利用大氣電漿束進行聚碳酸酯表面處理之研究

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研究生：	黃哲楓 Chen-Feng Huang
論文名稱：	利用大氣電漿束進行聚碳酸酯表面處理之研究 The Study of Polycarbonate Surface Treatment by Atmospheric Pressure Plasma Jet
指導教授：	陳建瑞 Jiann-Ruey Chen
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 材料科學工程學系 Materials Science and Engineering
論文出版年：	2007
畢業學年度：	95
語文別：	中文
論文頁數：	67
中文關鍵詞：	大氣電漿束、聚碳酸酯、表面處理
外文關鍵詞：	atmospheric pressure plasma jet, polycarbonate, surface treatment
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文獻上有不少使用電漿進行塑膠表面處理的相關研究，但很少以「大氣電漿束」（APPjet）設備處理聚碳酸酯（polycarbonate）表面，因此本實驗利用工研院機械所之大氣電漿束進行聚碳酸酯之表面改質研究，觀察各實驗參數對處理效果的影響，並配合NDL之量測儀器（XPS, AFM）進行後續檢測。研究目的為找出表面改質的機制，並期能為工業應用找出成本更低、更省時的製程參數。
研究結果顯示，電漿表面改質的機制主要是表面化學態的改變，其次則是表面形貌的粗糙化。電漿束處理過的聚碳酸酯表面有很好的親水性及穩定性，且親水性隨時實驗參數不同而各異，最佳的處理效果其實驗參數為：O2電漿、噴頭與試片距離1 cm、掃描速率200 mm/s，所得的水滴接觸角為9.9度。穩定性方面，O2電漿處理的表面有最好的穩定性，在處理後三週只回復了5度。但若考量製程成本，則應該使用CDA電漿，因為CDA比O2便宜許多，而處理效果只略差於O2電漿。此外，試片加熱後可以提高Ar電漿的處理效果，但是對於N2電漿則沒有幫助甚至有更疏水的現象。
由此可知，本研究所發展的大氣電漿束進行聚碳酸酯表面處理有很好的效果，若能持續證明對其他塑膠也有相同效果，相信必是一具有高商業潛力的技術。

目錄
摘要……………………………………………………………………Ⅰ
誌謝……………………………………………………………………Ⅱ
目錄……………………………………………………………………Ⅳ
圖目錄…………………………………………………………………Ⅶ
表目錄…………………………………………………………………Ⅹ
第一章 緒論……………………………………………………………1
1-1 前言…………………………………………………………………1
1-2 研究動機與目的……………………………………………………1
1-2-1 塑膠為何要表面處理……………………………………… 1
1-2-1 為何選擇聚碳酸酯作為研究對象…………………………1
1-3 塑膠表面處理常用技術……………………………………………3
1-3-1 常用技術簡述……………………………………………… 3
1-3-2 濕式處理遇到的難處……………………………………… 3
1-3-3 使用大氣電漿束進行表面處理的優點……………………4
1-4 理論基礎……………………………………………………………5
1-4-1 電漿簡介……………………………………………………5
1-4-2 大氣電漿……………………………………………………8
1-4-3 大氣電漿與低壓電漿的比較………………………………11
第二章 文獻回顧………………………………………………………14
第三章 實驗設備與流程………………………………………………28
3-1 實驗設備…………………………………………………………28
3-1-1 大氣電漿束設備……………………………………………28
3-1-2 表面親水性量測系統（CAM）……………………………31
3-1-3 X光光電子光譜儀量測（XPS）……………………………32
3-1-4 表面粗糙度量測（AFM）…………………………………35
3-2 實驗設計 …………………………………………………………38
3-2-1 實驗流程圖…………………………………………………38
3-2-2 標準試片製作………………………………………………39
3-2-3 實驗參數設計………………………………………………40
3-2-3-1 熱的影響………………………………………………40
3-2-3-2 表面形貌的影響………………………………………41
3-2-3-3 表面化學的影響………………………………………41
3-2-3-4 氣體、距離、掃描速率、試片溫度的影響…………41
第四章 結果與討論……………………………………………………43
4-1 熱的影響…………………………………………………………43
4-2 表面形貌的影響…………………………………………………44
4-3 表面化學的影響…………………………………………………45
4-4親水改質機制探討…………………………………………………50
4-5電漿處理參數設計與親水結果……………………………………51
4-5-1 氣體種類、gap、掃描速率的影響…………………………51
4-5-2 氣體種類與親水性回復……………………………………57
4-5-3 試片加溫對電漿處理的影響………………………………59
第五章 結論……………………………………………………………61
參考文獻………………………………………………………………63


