低壓冷氣體電漿表面改質：優化塑膠黏接附著

低壓冷氣體電漿表面改質：優化塑膠黏接附著

重點摘要

• 這是唯一能成功處理 PTFE 的常見方法。
• 典型參數：5–10 分鐘、100–500 sccm 氣體流量、300–1000 mTorr、200–1000 W RF、75–125°F。
• 它可去除碳氫化合物，因而可省去大氣式方法仍需進行的單獨溶劑清潔步驟。
• 與大氣式方法相比，活化效果持續時間明顯更長，處理也更均勻。
• 「僅能批次處理」是一種誤解。捲對捲的連續式捲材處理可在腔體內進行。

聚合物與彈性體基材要與同種或異種材料取得穩固的黏接附著強度，可能極具挑戰。黏接應用不僅限於黏著劑，還包括列印油墨、油漆與塗料、封裝與灌封膠、金屬化等。本文介紹「低壓冷氣體電漿」表面改質，這是一種可透過電漿化學表面活化與官能化，解決許多三維黏接問題的製程。文中並將與廣為人知的「大氣（空氣）」表面改質製程的原理進行比較。

特別以難以黏接聞名的基材，包括矽氧樹脂與橡膠彈性體，以及工程熱塑性塑膠，如縮醛樹脂、氟聚合物、聚烯烴、尼龍、聚碳酸酯、聚酯、苯乙烯類等。許多塑膠與彈性體之所以難以黏接，根本原因在於它們是疏水的非極性材料、具化學惰性，且表面潤濕性差（即表面能低）。

常見問題

冷氣體電漿與大氣電漿有何不同？

它在封閉的抽真空腔體內運行，而非在開放空氣中。選定的氣體（通常為工業級氧氣，也可為氬氣、氮氣、氨或氟）在部分真空下釋放，並受到 RF 或微波場作用，可精確控制反應性物種。

冷氣體電漿可以處理 PTFE 嗎？

可以，而且在常見方法中，它是唯一能成功處理 PTFE 的方法。它還能透過電漿輔助化學氣相沉積，在表面成長聚合物塗層，形成厚度最高約 2 µm 的保形類 SiO2 與類鑽石塗層。

應預期哪些製程參數？

一般準則為：總處理時間 5 至 10 分鐘，氣體流量 100 至 500 sccm，壓力 300 至 1000 mTorr，RF 功率 200 至 1000 瓦，製程溫度低，介於 75 至 125°F。確切數值取決於特定系統。

冷氣體電漿僅限於離線批次處理嗎？

不是，這是經常被重複的誤解。織造聚合物織物捲材的捲對捲連續式處理，可在腔體內連續進行，且腔體尺寸允許大量處理小型與大型零件。

冷氣體電漿在什麼情況下值得支付較高的成本？

當您需要最穩固的結果、最長的活化壽命，或需要處理大氣式方法無法處理的基材（如 PTFE）時。它還能去除碳氫化合物，因而可省去單獨的溶劑清潔步驟。大氣式處理成本較低，但可能受每日濕度變化影響而影響均勻性。

什麼是電漿？

電漿可被視為物質的第四態。隨著能量的供給，固體熔化為液體，液體汽化為氣體，氣體則電離為「電漿」，一種極具反應性的氣體。電漿中產生的自由電子、離子、亞穩態粒子、自由基與 UV，可以足以打斷大多數聚合物基材表面分子鍵的能量衝擊表面。這會在聚合物表面產生極具反應性的自由基，這些自由基進而可形成交聯，或在有氧存在時迅速反應，於基材表面形成各種化學官能基。可形成並提升黏接性的極性官能基包括羰基（C=O）、羧基（HOOC）、氫過氧基（HOO-）與羥基（HO-）。即使在聚合物中引入少量反應性官能基，也對改善表面化學官能性與潤濕性大有助益。

冷氣體電漿表面改質

與大氣（空氣）表面前處理方法相比，「低壓冷氣體電漿」表面改質是在封閉的抽真空腔體內進行。塑膠前處理應用中通常使用工業級氧氣（O2）。其他氧化性氣體與惰性氣體包括氬氣、氮氣、氨 NH3、氟及其組合。要電離成反應性氣體電漿的選定氣體，在部分真空下釋放到腔體中，並受到電場（RF 或 MW）作用。

