一种塑料基体表面形成非晶碳膜的方法技术

本发明专利技术公开了一种塑料基体表面形成非晶碳膜的方法。首先，采用氩气等离子体在电场作用下对塑料基体表面进行预处理，实现塑料基体表面活化，然后采用碳等离子体持续溅射轰击塑料基体表面，通过控制碳等离子体轰击时间，实现塑料表面的有机结构向无机结构逐渐转变，从而形成与基体具有良好结合力的非晶碳膜，提高了非晶碳膜对塑料基体的功能化防护应用。

【技术实现步骤摘要】
一种塑料基体表面形成非晶碳膜的方法
本专利技术属于表面工程
，尤其涉及一种塑料基体表面形成非晶碳膜的方法。
技术介绍
塑料因其取材丰富、种类多，具有密度小(仅为钢铁的1/7～1/8)、比强度大、电绝缘性优异、耐腐蚀性好、易于加工、生产成本小、用途广泛等优点，已成为人们日常生活中不可或缺的材料。然而，塑料又有其不可忽视的缺点，如：其耐磨性能差、易受环境老化、热稳定性能差、亲水性能差等，严重限制了其实际应用。非晶碳(amorphouscarbon，a-C)膜具有高的硬度、高导热率、优异的摩擦学性能、低介电常数、良好的光学透过性、良好的化学惰性以及优异的生物相容性，广泛应用于机械、电子、航空航天、生物医学、光学等领域。a-C膜可以沉积在金属、陶瓷等表面，对材料表面改性并延长服役寿命具有极高的潜力。研究表明，在塑料表面沉积形成一层无机结构的非晶碳膜，可有效改善塑料的表面功能特性。但是，塑料质软有韧性，而非晶碳膜属于陶瓷材料，硬度大且较脆，两者在力学性能上有很大的差异，正是这种差异性，a-C膜沉积在塑料基体表面容易导致塑料表面和a-C膜两相结合力差，a-C膜容易产生裂纹从基体上剥落，在外力作用下a-C膜容易失效不能发挥其优异的防护性能。因此，寻找一种在塑料表面制备无机非晶碳膜并实现膜层可控生长的制备技术，对塑料的工业化生产和应用具有重大的实践意义。
技术实现思路
针对上述技术现状，本专利技术旨在提供一种在塑料表面形成非晶碳膜的方法，利用该方法形成的非晶碳膜与塑料基体具有良好的结合力。为了实现上述技术目的，本专利技术通过大量实验探索后发现，在塑料基体表面沉积非晶碳膜时，首先采用氩气等离子体在电场作用下对塑料表面进行预处理，然后利用碳等离子体持续溅射轰击基体表面，能够在塑料基体表面实现如图1所示的自有机结构向无机结构逐渐转变的技术效果，提高所形成的非晶碳膜与塑料基体的结合力。即，本专利技术提供的技术方案为：一种塑料基体表面形成非晶碳膜的方法，其特征是：首先，采用氩气等离子体在电场作用下对塑料基体表面进行预处理；然后，利用碳等离子体溅射轰击塑料基体表面形成非晶碳膜。所述塑料基体材料不限，包括低密度聚乙烯(LDPE)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚醚酮(PEEK)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物(ABS)等。作为优选，对所述塑料基体表面进行预处理之前对塑料基体进行清洗处理。作为优选，塑料基体表面进行预处理之前，对腔体抽真空至真空度小于5.0×10-3Pa。作为一种实现方式，所述氩气等离子体是氩气在离子束和辉光放电作用下产生。作为优选，氩气流速为30～60sccm，阳极层离子束工作电压为500～1500V，偏压为300～1200V。作为一种实现方式，所述碳等离子体是碳靶经辉光放电作用下产生。作为优选，碳等离子体磁控溅射电流为1.0～10.0A。作为优选，碳等离子体持续轰击塑料基体过程中，偏压为0～300V。与现有技术相比，本专利技术的优点是：首先，采用氩气等离子体在电场作用下对塑料基体表面进行预处理，实现塑料基体表面活化，然后采用碳等离子体持续溅射轰击塑料基体表面，通过控制碳等离子体轰击时间，能够实现塑料表面的有机结构向无机结构逐渐转变，从而形成与基体具有良好结合力的非晶碳膜，提高了非晶碳膜对塑料基体的功能化防护应用。附图说明图1是利用本专利技术方法制得的塑料基体表面的膜层结构示意图。图2是本专利技术实施例1中制得的表面沉积非晶碳膜的LDPE基片与空白LDPE基片的漫反射红外光谱图。图3是本专利技术实施例1中制得的表面沉积非晶碳膜的LDPE基片与空白LDPE基片的拉曼光谱图。图4是本专利技术实施例1中制得的表面沉积非晶碳膜的LDPE基片的XPS光谱C1峰及其拟合结果图。图5是本专利技术实施例1中制得的表面沉积非晶碳膜的UHMWPE基片与空白LDPE基片的漫反射红外光谱图。图6是本专利技术实施例1中制得的表面沉积非晶碳膜的UHMWPE基片与空白LDPE基片的拉曼光谱图。图7是本专利技术实施例1中制得的表面沉积非晶碳膜的UHMWPE基片的XPS光谱C1峰及其拟合结果图。