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微流控中關(guān)于PDMS關(guān)鍵工藝的討論

閱讀:1401        發(fā)布時(shí)間:2021-12-27
微流控中關(guān)于PDMS關(guān)鍵工藝的討論



氧等離子體對于PDMS的影響




關(guān)于氧等離子體的作用



等離子體表面處理是在等離子體狀態(tài)下,非聚合性氣體對高聚物材料表面作用的物理過程和化學(xué)過程,,非聚合性氣體包括反應(yīng)性氣體和非反應(yīng)性氣體,它們對高聚物材料表面作用的機(jī)理也不相同,。

圖片


(1)反應(yīng)性氣體:氧、氮是等離子體中常用的反應(yīng)性氣體,,高聚物材料在反應(yīng)性氣體的等離子體作用下,材料表面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,,而且由于O2和N2的化學(xué)活性,可直接結(jié)合到大分子上,,從而改變了高聚物材料的化學(xué)組分,如高聚物材料在含氧等離子體作用下發(fā)生氧化反應(yīng):

RH+2O·-→R□+H+O,

與原子氧反應(yīng)

RR,、+O.→R+R.O

RH+O.→R□+OH

與分子氧反應(yīng)

R+O,、→ROO.

與過氧化自由基反應(yīng)ROO.+R'H一>ROOH+R'

等離子體表面氧化反應(yīng)與通常的熱氧化反應(yīng)不同,它在反應(yīng)過程中生成大量的自由基,,并借助于自由基進(jìn)行連鎖反應(yīng),,這樣的連鎖反應(yīng)不僅引入了大量的含氧基團(tuán),,如羧基、羥基等,,而且由于氧對材料表面的氧化分解起到了刻蝕的作用,對于不同的材料引入的基團(tuán)數(shù)目和形式也不相同,。此外,CO2,CO,H2O及其他含氧的氣體在等離子體狀態(tài)下也可分解為原子氧,,同樣具有氧等離子體的作用,。

圖片

     (2)非反應(yīng)性氣體:Ar,He和H2等是非反應(yīng)性氣體,,這些氣體的原子不直接進(jìn)入到高聚物材料表面的大分子鏈中,,但由于這些非反應(yīng)性氣體等離子體中高能粒子轟擊材料表面時(shí)傳遞能量,,使材料表面產(chǎn)生大量自由基,借助于這些自由基在材料表面形成交聯(lián)結(jié)構(gòu),,所以高聚物材料在非反應(yīng)性等離子體中處理,,表面能形成一層薄薄的致密的交聯(lián)層,,不僅改變了材料的表面自由能,,增強(qiáng)了弱邊界層強(qiáng)度,而且還可以減少高聚物內(nèi)部低分子物質(zhì)的滲出,。當(dāng)高聚物材料表面用惰性氣體的等離子體進(jìn)行處理時(shí),如果被處理的高聚物材料本身含有氧,,則由大分子斷裂分解而形成大分子碎片進(jìn)入等離子體內(nèi),進(jìn)而形成活性的氧,,其效果與氧等離子體處理效果相當(dāng)。如果材料本身不含氧,,用惰性等離子體處理后新生的自由基,由于其半衰期可達(dá)2~3d,因此能與空氣中的氧發(fā)生作用,,導(dǎo)致氧結(jié)合到大分子鏈上。所以非反應(yīng)性氣體等離子體處理含氧的高聚物材料表面時(shí),,將出現(xiàn)交聯(lián)、刻蝕,、引入極性基團(tuán)三者的競爭效應(yīng)

關(guān)于PDMS等離子體處理后的時(shí)效性


由接觸角測量可知,,樣品處理?xiàng)l件不同導(dǎo)致改性效果各異,。表明通過控制氧等離子體的處理?xiàng)l件,即控制改性時(shí)間,、射頻功率及氧氣流量,可以控制改性程度,。



氧等離子-1

等離子體對聚合物表面作用有許多理論解釋,,如表面分子鏈降解理論、氧化理論,、氫鍵理論、交聯(lián)理論,、臭氧化理論及表面介電體理論等,究竟哪一種理論更切合實(shí)際,,還需進(jìn)一步研究討論,。


氧等離子-2

氧等離子體處理使PDMS表面改性,主要是由于等離子體使PDMS表面產(chǎn)生活性自由基及不飽和中心而形成活化表面,,活化表面又與活性氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng),使表面層的部分-CH3/-CH2-等基團(tuán)消失,,并嵌入了一些-OH、-COOH等極性

基團(tuán),,這些極性基團(tuán)的存在增加了PDMS表面的親水性能。


氧等離子-3
PDMS經(jīng)氧等離子體處理后,表面親水性隨放置時(shí)間的延長而逐漸減弱,。已經(jīng)有許多研究者對此現(xiàn)象提出了很多不同的見解,,從原材料的特性、固化工藝主要處理參數(shù)的變化等,,都作過各種各樣的討論。總的來說,,目前主要有以下幾種解釋:
表面的極性基團(tuán)轉(zhuǎn)移到PDMS本體中:
表面硅烷醇基團(tuán)的縮合反應(yīng),;
表面的污染,;
表面粗糙度的變化;
表面不穩(wěn)定的富氧區(qū)揮發(fā)至空氣中,;
本體中的低分子量有機(jī)體遷移至表面。
一般認(rèn)為,,處理后的PDMS樣品露置于空氣中,,表面潤濕性隨放置時(shí)間的延長逐漸變差,這種現(xiàn)象是由于擴(kuò)散作用而引起分子鏈的遷移,。PDMS本體中低分子量有機(jī)體遷移至表面層,而親水性基團(tuán)向本體內(nèi)遷移,。



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