[论文解读] Treatment of PDMS surfaces using pulsed DBD plasmas: comparing the use of different gases and its influence on adhesion

Fellype do Nascimento, Stanislav A. Moshkalev+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2015

Surface Modification and Superhydrophobicity参考文献 29被引用 8

一句话总结

本研究调查了使用氩气、氦气、氮气及其与水蒸气混合气体的脉冲介质阻挡放电（DBD）等离子体处理PDMS表面，以增强PDMS样品之间的粘附力。氦气等离子体在放电次数较少的情况下实现了最佳粘附效果，通过AFM测量显示表面粗糙度降低；而更长的处理时间（>150秒）则在所有气体中均提升了粘附性能，该结果通过接触角和功率测量得到验证。

ABSTRACT

In this work we present some results of the treatment of polydimethylsiloxane (PDMS) surfaces using pulsed dielectric barrier discharge plasmas. The results of plasma treatment using different gases and mixtures, argon, argon plus water vapor, helium, helium plus water vapor, nitrogen and nitrogen plus water vapor, were compared testing the adhesion between two PDMS samples for each kind of plasma. We also studied the water contact angle in function of plasma process time of PDMS surfaces with each kind of plasma treatment. The plasma was characterized by optical emission spectroscopy (OES) to identify the emitting species and determine the plasma temperatures. The plasma temperature for each process was estimated comparing the spectrum obtained by OES with the spectrum generated by SpecAir simulation code. Measurements of power delivered to the plasmas were also performed. As the results, all the process using different gases show good adhesion efficacy between PDMS samples when long exposure time (larger than 150 seconds) is applied. However, when only a few discharges are applied to PDMS samples the helium plasma process presented best results. Atomic Force Microscopy (AFM) analysis of PDMS samples treated with helium plasma showed reduction in the surface roughness, which increase the surface contact area and improves the adhesion.

研究动机与目标

• 评估使用不同气体的脉冲DBD等离子体处理在增强PDMS表面之间粘附力方面的有效性。
• 研究等离子体处理时间与气体组成如何影响PDMS的表面能和界面粘附力。
• 通过光致发射光谱（OES）和SpecAir模拟，表征等离子体物种和温度。
• 将AFM测量的表面粗糙度变化与等离子体处理后的粘附性能相关联。
• 量化每种气体类型的功率输入以及接触角随等离子体处理时间的演变情况。

提出的方法

• 采用氩气、氦气、氮气及其与水蒸气的混合气体，生成脉冲介质阻挡放电（DBD）等离子体。
• 利用光致发射光谱（OES）识别活性物种，并通过与SpecAir模拟代码比较光谱，估算等离子体温度。
• 记录水接触角随等离子体处理时间的变化，以评估表面能的变化。
• 在每次等离子体处理条件后，测试两块PDMS样品之间的粘附强度。
• 采用原子力显微镜（AFM）分析处理后的表面粗糙度变化。
• 测量输入等离子体的功率，以关联能量输入与表面改性结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 等离子体气体的选择（氩气、氦气、氮气）及其与水蒸气的混合物如何影响PDMS样品之间的粘附强度？
• RQ2 等离子体处理时间与PDMS表面水接触角之间存在何种关系？
• RQ3 在脉冲DBD处理过程中，不同气体类型的等离子体温度和活性物种分布如何变化？
• RQ4 等离子体处理在多大程度上改变了PDMS的表面粗糙度，这种改变如何影响界面粘附力？
• RQ5 哪种等离子体处理条件在最少放电周期下实现最高的粘附效率？

主要发现

• 当处理时间超过150秒时，所有等离子体处理均实现了PDMS样品之间的有效粘附。
• 氦气等离子体处理在仅发生少数放电的情况下即获得最佳粘附结果，表明其在短时处理中具有高效率。
• AFM分析显示，氦气等离子体处理后表面粗糙度降低，有效接触面积增加，从而增强了粘附性能。
• 通过将OES光谱与SpecAir模拟比较，估算出等离子体温度，实现了对不同气体的等离子体特性表征。
• 随着等离子体处理时间的增加，水接触角减小，表明所有气体类型下表面能和亲水性均得到提升。
• 功率测量结果证实了能量输入的一致性，支持了等离子体条件的可重复性。