS薄膜具有明显的惰性和疏水性，随着处理时间的增加，疏水性减弱，亲水性逐渐增加。这说明等离子体处理后，PDMS表面的健被打断，同时又引入了空气中 ，使得PDMS膜表面形成大量的 和O-O健，这些含氧基团具有很强的亲水性，使得其表面润湿性得到提高。

图3 接触角与处理时间的关系

2.2.2 阻挡介质不同

分别选取氧化铝陶瓷，聚四氟乙烯作为阻挡介质，在相同功率，相同处理时间情况下，测量处理后的不同时间下，接触角变化情况。通过Origin软件分析数据结果，如图5所示，从图中可见，氧化铝陶瓷作为阻挡介质时， PDMS的亲水性更强，且在不同时间下，聚四氟乙烯的亲水性变化比较缓慢，这是由于相同功率下，聚四氟乙烯对材料的处理更加均匀。

图4 阻挡介质对PDMS接触角的影响

3 结论

DBD型低温等离子体可以在大气压下对空气中的PDMS薄膜进行表面改性处理，通过改变不同的等离子体处理条件，在电子显微镜下可以明显观察到薄膜表面粗糙度的变化。对接触角数据进行分析，得出亲疏水变化情况。同时，选取聚四氟乙烯和氧化铝陶瓷作为阻挡介质，可以间接地揭示出阻挡介质对材料表面均匀性的影响。因此，可以选取不同的阻挡介质，来改善材料的均匀性。

【参考文献】

[1]王云英，陈玉如，孟江燕，等.低温等离子体处理条件对低密度聚乙烯薄膜表面性能的影响[J].表面技术，2013，42（6）.

[2]Juárez-Moreno J A， vila-Ortega A， Oliva A I， et al. Effect of wettability and surface roughness on the adhesion properties of collagen on PDMS films treated by capacitively coupled oxygen plasma[J].Applied Surface Science， 2015， 349：763-773.

[3]Bodas D， Khan-Malek C. Direct patterning of quantum dots on structured PDMS surface[J].Sensors & Actuators B Chemical， 2007，128（1）：168-172.

[责任编辑：张涛]endprint