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(rùn)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(cè)量?jī)x（contact angle goniometer）是評(píng)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(guò)的表面可能會(huì)釋放可溶的副產(chǎn)物，這些副產(chǎn)物會(huì)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(huì)被錯(cuò)誤地解讀為潤(rùn)濕性的改善。

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

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

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

• 表面清潔：有機(jī)污染物和碳?xì)浠衔锉蝗コ?，暴露出更清潔、更具反?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(cè)量

傳統(tǒng)上，等離子體活化通過(guò)接觸角測(cè)量和接觸角測(cè)量?jī)x來(lái)評(píng)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(rùn)濕性的改善。

• 接觸角沒(méi)有變化或增加則表明等離子體活化無(wú)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(wú)法準(zhǔn)確反映材料的真實(shí)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?yàn)楣腆w表面自由能增加，而是因?yàn)樘幚磉^(guò)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(gè)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(guò)的表面可能催化測(cè)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(shí)驗(yàn)證據(jù)

案例研究：等離子處理過(guò)的聚乙烯（PE）

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

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

• Wilhelmy板法測(cè)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?yàn)楸砻孀杂赡艿脑黾?，而是由于水的屬性發(fā)生了改變，從而使得傳統(tǒng)的評(píng)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(jī)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(cè)量。

4.2 汽車行業(yè)（塑料部件和涂層）

等離子體用于增強(qiáng)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(méi)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(guò)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(cuò)誤的生物相容性評(píng)估。

5. 接觸角測(cè)量的局限性

• 無(wú)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(cè)試時(shí)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(cè)量

KINO科學(xué)儀器公司提供的TrueDrop®/RealDrop®接觸角測(cè)量?jī)x，結(jié)合了光學(xué)接觸角測(cè)量和機(jī)械Wilhelmy板法，在同一儀器中實(shí)現(xiàn)了更準(zhǔn)確的等離子體處理效果表征。

步驟1：Wilhelmy板法測(cè)量水的表面張力 在評(píng)估等離子體處理的接觸角之前，首先使用Wilhelmy板法確認(rèn)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(cè)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(jìn)一步調(diào)查污染物或副產(chǎn)物的來(lái)源。

步驟2：對(duì)等離子體處理表面進(jìn)行接觸角測(cè)量 只有在確認(rèn)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(píng)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(tuán)。

• 傅里葉變換紅外光譜（FTIR） – 檢測(cè)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(píng)估傳統(tǒng)上依賴于水接觸角測(cè)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(shí)是錯(cuò)誤的，從而導(dǎo)致偽活化效應(yīng)。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，建議采用系統(tǒng)化的表征方法：

• Wilhelmy板法測(cè)量水的表面張力。

• 僅在水的表面張力未改變時(shí)，進(jìn)行接觸角測(cè)量以評(píng)估表面自由能。

• 進(jìn)行補(bǔ)充的表面分析以全面表征材料。

通過(guò)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(zhǔn)確評(píng)估等離子體處理表面。