摘要：電暈放電是一種成熟的高分子材料表面預處理方法。為研究電暈對BOPP薄膜表面化學組成和表面張力的影響，利用ATR-FTIR、XPS和表面張力儀對電暈處理的BOPP薄膜表面的化學組成和表面張力進行了表征。研究結果表明，經(jīng)過電暈放電處理的BOPP薄膜表面形成了極性含氧和含氮官能團，C含量下降16.3%，O含量增加16.8%，N含量輕微下降；在一定范圍內(nèi)，電暈功率和預熱溫度的增加，有利于BOPP薄膜表面張力的增加。本研究為提高BOPP薄膜的性能和擴大其應用領域提供了技術支撐。

聚丙烯（PP）作為熱塑性樹脂，是五種常用合成樹脂之一，用其生產(chǎn)的BOPP薄膜具有優(yōu)異的機械性能、耐化學腐蝕、耐溫性好、價格低廉等特點，已成為應用最廣泛的包裝材料，被譽為“包裝皇后”。但是，BOPP薄膜化學結構中不含活性基團，且結晶度高、表面能低，導致難以潤濕和粘合，極大地限制了BOPP薄膜在油墨、粘合劑、復合材料、熱封、涂層等領域的應用。因此，通過二次處理提高BOPP薄膜的潤濕性和附著力是一條重要途徑。眾所周知，電暈是一種廣泛應用的高分子材料表面預處理方法，由于具有時間短、速度快、操作簡單、易于控制等優(yōu)點已成為處理BOPP薄膜的常用技術。然而，電暈效應薄膜不穩(wěn)定，BOPP薄膜電暈放電處理的理論反應至今尚未得到詳細證實。因此，了解BOPP薄膜電暈處理過程中的化學成分和表面張力變化對于各種下游應用至關重要。本文利用ATR-FTIR、XPS和表面張力儀對電暈處理的BOPP薄膜表面的化學組成和表面張力進行了研究。

1 實驗部分  

1.1 BOPP薄膜的電暈放電處理  

本研究使用的雙向拉伸聚丙烯薄膜原膜由公司的法國CELLER生產(chǎn)線制備，平均厚度30μm，熔點165℃。在一定預熱溫度下，原膜經(jīng)過電暈處理器以70~100 kW的功率處理后即可制得成品BOPP薄膜。

1.2 性能測試方法  

BOPP原膜和電暈BOPP薄膜的表面化學成分分析采用XPS光譜儀（Kratos AXIS 165）檢測，測試條件為：X射線源為Al Kα（1486.58eV），功率150W，電子發(fā)射垂直于樣品表面。先采用160eV進行寬范圍掃描，再利用20eV進行高分辨率測量，最后用Casa XPS軟件采集和處理數(shù)據(jù)。BOPP薄膜的表面化學結構采用ATR-FTIR表征，在4000~600 cm?1范圍內(nèi)以4cm?1的分辨率進行32次掃描。BOPP薄膜的表面張力采用芬蘭Kibron dIFT雙通道動態(tài)界面張力儀測試獲得。

2 結果與討論  

2.1 電暈對BOPP薄膜表面化學結構的影響  

為了研究原膜在電暈處理之后表面化學成分的變化，采用XPS分別對BOPP原膜和電暈薄膜表面進行了檢測，得到ATR-FTIR譜圖，如圖1所示。從圖1可以看出，BOPP原膜和電暈薄膜的曲線大體相似，但是電暈薄膜曲線上出現(xiàn)了一些新的吸收峰。原膜曲線上2956cm?1和2870cm?1處的特征峰代表了-CH?的對稱和非對稱伸縮振動，2925cm?1和2845cm?1特征峰顯示了-CH?-的對稱和非對稱伸縮振動，而1460cm?1和1319cm?1處的特征峰則分別代表了-CH?和-CH?-的彎曲振動。此外，在800~1200cm?1范圍內(nèi)的較弱吸收峰是-CH?-特征峰。與原膜曲線相比，電暈薄膜曲線的主要變化發(fā)生在1500~1850 cm?1和3100~3650 cm?1兩個區(qū)域，分別對應于羰基、羥基和氨基的拉伸。同時，還在1100~1300 cm?1處形成了新的酯基（C=O）吸收峰，在1350cm?1處發(fā)現(xiàn)了硝基（-NO?）吸收峰。這是由于電暈過程中，BOPP膜表面甲基和亞甲基等化學鍵斷裂，形成自由基，與空氣中的氮、氧和臭氧發(fā)生化學反應并生成羰基、羥基、酯、羧酸、硝基和氨基等極性官能團。

