電漿表面改質技術應用於聚丙烯薄膜表面改質超疏水化之研究

本研究以聚丙烯(Polypropylene)為基材，利用CF4電漿進行表面改質，探討電漿功率、電漿處理時間、不同氣體進料與基材放置位置對電漿改質後之膜材表面疏水及疏油性質之 ... 資料載入處理中... 跳到主要內容 臺灣博碩士論文加值系統 ::: 網站導覽| 首頁| 關於本站| 聯絡我們| 國圖首頁| 常見問題| 操作說明 English |FB專頁 |Mobile 免費會員 登入| 註冊 功能切換導覽列 (165.22.59.181)您好！臺灣時間：2021/11/2508:10 字體大小：       ::: 詳目顯示 recordfocus 第1筆/ 共1筆  /1頁 論文基本資料 摘要 外文摘要 目次 參考文獻 紙本論文 QRCode 本論文永久網址: 複製永久網址Twitter研究生:尤聰展研究生(外文):Chung-ChanYiu論文名稱:電漿表面改質技術應用於聚丙烯薄膜表面改質超疏水化之研究論文名稱(外文):StudyonSuper-hydrophobicSurfaceofPolypropyleneUsingPlasmaModification指導教授:魏大欽指導教授(外文):Ta-ChinWei學位類別:碩士校院名稱:中原大學系所名稱:化學工程研究所學門:工程學門學類:化學工程學類論文種類:學術論文論文出版年:2007畢業學年度:95語文別:中文論文頁數:92中文關鍵詞:聚四氟乙烯、電漿表面改質、聚丙烯、表面超疏水化外文關鍵詞:superhydrophobicity、CF4、plasmamodification、PP相關次數: 被引用:12點閱:648評分:下載:0書目收藏:0 本研究以聚丙烯(Polypropylene)為基材，利用CF4電漿進行表面改質，探討電漿功率、電漿處理時間、不同氣體進料與基材放置位置對電漿改質後之膜材表面疏水及疏油性質之影響，並利用SEM、AFM、ESCA等儀器分析電漿改質後膜材之物理形態與化學組成變化。

此外，為探討表面粗糙度對膜材疏水性及疏油性之影響，亦利用氫氣及乙烷電漿對CF4電漿改質後之膜材表面再進行改質。

首先利用CF4電漿對PP膜材進行表面改質，發現改質後之膜材表面具有超疏水(~150∘)及疏油(~120∘)之性質，相較於單純之PTFE膜材接觸角(~110∘)，顯示改質後PP膜面除了表面具有PTFE-like之化學結構外，膜材表面形態亦有明顯變化，使得表面疏水性提升。

經SEM及AFM之影像結果可發現膜材表面粗糙度確實隨著電漿功率及電漿處理時間之提高而上升。

另外以XPS對膜材表面進行化學元素組成分析，亦可發現改質後膜材表面之氟碳比隨著電漿功率與電漿處理時間的提高有上升後持平的趨勢。

而為了探討表面粗糙度對於水接觸角之影響，本研究中利用AFM之數據求得粗糙因子(fr)，並代入Wenzel以及Cassie-Baxter之計算式，結果發現經CF4電漿改質之膜材，其粗糙度之變化近似於Cassie-Baxter之模式。

此外亦藉由XRD分析發現所使用之膜材具有結晶結構，推測表面粗糙度生成之原因為結晶/非結晶區段之蝕刻速率差異所造成。

使用氬氣及氧氣電漿對於膜材表面進行改質，發現改質後之膜面無法形成如CF4電漿處理後之表面粗糙度，推測表面氟化有助於提高膜面結晶/非結晶區段之蝕刻選擇性。

此外氬氣與氧氣電漿改質不會提升膜材表面之疏油性質。

而對於膜材放置位置不同之探討，可發現隨著遠離電漿區，膜材表面對水接觸角有下降之趨勢，而膜材表面粗糙度之形成逐漸減少，膜材表面之氟碳比變化呈現先升後降之變化趨勢。

為了探討在不含氟之膜材表面粗糙度對接觸角之影響，本研究利用氫氣及乙烷電漿對經CF4電漿改質後之膜材再進行改質，結果發現改質後之膜材表面氟原子含量大幅降低(F/C<0.01)，並保有部分表面粗糙度。

改質後之膜面對水之接觸角變化取決於表面粗糙度變化與膜面氧碳比之變化，然而對於非極性液體之接觸角則呈現親油性，顯示疏油性質在本研究中，受到膜材表面化學組成之影響遠大於表面物理形態，且氟元素為影響最大之因素。