圖目錄
圖 1-1 不同氣體壓力下所得之電漿，其氣體溫度與電子溫度分布…7
圖1-2 大氣電漿源……………………………………………………10
圖1-3 常見大氣電漿與低壓電漿的氣體與電子溫度的比較………13
圖2-1 DBD電漿處理5分鐘後的(a)水滴接觸角變化 (b)表面能變化………………………………………………………………17
圖 2-2 PET水滴接觸角隨O2比例、電漿功率及處理時間的變化…19
圖2-3 各種塑膠在表面處理後的表面能變化（實驗氣體為O2，電漿氣與基板的距離為5 mm，處理20 sec）……………………21
圖 2-4 不同電漿處理情況下的PP水滴接觸角比較………………22
圖 2-5 最佳化處理條件（處理90秒、功率100 W、電漿氣流量=6 L/min）下，PP表面能的老化趨勢……………………………23
圖 2-6 (a) N2-DBD (b) air-DBD的表面處理效果與老化比較……25
圖3-1 大氣電漿束示意圖……………………………………………28
圖3-2 電漿噴頭（a）實際照片（b）內部示意圖…………………29
圖3-3 四種氣體的電漿束示意圖……………………………………30
圖3-4 接觸角定義……………………………………………………31
圖3-5 接觸角量測儀…………………………………………………32
圖3-6 光電子發生原理示意圖………………………………………33
圖3-7 XPS外觀…………………………………………………………35
圖3-8 AFM外觀…………………………………………………………38
圖3-9 實驗流程圖……………………………………………………38
圖 3-10 加熱器外觀…………………………………………………40
圖 4-1 PC在不同加溫器溫度下，持溫1分鐘後之水滴接觸角……43
圖4-2 以圖示表示各種氣體處理造成的粗糙度與表面能比較……44
圖 4-3 四種電漿氣體處理後的表面C 1S微區能譜…………………46
圖4-4 不同氣體處理造成的表面能和表面O/C比較………………48
圖4-5 （a）N2（b）O2（c）Ar 氣體處理後，表面能與O/C比隨儲存時間的變化…………………………………………………50
圖4-6 大氣電漿與試片表面進行活化反應之緣理示意圖…………51
圖 4-7 經N2電漿束處理，水滴接觸角隨gap和掃描速率的變化…52
圖 4-8 經O2電漿束處理，水滴接觸角隨gap和掃描速率的變化…53
圖 4-9 經Ar電漿束處理，水滴接觸角隨gap和掃描速率的變化…55
圖4-10 經CDA電漿束處理，水滴接觸角隨gap和掃描速率的變化……………………………………………………………56
圖4-11（a）、水滴接觸角隨儲存時間（前2.5小時）的變化……57
圖4-11（b）、水滴接觸角隨儲存時間（前3週）的變化…………58
圖4-12 PC在不同加溫器溫度下持溫1分鐘後，Ar電漿處理的水滴接觸角………………………………………………………59
圖4-13 PC在不同加溫器溫度下持溫1分鐘後，N2電漿處理的水滴接觸角…………………………………………………………60



表目錄
表1-1 RoHS 六大有害禁用物質(包括RoHS禁用物質濃度標準) …4
表1-2 熱電漿與冷電漿兩者的比較…………………………………8
表1-3 四種常見大氣電漿的比較……………………………………10
表1-4 各種電漿源的崩潰電壓………………………………………12
表1-5 各種電漿源的電漿密度………………………………………13
表2-1 不同電漿氣與單體流量時的水滴接觸角……………………15
表2-2 大氣與真空電漿在處理前後的表面能比較…………………15
表2-3 5種表面處理後的粗糙值比較…………………………16
表2-4 兩種電漿處理後的XPS結果與表面能比較…………………18
表2-5 塑膠在電漿處理前後的附著性、表面能與O、C、N原子比例變化……………………………………………………………20
表2-6 不同混合氣，處理7秒的表面改質效果，最右行為水滴接觸角………………………………………………………………24
表3-1 四種氣體的電漿束外觀與顏色………………………………31
表3-2 XPS規格與型號………………………………………………34
表3-3 AFM規格與型號………………………………………………37
表3-4 經乙醇擦拭過後的試片水滴接觸角與表面能………………39
表3-5 參數設計………………………………………………………42
表4-1 各種氣體處理造成的粗糙度與表面能比較…………………44
表4-2 不同氣體處理後的化學鍵結組成（at. ﹪）………………47

                                

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【39】資料來源：國家奈米元件實驗室網頁。http://www.ndl.org.tw/ndl2006/department/nmlab/device_d5000.html
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