2.2 電暈功率對BOPP薄膜表面元素組成的影響  

由2.1分析可知，電暈改變了BOPP薄膜表面的化學結構，但是改變的程度卻無從知曉。為了定量描述BOPP薄膜表面化學成分的變化，采用Casa XPS軟件對BOPP薄膜表面的XPS數(shù)據(jù)進行處理，得到元素含量，結果如圖2所示。

觀察圖2可知，BOPP原膜表面的C元素超過了90%，并含有少量的O和N。主要成分C來自于聚丙烯分子，而O和N則是由空氣中的氮氣和氧氣吸附在BOPP原膜表面所帶來的。相比于BOPP原膜，電暈膜的C含量顯著下降，O含量大幅增加，N含量輕微下降。BOPP電暈薄膜的N含量比原膜低是因為電暈高壓去除了薄膜上的N?分子，剩余的N元素是由空氣中的氮分子在薄膜表面發(fā)生化學反應形成的。研究不同電暈功率處理的BOPP薄膜可以發(fā)現(xiàn)，隨著電暈功率的增加，O和N含量增加，C含量下降。由表面化學結構分析可知，電暈放電導致BOPP膜表面甲基和亞甲基等化學鍵斷裂形成自由基，C元素被氧化生成羰基、酯、羧酸等極性官能團，附著在表面的N元素與O、H反應生成硝基和氨基。顯然，隨著電暈功率的增加，提供給化學反應的能量就越多，反應更徹底，所以O和N含量增加，C含量下降。

2.3 電暈功率對BOPP薄膜表面張力的影響  

電暈功率的變化引起了BOPP薄膜表面化學組成的變化，會進一步導致BOPP薄膜表面張力的改變。為了考察電暈功率對BOPP薄膜表面張力的具體影響規(guī)律，測試了在47℃預熱溫度條件下用不同電暈功率制備的BOPP薄膜剛下線時的表面張力，結果見表1。

由表1可知，在70~100 kW范圍內(nèi)，隨著電暈功率增大，BOPP薄膜表面張力越大。這是因為電暈功率增大，BOPP薄膜表面越粗糙，極性官能團越多。根據(jù)潤濕擴散理論，粗糙表面可以增加接觸面積，有利于液體的潤濕；極性官能團越多，表面極性越好，也能讓BOPP薄膜獲得更好的潤濕性。因此，在一定范圍內(nèi)，BOPP薄膜表面張力隨著電暈功率增大而增大。

2.4 電暈預熱溫度對BOPP薄膜表面張力的影響  

電暈處理效果不僅和電暈功率有關，還與預熱溫度有關。當電暈功率為100kW時，不同預熱溫度下制備的BOPP薄膜表面張力如圖3所示。由圖3可知，隨著預熱溫度的升高，BOPP薄膜的表面張力增大。這可能由于BOPP原膜經(jīng)過預熱之后，在相同的電暈功率下，被處理得更深更粗糙，有利于BOPP薄膜表面的潤濕，導致表面張力的增大。

3 結論  

（1）BOPP原膜經(jīng)過電暈高壓處理導致分子鏈斷裂，在薄膜表面形成自由基，與空氣反應形成極性含氧和含氮官能團。  

（2）電暈處理導致了BOPP薄膜的C含量顯著下降，O含量大幅增加，N含量輕微下降；隨著電暈功率的增加，BOPP薄膜表面與空氣的化學反應更徹底，引起O和N含量增加，C含量下降。  

（3）在一定范圍內(nèi)，電暈功率和預熱溫度的增加，有利于BOPP薄膜表面張力的增加。