關鍵詞:聚丙烯、電漿表面改質、表面超疏水化、聚四氟乙烯 Super-hydrophobicandoleophobicpolypropylene(PP)surfaceswerepreparedbysurfaceplasmamodificationusingtetrafluoromethane(CF4)plasma.Thecharacteristicsofsurfacewereinvestigatedbymeansofcontactanglemeasurement,scanningelectronmicroscopy,atomicforcemicroscopy,X-raydiffraction(XRD)andelectronspectroscopyforchemicalanalysis.First,thePPsheetsurfaceshowedsuper-hydrophobicity(~150∘)andoleophobicity(~120∘)afterCF4plasmamodification,andanalysisresultsrevealthatthemodifiedsurfaceshowedroughnessenhancementandPTFE-likecomposition.Toinvestigatetherelationbetweensurfaceroughnessandwatercontactanglemeasurement,bothWenzelandCassie-Baxtermodelswereused.ItwasfoundthatthebehaviorofwaterdropletonPPsurfaceisclosetoCassie-Baxtermodel.TheuntreatedPPsheethavecrystallinestructureexaminedbyXRD,itseemsthattheenhancementofsurfaceroughnesswerebasedonthedifferentetchingratesbetweencrystallineandamorphousmaterials.Secondly,PPsheetwasmodifiedbyargonandoxygenplasma,andthesurfaceroughnessismuchlessthanthattreatedbyCF4plasma.Itseemsthatsurfacefluorinationwashelpfultoenhancetheselectivityofetchratebetweencrystallineandamorphousmaterials.Andoleophobicityofsurfacewasnotenhancedafterargonoroxygenplasmamodification.ByusingremoteCF4plasmamodification,thecharacteristicsofPPsheetsurfacesuchascontactangleandsurfaceroughnessshowdecreasedtrendandthesurfaceF/Cratioshowsincreasedthendecreasedtrendwhenleavingfromplasmaregion.Itrevealsthationbombardmentishelpfulforsurfaceroughnessenhancement. 總目錄中文摘要.............................................I英文摘要..............................................III致謝..................................................IV總目錄................................................V表目錄................................................VIII圖目錄................................................IX第一章　前言.........................................11-1研究緣起.........................................11-2研究內容.........................................3第二章　文獻回顧.....................................42-1聚丙烯(PP)及四氟甲烷(CF4)簡介....................42-2電漿改質相關理論.................................52-2.1電漿簡介....................................52-2.2電漿產生方式................................92-3電漿表面改質電漿改質超疏水研究近況.............................132-3.1表面氟化..................................................132-3.2表面粗糙度................................................15第三章研究方法與儀器原理...........................................203-1研究目的..................................................................203-2儀器原理..................................................................213-2.1表面張力計................................................213-2.2掃描式電子顯微鏡..........................................223-2.3X射線光電子能譜儀........................................223.2.4原子力顯微鏡..............................................233-3實驗步驟.......................................................243-3.1電漿處理系統..................................................................243-3.2化學性質量測..................................................................283-3.3物理性質量測..................................................................283-3.4表面能的計算..................................................29第四章結果與討論....................................................314-1CF4氣體電漿改質聚丙烯(PP)......................................314-1.1改變電漿參數對改質效果的影響..............................314-1.2電漿改質對於膜材表面型態變化之影響........................334-1.3化學元素組成分析..........................................404-1.4表面粗糙度變化............................................454-1.5XRD分析...................................................474-1.6表面能變化................................................494-2不同氣體電漿改質聚丙烯(PP)...................................514-2.1改變電漿操作參數對改質效果的影響..........................514-2.2電漿改質對於膜材表面型態變化之影響........................544-2.3化學元素組成分析..........................................594-3遙距式(Remote)CF4氣體電漿改質聚丙烯(PP)......................614-3.1不同膜材位置下PP膜面經改質後之接觸角變化..................614-3.2不同膜材位置下，經改質後之PP膜材表面型態變化..............624-3.3化學元素組成分析..........................................644-4超疏水膜材之去氟效應.........................................654-4.1氫氣(H2)及乙烷(C2H6)電漿處理對改質效能之影響..............654-4.2不同氣體電漿對於膜材表面型態變化之影響....................684-4.3化學元素組成分析..........................................71第五章　