1. 引言

等離子體表面處理廣泛應(yīng)用于提升各種材料的潤濕性、附著力和表面特性，包括塑料、半導(dǎo)體、汽車零部件和醫(yī)療設(shè)備。傳統(tǒng)上，使用接觸角測量儀（contact angle goniometer）是評估等離子體活化效果的主要方法。這種方法假設(shè)水的表面張力保持不變，接觸角的變化直接與固體表面自由能的變化相關(guān)聯(lián)。

然而，最近的研究發(fā)現(xiàn)，等離子處理過的表面可能會釋放可溶的副產(chǎn)物，這些副產(chǎn)物會改變水的表面張力。這可能導(dǎo)致接觸角讀數(shù)誤導(dǎo)，從而產(chǎn)生偽活化效應(yīng)，接觸角的降低會被錯誤地解讀為潤濕性的改善。

本文探討了傳統(tǒng)等離子體處理評估的局限性，討論了偽活化現(xiàn)象的基本機制，并提出了一種結(jié)合Wilhelmy板法和水接觸角測量的系統(tǒng)化表征方法，以實現(xiàn)更準確的表面評估。

2. 傳統(tǒng)的等離子體表面活化理解

2.1 等離子體表面處理的機制

等離子體表面處理通過物理和化學(xué)過程改變材料的表面。關(guān)鍵機制包括：

• 表面官能化：等離子體引入極性官能團（如–OH、–COOH、–C=O），增加表面自由能并增強親水性。

• 表面清潔：有機污染物和碳氫化合物被去除，暴露出更清潔、更具反應(yīng)性的表面。

• 微觀結(jié)構(gòu)修改：等離子刻蝕使表面在微米/納米尺度上變粗糙，增加其與液體的接觸面積，從而改善附著力。

2.2 依賴于水接觸角測量

傳統(tǒng)上，等離子體活化通過接觸角測量和接觸角測量儀來評估，基于以下假設(shè)：

• 接觸角的降低意味著表面自由能的增加和潤濕性的改善。

• 接觸角沒有變化或增加則表明等離子體活化無效。

然而，這種方法假設(shè)水的表面張力保持不變，這并非總是正確的。如果等離子體處理改變了水的表面張力，那么觀察到的接觸角變化可能無法準確反映材料的真實表面特性。

3. 偽活化現(xiàn)象

3.1 什么是偽活化？

偽活化是指在等離子體處理后，水的接觸角降低，并非因為固體表面自由能增加，而是因為處理過的表面釋放的可溶副產(chǎn)物降低了水本身的表面張力。

3.2 偽活化的原因

偽活化現(xiàn)象的產(chǎn)生有多個因素：

• 低分子量副產(chǎn)物的沉積：等離子體反應(yīng)生成的氧化、降解或碎片化分子溶解在水中，改變了水的表面張力。

• 表面污染物重新分布：等離子體處理可能并未完全去除污染物，而是將其重新分布，改變液體與固體的相互作用。

• 固-液界面的化學(xué)反應(yīng)：某些等離子處理過的表面可能催化測試液體本身的變化，導(dǎo)致水的表面張力產(chǎn)生變化。

3.3 偽活化的實驗證據(jù)

案例研究：等離子處理過的聚乙烯（PE）

• 通常，PE的水接觸角為~90°。經(jīng)過等離子體處理后，通常會降到50°-60°。

• 然而，在某些情況下，接觸角異常地降至10°-20°，遠低于預(yù)期值。

• Wilhelmy板法測量顯示水的表面張力從70 mN/m降至23 mN/m，表明PE表面釋放的可溶副產(chǎn)物改變了水的屬性。

這表明，觀察到的接觸角降低并不是因為表面自由能的增加，而是由于水的屬性發(fā)生了改變，從而使得傳統(tǒng)的評估方法不可靠。

4. 各行業(yè)的影響

4.1 半導(dǎo)體和電子行業(yè)（晶圓、PCB、LCD）

O?或Ar等離子體清潔用于去除有機殘留物并改善半導(dǎo)體制造中的附著力。如果等離子體處理后殘留氟化物或氧化物，它們可能溶解到水中并改變水的表面張力，從而導(dǎo)致誤導(dǎo)性的接觸角測量。

4.2 汽車行業(yè)（塑料部件和涂層）

等離子體用于增強涂層和油漆在塑料（如PP、ABS）上的附著力。一些研究表明，盡管接觸角下降，但附著力并沒有相應(yīng)改善，表明出現(xiàn)了偽活化現(xiàn)象。

4.3 醫(yī)療和生物技術(shù)應(yīng)用

等離子體改性被應(yīng)用于生物材料（如PEEK、PTFE），以改善生物相容性和親水性。如果等離子體處理過的表面釋放的小分子碎片影響了生物液體的表面張力，可能導(dǎo)致錯誤的生物相容性評估。

5. 接觸角測量的局限性

• 無法區(qū)分真正的表面自由能變化和液體屬性變化。

• 假設(shè)水的表面張力保持不變，而這并非總是成立。

• 在使用不同液體測試時提供相互矛盾的結(jié)果。

6. 系統(tǒng)化表征方法：Wilhelmy板法+接觸角測量

KINO科學(xué)儀器公司提供的TrueDrop®/RealDrop®接觸角測量儀，結(jié)合了光學(xué)接觸角測量和機械Wilhelmy板法，在同一儀器中實現(xiàn)了更準確的等離子體處理效果表征。

步驟1：Wilhelmy板法測量水的表面張力 在評估等離子體處理的接觸角之前，首先使用Wilhelmy板法確認處理表面是否改變了水的表面張力。

• 如果水的表面張力保持不變，接觸角測量可以可靠地指示固體表面特性變化。

• 如果水的表面張力發(fā)生變化，則需要進一步調(diào)查污染物或副產(chǎn)物的來源。

步驟2：對等離子體處理表面進行接觸角測量 只有在確認水的表面張力未變化后，接觸角數(shù)據(jù)才應(yīng)用于表面自由能評估。

步驟3：附加表面表征技術(shù)（如有必要） 為了更好地理解表面修改，可以采用其他分析技術(shù)：

• X射線光電子能譜（XPS） – 確定等離子體處理引入的化學(xué)官能團。

• 傅里葉變換紅外光譜（FTIR） – 檢測表面分子變化。

• 原子力顯微鏡（AFM） – 檢查納米尺度上的表面粗糙度。

7. 結(jié)論

等離子體處理評估傳統(tǒng)上依賴于水接觸角測量，假設(shè)水的表面張力保持不變。然而，這一假設(shè)在等離子處理表面釋放可溶副產(chǎn)物改變水的表面張力時是錯誤的，從而導(dǎo)致偽活化效應(yīng)。

為了解決這個問題，建議采用系統(tǒng)化的表征方法：

• Wilhelmy板法測量水的表面張力。

• 僅在水的表面張力未改變時，進行接觸角測量以評估表面自由能。

• 進行補充的表面分析以全面表征材料。

通過采用這一方法，研究人員和工程師可以避免誤解，確保在各行各業(yè)中準確評估等離子體處理表面。