图8是上述实施例1中经碳等离子体处理180min后的LDPE基片的表面形貌SEM图。图9是上述实施例1中经碳等离子体处理180min后的LDPE基片的截面形貌SEM图。图10是上述实施例1中经碳等离子体处理180min后的LDPE基片表面洛氏压痕的光学金相显微照片。具体实施方式下面结合实施例与附图对本专利技术作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本专利技术的理解，而对其不起任何限定作用。图1、9中的附图标记为：1-塑料基体；2-有机/无机转变层；3-非晶碳膜。实施例1：(1)塑料基体材料为低密度聚乙烯(LDPE)。将所购买的直径为12mm，厚度为2mm的圆片状LDPE基片用砂纸打磨抛光，除去样品周边毛刺，并用清洁剂预清洗，自然干燥后经无水乙醇超声清洗5～15min，并自然干燥待用；(2)将清洗干燥后的LDPE基片样品固定在沉积设备真空沉积室内转架上；用欧姆表分别检测转架与真空室基面、碳靶与真空室基面的绝缘；抽真空至腔内基础真空度小于5.0×10-3Pa；(3)开启转架逆时针旋转，通入氩气30～60sccm，开启阳极层离子束源，其工作电压为500～1500V，氩气辉光放电产生氩等离子体，开启偏压电源，偏压为300～1200V，氩等离子体在电场作用下预处理LDPE基片表面；(4)关闭阳极离子束源和偏压电源，开启直流磁控溅射电源，磁控溅射电流为1.0～10.0A，开启偏压电源，偏压为0～300V，碳靶在辉光放电作用下产生碳等离子体，碳等离子体持续溅射轰击基片表面，控制并调整溅射时间，溅射时间分别为5min、10min、30min、60min、90min、120min、150min、180min、210min，在LDPE基片表面沉积非晶碳膜。对上述制得的非晶碳膜进行化学组成、微观结构测试，并与空白样品对比。实施例2：(1)塑料基体材料为超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。将所购买的直径为12mm，厚度为2mm的圆片状UHMWPE塑料基片用砂纸打磨抛光，除去样品周边毛刺，并用清洁剂预清洗，自然干燥后经无水乙醇超声清洗5～15min，并自然干燥待用；(2)将清洗干燥后的UHMWPE基片样品固定在沉积设备真空沉积室内转架上；用欧姆表分别检测转架与真空室基面、碳靶与真空室基面的绝缘；抽真空至腔内基础真空度小于5.0×10-3Pa；(3)开启转架逆时针旋转，通入氩气30～60sccm，开启阳极层离子束源，其工作电压为500～1500V，氩气辉光放电产生氩等离子体，开启偏压电源，偏压为300～1200V，氩等离子体在电场作用下预处理LDPE基片表面；(4)关闭阳极离子束源和偏压电源，开启直流磁控溅射电源，磁控溅射电流为1.0～10.0A，开启偏压电源，偏压为0～300V，碳靶在辉光放电作用下产生碳等离子体，碳等离子体持续溅射轰击基片表面，控制并调整溅射时间，溅射时间分别为5min、10min、30min、60min、90min、120min、150min、180min、210min，在LDPE本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种塑料基体表面形成非晶碳膜的方法，其特征是：首先，采用氩气等离子体在电场作用下对塑料基体表面进行预处理；然后，利用碳等离子体溅射轰击塑料基体表面形成非晶碳膜。

【技术特征摘要】
1.一种塑料基体表面形成非晶碳膜的方法，其特征是：首先，采用氩气等离子体在电场作用下对塑料基体表面进行预处理；然后，利用碳等离子体溅射轰击塑料基体表面形成非晶碳膜。2.如权利要求1所述的塑料基体表面形成非晶碳膜的方法，其特征是：所述塑料基体材料包括聚乙烯、超高分子量聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚醚醚酮、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物中的一种或者几种。3.如权利要求1所述的塑料基体表面形成非晶碳膜的方法，其特征是：对所述塑料基体表面进行预处理之前对塑料基体表面进行清洗处理。4.如权利要求1所述的塑料基体表面形成非晶碳膜的方法，其特征是：塑料基体表面进行预处理之前，对腔体抽真空至真空度小于5.0×10-3Pa。5.如权利要求1所述的塑...

【专利技术属性】
技术研发人员：王永欣，管文，曾志翔，王立平，薛群基，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33