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

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
  • Mahdieh Bakhtiari Ramezani 2
  • Effat Yahaghi 1
  • 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
  1. Tan S.H., Nguyen N.T., Chua Y.C., and Kang T.G., Oxygen Plasma Treatment for Reducing Hydrophobicity of a Sealed Polydimethylsiloxane Microchannel, Biomicrofluidics, 4, 2010.
  2. Bruggeman P. and Schram D.C., On OH Production in Water Containing Atmospheric Pressure Plasmas,Plasma Sources Sci. Technol., 19, 045025, 2010.
  3. Borcia C., Borcia G., and Dumitrascu N., Plasma Induced Surface Modification in Relation to Polymer Characteristics, Optoelectron. Adv. Mater., 10, 675-679, 2008.
  4. Fridman A., Nester S., Lawrence A.K., Saveliev A., and Mutaf-Yardimci O., Gliding Arc Gas Discharge, Energy Combust. Sci., 25, 211-231, 1999.
  5. Lieberman M.A. and Lichtenberg A.J., Principles of Plasma Discharges and Materials Processing, Wiley-Interscience, 2nd ed., April 14, 2005.
  6. Bakhtiyari Ramezani M., Yahaghi E., and Nohekhan M., An Empirical Study of Electrode Degradation in Gliding Arc Discharge, J. Nondestruct. Test., 58, 632-642, 2022.
  7. Tuomisto F., Defect Identification in Semiconductors with Positron Annihilation: Experiment and Theory, Mod. Phys., 85, 1-49, 2013.
  8. Pethrick R.A., Positron Annihilation-A Probe for Nanoscale Voids and Free Volume? Polym. Sci., 22, 1-47, 1997.
  9. Jelíneka P., Poláškováa K., Jeníkc F., Jeníkovác Z., Dostáld L., Dvořákováa E., Cermane J., Šourkovác F.H., Buršíková V., Špatenkac P., and Zajíčkováa L., Effects of Additives on Atmospheric Pressure Gliding Arc Applied to the Modification of Polypropylene, Coat. Technol., 372, 45-55, 2019.
  10. Roya N.C., Hafezb M.G., and Talukder M.R., Characterization of Atmospheric Pressure H2O/O2 Gliding Arc Plasma for the Production of OH and O Radicals, Plasmas., 23, 083502, 2016.
  11. Chen Zh., Wang Zh., Fu Q., Ma Zh., Fang P., and He Ch., Microstructure and Surface State of Plasma-Treated High-Density Polyethylene Elucidated by Energy-Tunable Positron Annihilation and Water Contact Angle Measurements, The Japan Society of Applied Physics, 2nd Japan-China Joint Workshop on Positron Science, JJAP Conf. Proc., 2, 011202, 2014.
  12. Inagaki N., Plasma Surface Modification and Plasma Polymerization, CRC, USA, Chapt. 1 and 2, 1996.
  13. Ma Ch., Nikiforov A., De Geyter N., Dai X., Morent R., and Ostrikov K., Future Antiviral Polymers by Plasma Processing, Polym. Sci., 118, 101410, 2021.
  14. George A., Stawski T.M., Unnikrishnan S., Veldhuis S.A., and Elshof J.E.T., Micro and Nanopatterning of Functional Materials on Flexible Plastic Substrates via Site-Selective Surface Modification Using Oxygen Plasma, J. Mater. Chem., 22, 328-332, 2012.
  15. Yun J., Jeong Y., and Lee G.H., Direct Synthesis of Silicon Oxide Nanowires on Organic Polymer Substrates, Nanotechnology, 20, 2009.
  16. Zamani J. and Moosabeiki V., Manufacturing Method of Carbon/Phenolic Composites and Its Implication on Ablative Charactristics, J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 26, 256-243, 2013.
  17. Bagheri S. and Mirzadeh H., Effect of Radio Frequency Plasma on Polystyrene Surface Properties, J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 19, 395-402, 2007.