結論..............................................75參考文獻.............................................................76表目錄表2-1各種表面處理法之比較..............................10表3-1PP膜材改質操作參數................................26表3-2實驗設備及型號...................................26表3-3實驗用氣體種類、濃度及來源........................26表3-4常見溶劑之之表面能................................30表4-1膜材重量損失與平均蝕刻高度隨電漿功率之關係........38表4-2膜材重量損失與相對蝕刻高度隨電漿處理時間之關係....38表4-3不同電漿功率下，經CF4電漿改質之膜材表面化學元素組成分析..............................................43表4-4不同電漿處理時間下，經CF4電漿改質之膜材表面化學元素組成分析..........................................43表4-5不同電漿功率下，表面粗糙度及孔隙度變化.............46表4-6不同電漿處理時間下，表面粗糙度及孔隙度變化........46表4-7不同電漿功率下，經Ar電漿改質後膜材之表面化學元素組成................................................61表4-8不同電漿功率下，經O2電漿改質後膜材之表面化學元素組成分析............................................61表4-9不同電漿功率下，經C2H6電漿改質後之氟化膜材表面化學元素組成分析......................................75表4-10不同電漿功率下，經H2電漿改質後之氟化膜材表面化學元素組成分析.........................................75圖目錄圖2-1電漿反應機構圖.....................................8圖2-2射頻電漿反應器.....................................9圖2-3電漿改質示意圖.....................................12圖3-1實驗流程圖.........................................20圖3-2材料表面分子與內層分子受力情形比較.................21圖3-3氣液固三相之力平衡示意圖...........................22圖3-4直管式電漿反應器設備圖及實體圖......................27圖4-1不同電漿功率下聚丙烯(PP)膜面接觸角之變化情形.......32圖4-2不同電漿處理時間下聚丙烯(PP)膜面接觸角之變化情形...................................................32圖4-3不同電漿功率下，經CF4電漿改質前及改質後PP膜材之SEM圖...............................................35圖4-4不同電漿處理時間下，經CF4電漿改質前及改質後PPSEM圖.................................................36圖4-5不同電漿功率下，經CF4電漿改質前及改質後PP膜材之AFM圖................................................37圖4-6不同電漿操作參數下，膜材表面均方根粗糙度變化對水之接觸角影響...........................................38圖4-7不同電漿功率下改質後PP膜材之重量損失變化情形.......39圖4-8不同電漿處理時間下改質後PP膜材之重量損失變化情形...............................................39圖4-9不同電漿功率下，經CF4電漿改質後之膜材表面化學元素組成與接觸角變化情形.................................42圖4-10不同電漿處理時間下，經CF4電漿改質後之膜材表面化學元素組成與接觸角變化情形...........................43圖4-11不同電漿操作參數下，改質後PP膜材之C1s分峰圖........44圖4-12電漿改質後膜材與修正後水滴接觸之固體表面分率(xs)隨均方根粗糙度之變化圖.............................47圖4-13文獻【32】中之i-PP的XRD圖譜.......................49圖4-14未處理之PP膜材的XRD圖譜...........................49圖4-15不同電漿功率下，經改質後之PP膜材表面能變化........50圖4-16不同電漿處理時間下，經改質後之PP膜材表面能變化…...................................................51圖4-17不同電漿功率下，經氬氣電漿改質後之膜材接觸角變化情形.................................................53圖4-18不同電漿功率下，經氧氣電漿改質後之膜材接觸角變化情形.................................................53圖4-19不同電漿處理時間下，經氬氣電漿改質後之膜材接角變化情形................................................54圖4-20不同電漿功率下，經氧氣電漿改質後之膜材接觸角變化情形.................................................54圖4-21不同氣體電漿下，改變電漿功率改質後之膜材重量損失變化情形.............................................56圖4-22不同氣體電漿下，改變電漿處理時間改質後之膜材重量變化情形.............................................56圖4-23不同電漿功率下，經氬氣電漿改質後膜材之SEM圖........................................................57圖4-24不同電漿功率下，經氧氣電漿改質後膜材之SEM圖.......................................................57圖4-25不同電漿處理時間下，經氬氣電漿改質後膜材之SEM圖....................................................58圖4-26不同電漿處理時間下，經氧氣電漿改質後膜材之SEM圖....................................................58圖4-27在不同膜材位置，改質後膜面之水接觸角變化情形.......................................................61圖4-28電漿功率為50W時，不同膜材位置PP膜面之SEM圖....................................................62圖4-29電漿功率為100W時，不同膜材位置PP膜面之SEM圖...................................................63圖4-30電漿功率為150W時，不同膜材位置PP膜面之SEM圖....................................................63圖4-31不同膜材放置位置下，改變電漿功率改質後膜材表面之氟碳比變化.........................................64圖4-32在不同電漿處理時間下，經CF4電漿改質後再以H2電漿改質之PP膜材表面水接觸角隨電漿功率變化.....................................................66圖4-33在不同電漿處理時間下，CF4電漿改質後再以H2電漿改質之PP膜材表面二碘甲烷接觸角隨電漿功率變化.................................................66圖4-34在不同電漿處理時間下，經CF4電漿改質之膜材再以C2H6電漿改質之PP膜材表面水接觸角隨電漿功率變化...............................................67圖4-35在不同電漿處理時間下，經CF4電漿改質之膜材再以C2H6電漿改質之PP膜材表面二碘甲烷接觸角隨電漿功率變化.........................................67圖4-36在不同電漿功率下，經CF4電漿改質之膜材再以C2H6電漿改質後之SEM圖....................................69圖4-37在不同電漿功率下，經CF4電漿改質之膜材再以C2H6電漿改質後之SEM圖....................................69圖4-38在不同電漿功率下，經CF4電漿改質之膜材再以H2電漿改質後之SEM圖......................................70圖4-39在不同電漿處理時間下，經CF4電漿改質之膜材再以H2電漿改質後之SEM圖....................................70圖4-40在不同電漿處理時間及不同氣體電漿之處理條件下，膜材表面之氟碳比變化情形................................73圖4-41在不同電漿處理時間及不同氣體電漿之處理條件下，膜材表面之氧碳比變化情形...............................73 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