بررسی اثر پلاسما بر پلی‌اتیلن با روش طیف‌نمایی طول عمر پوزیترون

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 قزوین، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی (ره)، گروه فیزیک، کد پستی 3414896818

2 تهران، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، پژوهشکده پلاسما و گداخت هسته‌ای، کد پستی 3414896818

10.22063/jipst.2022.3182.2162

چکیده

فرضیه‌: استفاده از پلاسما به‌عنوان روشی برای تغییرات سطوح پلیمر کاربردهای فراوانی دارد. استفاده از پلاسمای سرد فشار جو به‌دلیل سادگی و نیازنداشتن به تجهیزات گران‌قیمت، از برتری‌های بیشتری نسبت به سایر روش‌های پلاسما، لیزر و پرتو X برخوردار است. با توجه به کاربردهای زیاد پلی‌اتیلن در صنعت، بررسی تغییرات آن در اثر پلاسمای سرد می‌تواند مؤثر باشد. 
روش‌ها: در این پژوهش، از پلاسمای تخلیه سد دی‌الکتریک (DBD) فشار جو برای افزایش ماهیت آب‌گریزی پلی‌اتیلن کم‌چگالی (LDPE)، استفاده شد. پس از مطالعه طیف گسیل نوری (OES) پلاسمای تولید شده، آثار آن در تغییرات سطحی و عمقی همچون شکل‌شناسی سطح، ترکیب شیمیایی و ساختار بلوری پلیمر با میکروسکوپی الکترونی پویشی گسیل میدانی (FE-SEM)، طیف‌نمایی زیرقرمز تبدیل فوریه بازتاب کلی تضعیف‌شده (ATR-FTIR)، پراش پرتو X (XRD) و طیف‌نمایی طول عمر پوزیترون (PALS) مطالعه شد. همچنین از آزمون زاویه تماس به‌منظور بررسی تغییرات در آب‌گریزی پلیمر استفاده شد.
یافته‌ها: از داده‌های ATR-FTIR و XRD مشخص شد، تابش پلاسما به‌مدت s 180 در محدوده عمق چند نانومتری سطح پلی‌اتیلن اثر داشته است و تغییر شایان ‌توجهی در پیوندهای شیمیایی و ساختار بلوری پلیمر ایجاد نمی‌کند. به‌عبارتی می‌توان از تابش پلاسما برای اصلاح نانومتری سطح استفاده کرد. از طرفی تصاویر SEM نشان می‌دهد، تابش پلاسما سطح صاف پلیمر اولیه را به سطحی پر از منافذ تبدیل می‌کند. نتایج آزمون زاویه تماس ضمن تأیید این موضوع، بیشترشدن آب‌گریزی پلیمر پس از تابش پلاسما را نشان می‌دهد. نتایج طیف‌نمایی PALS نیز نشان می‌دهد، در عمق‌های میکرومتری به‌دلیل افزایش ناگهانی دما هنگام تابش پلاسما، حجم آزاد ماده به‌دلیل ترکیب تک‌حفره‌ها با یکدیگر، بزرگ‌تر می‌شود. 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Effect of Plasma on Polyethylene by Positron Lifetime Spectroscopy

نویسندگان [English]

  • Maryam Azizi 1
  • Effat Yahaghi 1
  • Mahdieh Bakhtiari Ramezani 2
  • Mojtaba Nohekhan 2
1 Department of Physics, Imam Khomeini International University, Postal Code 3414896818, Qazvin, Iran
2 Plasma and Fusion Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute, Postal Code 3414896818, Tehran, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: The use of plasma is widely used as a method to change polymer surfaces. The use of atmospheric cold plasma has more advantages than other plasma, laser and X-ray methods. This method is simple and it uses inexpensive equipment. Considering the many uses of polyethylene in industry, it can be effective to investigate its changes against cold plasma.
Methods: A dielectric barrier discharge (DBD) plasma under atmospheric pressure was used to increase the hydrophobicity of low-density polyethylene (LDPE). After studying the optical emission spectrum (OES) of the produced plasma, its effects on surface and depth changes including surface morphology, chemical composition and polymer crystal structure were studied through scanning electron microscopy (SEM), attenuated total reflectance-Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffractometry (XRD) and positron lifetime spectroscopy (PALS). Moreover, the contact angle analysis (CA) was used to examine the changes in the hydrophobicity of the polymer. 
Finding: Based on the data from FTIR and XRD analyses, it was found that plasma irradiation for 180 s affects the depth of a few nanometers of the polyethylene surface and does not cause significant changes in the chemical bonds and crystal structure of the polymer. In other words, plasma radiation can be used for nanometer-scale modification of the surface. On the other hand, the SEM images indicate that the plasma radiation changes the primary flat surface of the polymer into a porous surface. The results of CA analysis, while confirming this issue, show an increase in the hydrophobicity of the polymer after plasma irradiation. The results of PALS spectroscopy also reveal that at micron depth due to the sudden rise in temperature during plasma irradiation, the free volume of the material increases as a result of pore merging.

کلیدواژه‌ها [English]

  • plasma
  • Polymer
  • polyethylene
  • spectroscopy
  • Positron lifetime spectroscopy