  18. Biganeh A., Kakuee O., Rafi-Kheiri H., Lamehi-Rachti M., Sheikh N., and Yahaghi E., Positron Annihilation Lifetime and Doppler Broadening Spectroscopy of Polymers, Phys. Chem., 166, 2020, 108461.‏
  19. Fogg J., Putman K.J., Zhang T., Lei Y., Terrones M., Harris P.J.F., Marks N.A., and Suarez-Martinez I., Catalysis-Free Transformation of Non-Graphitising Carbonsinto Highly Crystalline Graphite, Commun. Mater., 1, 1-7, 2020.
  20. Zbyszewski M. and Corcoran P.L., Distribution and Degradation of Fresh Water Plastic Particles Along the Beaches of Lake Huron, Canada, Water Air Soil Pollut., 220, 365-372, 2011.
  21. Geyter N.D., Morent R., and Leys C., Surface Characterization of Plasma-Modified Polyethylene by Contact Angle Experiments and ATR-FTIR Spectroscopy, Interface Anal., 40, 608-611, 2008.
  22. Rajandas H., Parimannan S., Sathasivam K.,Ravichandran M., and Yin L.S., A Novel FTIR-ATR Spectroscopy Based Technique for the Estimationof Low-Density Polyethylene Biodegradation, Test., 31, 1094-1099, 2012.
  23. Dlubek G., Bondarenkob V., Pionteck J., Kilburnd D., Pompec G., Taeslerc Ch., Redmannb F., Pettersb K., Krause-Rehbergb R., and Asharaful Alamd M., Studies of Interdiffusion in Polymer Blends by PALS, Phys. Chem., 68, 369-373, 2003.
  24. Tung D.H., Minh B.S., Thom V.Th., Huyen Trang L.Th., Huong C.Th., and Tuyen N.Th., Cold Atmospheric Pressure Gilding Arc Plasma Jet for Decontamination, Phys., 24, 101-106, 2014.
  25. Duan J., Lu X., and He G., On the Penetration Depth of Reactive Oxygen and Nitrogen Species Generated by a Plasma Jet Through Real Biological Tissue, Plasmas, 24, 073506, 2017.
  26. Duan J., Gan L., Nie L., Sun F., Lu X., and He G., On the Penetration of Reactive Oxygen and Nitrogen Species Generated by a Plasma Jet into and Through Mice Skin with/without Stratum Corneum, Plasmas, 26, 043504, 2019.
  27. Dobrynin D., Fridman G., Friedman G., and Fridman A., Deep Penetration into Tissues of Reactive Oxygen Species Generated in Floating Electrode Dielectric Barrier Discharge (FE-DBD): An In Vitro Agarose Gel Model Mimicking an Open Wound, Plasma Med., 2, 71-83, 2012.
  28. Wenzel Th., Carvajal Berrio D.A., Daum R., Reisenauer Ch., Weltmann K.D., Wallwiener D., Brucker S.Y., Schenke-Layland K., Brauchle E.M., and Weiss M., Molecular Effects and Tissue Penetration Depth of Physical Plasma in Human Mucosa Analyzed by Contact- and Marker-Independent Raman Microspectroscopy, ACS Appl. Mater. Interfaces, 11, 42885-42895,
  29. Onodera K., Oka T., Kino Y., and Sekine T., Degradation of Electron-Irradiated Polyethylene Studied by Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy, Phys.: Conf. Series, 791, 2016.
  30. Yamawaki M., and Uesugi N., Oka T., Nagasawa N., Ando H., O’Rourke B.E., Kobayashi Y., Development of a Method for Positron Annihilation Lifetime Measurement in Thin Polyethylene Films Using a Na-22 Source, Jpn. J. Appl. Phys., 59, 116504, 2020.
  31. Selim F.A., Positron Annihilation Spectroscopy of Defects in Nuclear and Irradiated Materials- A Review, Charact., 174, 110952, 2021.
  32. Makarewicz C., Safandowska M., Idczak R., Rozanski A., Positron Annihilation Lifetime Spectroscopic Analysis of Plastic Deformation of High-Density Polyethylene, Macromolecules, 54, 9649-9662, 2021.
  33. Dȩbowska M., Baranowski A., Jeriea K., Rudzińska-Girulska, J., and Sikorski R.T., Chlorinated Polyethylene Studied by Positron Annihilation, Funct. Polym., 33, 337-341,1997.