1. 引言

等離子表麵處理廣泛用於提高各種材料的潤濕性、附著力和表麵性能，涉及塑料、半導體、汽車零部件及醫療設備等行業。傳統上，水接觸角測量是評估等離子活化效果的主要方法。該方法假設水的表麵張力保持不變，並以接觸角變化來推斷固體表麵自由能的變化。

然而，近期研究表明，等離子處理後的表麵可能釋放可溶性副產物，從而改變水本身的表麵張力。這可能導致接觸角測量結果的誤導，產生偽活化現象，即接觸角降低並不代表固體表麵自由能增加，而是由於水的表麵張力被改變。

本文探討傳統等離子表麵處理評估方法的局限性，分析偽活化現象的機理，並提出結合Wilhelmy板法與水接觸角測量的係統化表征方法，以實現更準確的表麵評估。

2. 傳統等離子表麵活化原理

2.1 等離子表麵處理的機理

等離子表麵處理通過物理和化學作用改變材料表麵，其主要機理包括：

1. 表麵官能化

• 等離子體在材料表麵引入極性官能團（–OH、–COOH、–C=O），增加表麵自由能，提高親水性。

2. 表麵清潔

• 等離子體去除有機汙染物和碳氫化合物，使表麵更清潔、更具活性。

3. 微觀結構修飾

• 通過等離子蝕刻作用在表麵形成微納米級粗糙結構，提高潤濕性和附著力。

2.2 傳統水接觸角測量的局限性

傳統上，等離子活化效果的評估依賴水接觸角測量，並基於以下假設：

• 接觸角降低 → 認為表麵自由能增加，潤濕性改善。

• 接觸角保持不變或升高 → 認為等離子處理無效或效果有限。

然而，該方法隱含地假設水的表麵張力不變，但如果等離子處理後水的表麵張力發生變化，則接觸角的變化可能並非真實反映固體表麵的特性。

3. 偽活化現象

3.1 偽活化的定義

偽活化現象是指：等離子處理後水的接觸角降低，但其原因並非固體表麵自由能增加，而是由於表麵釋放的可溶性副產物降低了水的表麵張力。

3.2 偽活化的可能成因

造成偽活化的主要因素包括：

1. 低分子量副產物沉積

• 等離子反應生成氧化、降解或碎裂的小分子化合物，溶解於水中並改變其表麵張力。

2. 表麵汙染物的重新分布

• 等離子體可能未有效去除汙染物，而是將其重新分布，使液固界麵行為發生變化。

3. 固-液界麵化學反應

• 某些等離子改性表麵可能催化水的物理化學性質變化，從而影響表麵張力。

3.3 偽活化的實驗證據

案例分析：等離子處理的聚乙烯（PE）

• 處理前，PE的水接觸角約為 90°。等離子處理後，通常下降至 50°-60°。

• 然而，在某些情況下，接觸角異常降低至 10°-20°，遠低於正常範圍。

• 采用 Wilhelmy 板法測量水的表麵張力，發現水的表麵張力從 70 mN/m 下降至 23 mN/m，表明 PE 表麵釋放的可溶性副產物影響了水的性質。

• 這表明，接觸角下降並非由於表麵自由能提高，而是水的表麵張力變化所致，導致傳統評估方法的失真。

4. 偽活化現象對不同行業的影響

4.1 半導體與電子行業（晶圓、PCB、LCD）

• 在半導體製造中，O₂ 或 Ar 等離子清洗用於去除有機殘留物，提高附著力。

• 若等離子處理後殘留氟化物或氧化副產物溶解入水，則可能改變水的表麵張力，導致錯誤的接觸角評估。

4.2 汽車行業（塑料部件與塗層）

• PP、ABS 等汽車塑料常采用等離子處理以增強塗層附著力。

• 研究發現，盡管水接觸角下降，但塗層附著力未明顯提升，表明可能存在偽活化效應。

4.3 醫療與生物技術應用

• PEEK、PTFE 等生物材料經過等離子改性以提高生物相容性和親水性。

• 如果等離子處理導致表麵釋放小分子物質，可能改變生物體液的表麵張力，從而影響細胞相互作用和生物相容性評估。

5. 傳統接觸角測量的局限性

1. 無法區分表麵自由能變化與液體表麵張力變化

2. 假設水的表麵張力恒定，而實際可能變化

3. 使用不同液體測量時可能產生矛盾結果

6. 係統化表征方法：Wilhelmy 板法 + 接觸角測量: 

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步驟 1：Wilhelmy 板法測量水的表麵張力

• 在進行接觸角測量前，首先使用 Wilhelmy 板法確認等離子處理是否改變了水的表麵張力。

• 若水的表麵張力保持不變，則接觸角測量可反映表麵自由能變化。

• 若水的表麵張力已改變，則需要進一步分析其來源。

步驟 2：接觸角測量

• 僅在確認水的表麵張力未改變的情況下，接觸角數據才可用於評估固體表麵特性。

步驟 3：附加表麵分析技術，如有必要

結合其他表征手段，以深入分析表麵改性：

• XPS（X射線光電子能譜） – 確定等離子處理後表麵化學基團的變化。

• FTIR（傅裏葉變換紅外光譜） – 檢測表麵分子結構變化。

• AFM（原子力顯微鏡） – 分析表麵粗糙度及納米級形貌變化。

7. 結論

等離子處理的傳統評估方法依賴水接觸角測量，但其隱含假設水的表麵張力保持不變。然而，當等離子處理導致表麵釋放可溶性副產物，改變水的表麵張力時，會引發偽活化現象，導致接觸角測量的誤導。

為避免錯誤解讀，建議采用係統化表征方法：

1. Wilhelmy 板法測量水的表麵張力。

2. 確認水的表麵張力未變後再進行接觸角測量。

3. 結合表麵分析技術進行全麵表征。