2.7　表面形貌分析

采用荷兰飞利浦公司XL30 ESEM-TMP型扫描电子显微镜（SEM）和日本精工SPA-400 SPM型扫描探针显微镜（AFM）对处理前后薄膜的表面形貌和粗糙度进行观察与测量。

LDPE薄膜和HDPE薄膜经过氧等离子体处理前后的SEM图片分别见图2-6和图2-7。从图2-6和图2-7可以看出，未处理LDPE薄膜和HDPE薄膜与处理过的相比表面较为光滑和平整，晶相与非晶相混合在一起，看不出明显的晶粒；但经过氧等离子体处理后，薄膜表面由于受到了等离子体中电子、离子等活性粒子的轰击，使表面分子链上的C—C、C—H键断裂，产生了大量的碎片离子或分子被抽走，致使处理后的薄膜表面出现了大量不规则的突起或凹槽，表面形貌发生了变化。特别是对于HDPE薄膜，由于其本身的结晶度较高，从图2-7（d）可以明显看到暴露在表面的晶粒[19]。

图2-6　LDPE薄膜处理不同时间的SEM图片

图2-7　HDPE薄膜处理不同时间的SEM图片

扫描电子显微镜（SEM）不能对等离子体的刻蚀过程进行量化表征，而原子力显微镜（AFM）技术能获得样品的三维表面形貌[20，21]。氧等离子体处理LDPE薄膜不同时间的AFM二维粗糙度剖面图见图2-8，AFM三维立体图见图2-9，三维立体图的形貌参数见表2-4。从图2-8、图2-9和表2-4可以看出，经过氧等离子体处理样品的表面平均粗糙度（Ra）和最大高低差（P-V）均是随着处理时间增加逐渐增大。但处理样品的表面平均粗糙度（Ra）和最大高低差（P-V）均比未处理样品的小，这是由于LDPE薄膜的结晶度较低，而等离子体对聚合物非结晶区的刻蚀速率比对结晶区的刻蚀速率要快好多倍[16]，加上处理过程中氧等离子体对LDPE薄膜表面的消融作用，导致处理样品的表面平均粗糙度（Ra）和最大高低差（P-V）小于未处理样品。当处理时间较短时（处理60s），等离子体刻蚀和剥离主要导致样品表面出现较大的山峰和沟壑形貌；当处理时间进一步延长（处理160s和300s），刻蚀和剥离主要发生在局部的山峰，导致产生很多小的山峰，使得表面粗糙度逐渐增大。结合前面失重率与等离子体处理时间的关系进一步分析，当处理60s时失重率较小；处理300s时失重率最大；而处理160s时失重率居中。处理时间从60s延长至300s，LDPE表面的刻蚀逐渐明显，粗糙度逐渐增大，即刻蚀越明显，失重率越大，这与前面得出的失重率与等离子体处理时间的变化关系相吻合。

图2-8　处理LDPE薄膜不同时间的AFM二维粗糙度剖面图

表2-4　LDPE薄膜的AFM三维立体图形貌参数

图2-9　处理LDPE薄膜不同时间的AFM三维立体图

氧等离子体处理HDPE薄膜不同时间的AFM二维粗糙度剖面图见图2-10，AFM三维立体图见图2-11，三维立体图的形貌参数见表2-5。从图2-10、图2-11和表2-5可以看出，HDPE薄膜表面粗糙度随着处理时间的增加逐渐增大。未处理样品的表面粗糙度很小；而经氧等离子体处理后的样品表面凹凸不平，形成了明显的刻蚀痕迹，表面粗糙度发生了明显的变化。在第一阶段［图2-10及图2-11中的（b）图和（c）图］，当处理时间较短时，等离子体刻蚀和剥离主要导致样品表面出现较大的山峰和沟壑形貌。从表2-5可以看出，最大高低差（P-V）由未处理样品的196.5nm逐渐增加至处理后样品的216.3nm和223.9nm。第二阶段［图2-10及图2-11中的（d）图］，当处理时间进一步延长，刻蚀和剥离主要发生在局部的山峰，导致产生很多小的山峰，最大高低差（P-V）变为268.3nm。结合前面失重率与氧等离子体处理时间的关系进行分析，当处理60s时失重率较小；处理300s时失重率最大；而处理160s时失重率居中。从AFM三维立体图可以看出，从图2-11（b）图至（d）图，HDPE表面的刻蚀逐渐明显，粗糙度逐渐增大，即失重率越大，刻蚀越明显，这跟前面分析的失重率与等离子体处理时间的变化关系是相吻合的。

图2-10　处理HDPE薄膜不同时间的AFM二维粗糙度剖面图

图2-11　处理HDPE薄膜不同时间的AFM三维立体图

表2-5　HDPE薄膜的AFM三维立体图形貌参数