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微流控中关于PDMS关键工艺的讨论

时间:2021-12-27  点击次数:435
微流控中关于PDMS关键工艺的讨论



氧等离子体对于PDMS的影响




关于氧等离子体的作用



等离子体表面处理是在等离子体状态下,非聚合性气体对高聚物材料表面作用的物理过程和化学过程,非聚合性气体包括反应性气体和非反应性气体,它们对高聚物材料表面作用的机理也不相同。

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(1)反应性气体:氧、氮是等离子体中常用的反应性气体,高聚物材料在反应性气体的等离子体作用下,材料表面结构发生变化,而且由于O2和N2的化学活性,可直接结合到大分子上,从而改变了高聚物材料的化学组分,如高聚物材料在含氧等离子体作用下发生氧化反应:

RH+2O·-→R□+H+O,

与原子氧反应

RR、+O.→R+R.O

RH+O.→R□+OH

与分子氧反应

R+O、→ROO.

与过氧化自由基反应ROO.+R'H一>ROOH+R'

等离子体表面氧化反应与通常的热氧化反应不同,它在反应过程中生成大量的自由基,并借助于自由基进行连锁反应,这样的连锁反应不仅引入了大量的含氧基团,如羧基、羟基等,而且由于氧对材料表面的氧化分解起到了刻蚀的作用,对于不同的材料引入的基团数目和形式也不相同。此外,CO2,CO,H2O及其他含氧的气体在等离子体状态下也可分解为原子氧,同样具有氧等离子体的作用。

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     (2)非反应性气体:Ar,He和H2等是非反应性气体,这些气体的原子不直接进入到高聚物材料表面的大分子链中,但由于这些非反应性气体等离子体中高能粒子轰击材料表面时传递能量,使材料表面产生大量自由基,借助于这些自由基在材料表面形成交联结构,所以高聚物材料在非反应性等离子体中处理,表面能形成一层薄薄的致密的交联层,不仅改变了材料的表面自由能,增强了弱边界层强度,而且还可以减少高聚物内部低分子物质的渗出。当高聚物材料表面用惰性气体的等离子体进行处理时,如果被处理的高聚物材料本身含有氧,则由大分子断裂分解而形成大分子碎片进入等离子体内,进而形成活性的氧,其效果与氧等离子体处理效果相当。如果材料本身不含氧,用惰性等离子体处理后新生的自由基,由于其半衰期可达2~3d,因此能与空气中的氧发生作用,导致氧结合到大分子链上。所以非反应性气体等离子体处理含氧的高聚物材料表面时,将出现交联、刻蚀、引入极性基团三者的竞争效应

关于PDMS等离子体处理后的时效性


由接触角测量可知,样品处理条件不同导致改性效果各异。表明通过控制氧等离子体的处理条件,即控制改性时间、射频功率及氧气流量,可以控制改性程度。



氧等离子-1

等离子体对聚合物表面作用有许多理论解释,如表面分子链降解理论、氧化理论、氢键理论、交联理论、臭氧化理论及表面介电体理论等,究竟哪一种理论更切合实际,还需进一步研究讨论。


氧等离子-2

氧等离子体处理使PDMS表面改性,主要是由于等离子体使PDMS表面产生活性自由基及不饱和中心而形成活化表面,活化表面又与活性氧发生化学反应,使表面层的部分-CH3/-CH2-等基团消失,并嵌入了一些-OH、-COOH等极性

基团,这些极性基团的存在增加了PDMS表面的亲水性能。


氧等离子-3
PDMS经氧等离子体处理后,表面亲水性随放置时间的延长而逐渐减弱。已经有许多研究者对此现象提出了很多不同的见解,从原材料的特性、固化工艺主要处理参数的变化等,都作过各种各样的讨论。总的来说,目前主要有以下几种解释:
表面的极性基团转移到PDMS本体中:
表面硅烷醇基团的缩合反应;
表面的污染;
表面粗糙度的变化;
表面不稳定的富氧区挥发至空气中;
本体中的低分子量有机体迁移至表面。
一般认为,处理后的PDMS样品露置于空气中,表面润湿性随放置时间的延长逐渐变差,这种现象是由于扩散作用而引起分子链的迁移。PDMS本体中低分子量有机体迁移至表面层,而亲水性基团向本体内迁移。



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