置於電漿場中的聚合物（位於內部導電電極鋁製層架或籠架上），與所產生的高反應性物種發生反應，打斷分子鍵，從而在不影響基材整體性質的情況下，造成化學／物理表面改質。冷氣體電漿製程透過化學與物理機制，將不可潤濕的疏水表面改質為可黏接的親水可潤濕表面。請參閱圖表 1。

微奈米級的粗糙表面，可在電漿環境中，藉由朝向表面加速的離子轟擊效應或化學蝕刻製程，選擇性地改變。粗糙表面具有更高的表面積（峰與谷），意味著更多的結合位點，可提升黏接附著。請參閱圖表 2。

冷氣體電漿的獨特之處，在於它能成功前處理 PTFE。此外，聚合物塗層可透過稱為電漿輔助化學氣相沉積（PECVD）的製程在表面成長。塗層具高度保形性，厚度（約 2µ）取決於製程時間。

塗層範例包括類 SiO2 與類鑽石塗層。一項關鍵應用是在塑膠與玻璃管及容器內部塗覆類石英材料，作為防止可溶出物的阻隔層，並防止破裂。

設備系統配置

低壓冷氣體電漿系統設備包含以鋁製成的真空腔體，配有用於裝卸零件的鉸鏈門。所有系統都具有相似的重要元件特色，包括真空泵、RF 產生器、MFC（質量流量控制器）與微處理器控制器。

待清潔的零件只需放置在內部電極上，也就是可拆卸的層架或籠架。零件／層架隨後被裝入反應腔體，製程首先從抽真空開始。

製程氣體隨後可在持續抽氣的同時，以受調節的壓力流經系統。RF 產生器提供激發功率。電漿製程結束時，封閉的真空腔體恢復到環境壓力，此時即可取出已處理的零件，隨時可進行黏接。大多數系統可自動控制製程變數，通常包括壓力、功率、氣體流量、溫度與週期時間（中間階段與總經過時間）。請參閱圖表 3。

製程控制參數

操作製程參數依據特定製造商機型的系統規格而定。因此，重要的是瞭解改善黏接性的應用需求、生產產能，以及下游製造製程，以維持處理效果的保存期限（老化）並控制工作環境中的污染源。一般準則為：冷氣體電漿總處理時間介於 5-10 分鐘；氣體流量 100-500 sccm；壓力 300-1000 mTorr；RF 功率 200-1000 瓦；處理期間的低溫加熱為 75-125°F。

冷氣體電漿前處理的誤解

經常有人指稱，冷氣體電漿處理與大氣電漿方法相比是「效率低」的方法，僅限於離線批次處理。這是錯誤的。織造聚合物織物捲材（例如穿線的聚丙烯嬰兒紙尿褲織物）的捲對捲連續式處理，可在腔體內連續處理。依腔體內部尺寸而定，冷氣體電漿製程可處理大量的小型與大型零件。雖然製造流程作業最有效率的方式是在線進行，但許多產品組裝是以批次或單元式製造進行的。

氣相表面氧化前處理

表面氧化改質（即表面前處理）用於從化學與物理層面改善聚合物與彈性體的潤濕性與黏接性。廣為人知的製程方法有電氣式（電暈放電）與火焰電漿。歷來，低壓冷氣體電漿較少被用於三維零件的前處理，也較少被討論，部分原因在於對此製程的誤解。在化學與物理科學中，電氣式、火焰與冷氣體電漿皆為「氣相表面氧化製程」，其特徵是能夠產生「氣體電漿」。電漿的產生機制是其區別因素。每種方法都可能因應用而異，且各有優勢與限制。

大氣表面改質系統

與在低壓真空腔體內進行的冷氣體電漿相反，火焰處理與電氣式（電暈放電）前處理製程是在大氣條件下進行。電氣式處理又進一步區分為「吹送空氣」電漿與「吹送離子」電漿。大氣製程可用於批次與連續線生產。就名詞而言，瞭解每種製程的科學原理很重要。

