等离子体表面处理技术在护目镜防雾中的应用

孙文辰，李 群，张道芬，袁清玥

(安徽医科大学, 合肥 230032)

护目镜是医学和一些特殊领域常用的防护工具，它可以避免辐射光对眼睛的伤害，同时有效预防病原体感染，阻隔病毒飞沫的传播，在非典和新冠疫情中对医护人员起到重要的防护作用。但是，由于护目镜在使用过程中的高度封闭性，呼吸所产生的水汽难免会造成护目镜起雾。镜片起雾会不同程度地影响使用者的视觉功能，严重时可导致使用者不能视物而丧失作业能力，影响视野及诊断与一些精细操作，所以将镜片在工作过程中的起雾程度降低具有非常重要的实用意义。

1 水雾形成原理与解决方式

水雾是由于空气中的水蒸气在遇到温度较低的物体表面时发生凝聚而形成的水滴，水滴的形成，从本质上可以认为是一种相变的过程。气相的水在接触较冷物体表面时，液化形成了液态水，而且液态水滴的存在也受冷凝与蒸发这两个过程的影响。

目前，防止水雾产生的诸多方法中，可分为两大部分，即改变物体表面的环境参数与改变物体基底材料的特征。目前镜片防雾技术主要有结构式镜片防雾技术、物化式镜片防雾技术、人工镜片防雾方法等[1]。结构式镜片防雾技术通过调整镜片表面温度及通风环境以达到阻止起雾的目的，比如在防护罩体内采用了一种引导吸入空气吹扫镜片的“ Y 型管(Tissort Deflector)”工作原理，清晰但需引入附属，使得护目镜整体结构复杂繁重。物化式镜片防雾技术是在镜片表面喷涂化学物质，即应用亲水性或疏水性化学物质抑制水汽形成雾滴[2]，在一定时间段性能较好，但时效性较短，导致工作性能不稳定。人工镜片防雾方法即通过擦拭等人工干预办法简单去除镜片上的水汽雾滴，该方法比较简单粗暴，对防护级别不高的情况下较适用，但是它无法满足医务人员需连续工作时的防护要求。

2 等离子体表面处理技术

雾是一种小液滴，无数小液滴在一起，就会散射光线，从而影响视线。超亲水表面就是让小液滴不形成液滴，液滴上去就直接铺开而形成一层水膜，这样就不会形成散射，而水膜只要够薄，它的透明度就是很高的，近几十年来，等离子体对材料表面的改性得到了广泛应用。通常情况下,等离子体会产生高能物质，如带电粒子、自由基、表面的原子和分子，这取决于等离子体源的工作过程，发生在表面外露材料如腐蚀、活化、清洗等都会导致修改材料的表面性能。在等离子体工作过程中，可以使用不同的气压和接枝气体条件，在镜片表面达到不同的处理程度[3]。在特定的工艺下，等离子体对镜片表面改性处理后可提高镜片表面的亲水性能，且具有较好的稳定性，从而达到很好的防雾效果，满足医用护目镜的工作要求。

3 镜片表面处理及测试

3.1 样品制备与测试方法

接触角是在固体表面液滴完全静止时，在固、液、气三态，从固体基底表面的固-液界面经过液体内部到气-液界面的夹角，其大小可以反映出材料的湿润性程度，当接触角越小时，可以表明材料的湿润性越高，水蒸气在镜片表面越不易形成水滴，故在研究中，可以用测量接触角大小的方法定量比较试件的湿润性大小。通过接触角的大小来判读其表面亲水性的优劣，接触角越小说明镜片表面亲水性越好。将镜片放置在等离子体处理设备中(见图1)，对多组镜片经过不同的处理工艺后，测试其表面接触角并分析确定最优处理工艺。另外，通过直接观察法，进一步验证镜片防雾效果。将经过等离子体处理前后的镜片放置于统一的、固定的起雾条件下，透过镜片观察某一固定物体，根据观察者的主观意识感觉对起雾程度、影响观察程度进行一个评分，评分采用十分制，越影响观察则其分数越高，最后通过比较判定等离子体改性处理镜片对防起雾效果的有效性。

图1 等离子体处理设备Fig.1 Plasma processing equipment

3.2 处理结果及分析

镜片表面经过OPS等离子体科技有限公司生产的设备(见图1)进行等离子体改性处理，起始阶段，随着处理时间的延长，镜片表面接触角逐渐减小，60 s后，镜片表面的接触角从原始表面的81°下降到15°，接着随着处理时间的延长，接触角变化略有增加，当表面活化时间延长至300 s后，接触角值回升至25°，接触角随时间的变化值见表1。

表1 不同处理时间下镜片表面的接触角Tab.1 Contact angle of lens surface under different processing time

由图2可发现，镜片表面经等离子体改性处理后，其表面亲水性能有明显改变，0～60 s的接触角变化最大，说明其表面亲水性能有了较大改善。随着时间的延长，当处理时间在60～80 s时，接触角变化很小，说明亲水性基本不变，再随着处理时间的延长，接触角有上升趋势，当时间达到300 s时，接触角回升至25°，说明其表面亲水性能在下降。由此可见，利用等离子体工艺来处理镜片表面60 s，对其亲水性能的提高最显著。同时采用直接观察法进一步验证镜片处理前后的防雾效果可发现，处理时间在60～120 s、接触角达到15°～15.5°时，镜片在雾气环境中仍保持清晰，说明防雾效果最佳。

图2 接触角随处理时间的变化曲线Fig.2 Curve of contact angle changing with processing time

4 结论

经等离子体处理后，镜片表面的接触角从原始的81°下降到15°，说明等离子体工艺可以显著改变镜片表面的亲水性能；镜片表面经等离子体改性处理60s时，表面的接触角达到最小值，说明此时镜片表面的亲水性能达到最佳，同时通过直接观察法进一步验证此工艺处理的镜片，防雾效果很好。