摘要：電暈放電是一種成熟的高分子材料表面預(yù)處理方法。為研究電暈對BOPP薄膜表面化學(xué)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(xué)組成和表面張力進行了表征。研究結(jié)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(yù)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(yīng)用領(lǐng)域提供了技術(shù)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(xué)腐蝕、耐溫性好、價格低廉等特點，已成為應(yīng)用最廣泛的包裝材料，被譽為“包裝皇后”。但是，BOPP薄膜化學(xué)結(jié)構(gòu)中不含活性基團，且結(jié)晶度高、表面能低，導(dǎo)致難以潤濕和粘合，極大地限制了BOPP薄膜在油墨、粘合劑、復(fù)合材料、熱封、涂層等領(lǐng)域的應(yīng)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(yīng)用的高分子材料表面預(yù)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(shù)。然而，電暈效應(yīng)薄膜不穩(wěn)定，BOPP薄膜電暈放電處理的理論反應(yīng)至今尚未得到詳細(xì)證實。因此，了解BOPP薄膜電暈處理過程中的化學(xué)成分和表面張力變化對于各種下游應(yīng)用至關(guān)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(xué)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(yù)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(xué)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(xué)結(jié)構(gòu)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(jié)果與討論  

2.1 電暈對BOPP薄膜表面化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響  

為了研究原膜在電暈處理之后表面化學(xué)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(yīng)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(xué)鍵斷裂，形成自由基，與空氣中的氮、氧和臭氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)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(xué)結(jié)構(gòu)，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(xué)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(jié)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?zāi)さ腃含量顯著下降，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(xué)反應(yīng)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(xué)結(jié)構(gòu)分析可知，電暈放電導(dǎo)致BOPP膜表面甲基和亞甲基等化學(xué)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(yīng)生成硝基和氨基。顯然，隨著電暈功率的增加，提供給化學(xué)反應(yīng)的能量就越多，反應(yīng)更徹底，所以O(shè)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(xué)組成的變化，會進一步導(dǎo)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(yù)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(jié)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(yù)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(guān)，還與預(yù)熱溫度有關(guān)。當(dāng)電暈功率為100kW時，不同預(yù)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(yù)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(yù)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(dǎo)致表面張力的增大。

3 結(jié)論  

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

（2）電暈處理導(dǎo)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(xué)反應(yīng)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(yù)熱溫度的增加，有利于BOPP薄膜表面張力的增加。