火焰電漿處理利用空氣與碳氫氣體燃燒時存在的高反應性物種（以產生電漿）。火焰處理為放熱反應，然而，熱量並不會產生化學官能性與改善的表面潤濕。火焰處理可清除基材上的污垢、碎屑及部分碳氫化合物，但無法去除矽氧樹脂、脫模劑與滑爽劑。由於距離表面的處理深度相對較淺，為 5-10nm，火焰處理可比電氣式前處理賦予更高的潤濕性、氧化程度與保存期限。不產生臭氧。2

傳統電暈放電（電氣式）是使用連接高壓電源的產生器與電極、零電位的對向電極，以及用作阻隔的介電質而取得的。也就是說，高頻高壓放電（升壓變壓器）在兩點之間產生電位差，需要接地，電壓 35+kV、頻率 20-25kHz。這種前處理製程幾乎沒有清潔能力，並會產生臭氧（NOx）。

電氣式「空氣電漿」是電暈放電的點處理（亦稱吹送空氣電漿／強制空氣電暈／吹送電弧）。此處理頭由彼此靠近的兩個鉤形電極組成，連接至高壓變壓器，產生約 7-12 kV 的電弧，頻率較低，為 50-60 週／秒（相對於電氣式電暈放電）。然後利用強制空氣，持續的電弧產生電暈放電「電漿」。不需要正接地。這種前處理製程幾乎沒有清潔能力，並會產生臭氧。

電氣式吹送離子電漿亦稱聚焦電暈電漿／無電位電漿。此處理使用單一窄噴嘴電極，由電力產生器、升壓變壓器與高壓空氣供電，在處理頭內產生強烈的聚焦電漿並向外噴出。由於該製程無電位，可用於前處理導電產品。這種前處理製程可清除基材上的污垢、碎屑及部分碳氫化合物，但無法去除大多數矽氧樹脂與滑爽劑。新研究指出，表面的細微蝕刻可形成新的表面形貌，以增加機械式結合。臭氧不是副產物。

UV 輻射／臭氧前處理與化學助黏劑（Primer）同樣在大氣條件下進行。這些前處理方法將於未來的文章中討論。

影響附著與老化的因素

強附著強度所需的前處理程度或品質，受塑膠／彈性體表面清潔度影響。產品表面上會妨礙處理的污染源包括污垢、灰塵、油脂與油類。矽氧樹脂、脫模劑與防滑劑等低分子量物質對黏接特別有害。此外，顏料與染料著色劑中使用的某些可溶或不可溶化合物助劑，可能對附著造成不良影響。經處理表面暴露於高溫會增加分子鏈的移動性，鏈移動性越高，前處理的老化越快。

經電漿處理的表面，其老化速率與程度會因周圍環境因素而異。老化特性及其儲存保存期限對製造流程作業至關重要。活化表面的保存期限可能為數小時、數天、數月或更長。與大氣式方法相比，冷氣體電漿製程顯示出明顯更長的活化壽命3，以及更均勻的處理4。建議在前處理後盡快對產品進行黏接、塗佈、塗裝或裝飾。

全球對於在塑膠與彈性體產品上取得穩固黏接附著的需求，要求進行表面改質的「活化」前處理。透過氣相表面氧化製程所形成的化學與物理官能性及表面粗糙化，可解決大多數附著問題。每種方法都可能因應用而異，並可能具有獨特的優勢和／或限制。當發生過度處理時，經電漿氧化的表面可能對下游組裝製程造成不良影響，例如熱封／焊接不良。雖然冷氣體電漿是最昂貴的方法，但在某些應用中，它能產生最穩固的結果。大氣式處理成本較低，然而在某些情況下，每日濕度變化可能影響處理均勻性。仔細評估所有製程因素，並瞭解替代的表面改質技術，十分重要。

參考文獻

• Demetrius Chrysostomou, PVATepla, March 2009
• Scott R. Sabreen, Joe Digiacomo, Plastics Decorating Magazine
• Edward M. Liston, GaSonics International, Journal of Adhesion 1988
• Dori & Kushner, University of Illinois and 3M

Scott R. Sabreen 為 The Sabreen Group, Inc.（TSG）的創辦人暨總裁。TSG 是專精於塑膠二次加工製程的全球工程公司，服務涵蓋表面前處理、黏接、裝飾與表面加工、雷射打標及產品安全。如需更多資訊，請致電 (888) SABREEN，或造訪 www.sabreen.com 或 www.plasticslasermarking.com。

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