《Surfaces and Interfaces》：Evaluation of the correlation between charging characteristics and film quality of polystyrene films
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本研究以聚苯乙烯（PS）薄膜为对象，通过改变涂布工艺条件（如未涂布、脱气、退火），发现不同处理条件下PS薄膜的表面电势大小及松弛特性存在显著差异。表面分析表明薄膜表面结构差异，结合表面电阻率和残留溶剂含量评估，证实优化薄膜制备工艺可有效控制其静电特性。
作者：佐藤智也（Tomoya Sato）、中野亮（Ryo Nakano）、宫前隆之（Takayuki Miyamae）、菊永和也（Kazuya Kikunaga）
所属机构：日本产业技术综合研究所（National Institute of Advanced Industrial Science and Technology）传感技术研究部，地址：日本佐贺县鸟栖市宿町807-1，邮编841-0052
摘要
当两层绝缘聚合物薄膜接触后又分离时，其表面容易产生静电。绝缘聚合物的充电现象在印刷技术、半导体制造、能量收集和接触电催化等多个领域引起了广泛关注。然而，静电现象中仍存在许多未解之谜，关于控制绝缘聚合物充电特性的因素的全面解释尚未实现。一个值得研究的领域是薄膜质量与绝缘聚合物充电特性之间的关联。本研究以聚苯乙烯（PS）这种常用的绝缘聚合物作为研究对象，探讨了这种关联。研究使用了三种不同制备条件的PS薄膜（未处理、脱气处理和退火处理）进行电晕放电处理，并分析了其表面电势的变化。结果表明，表面电势的大小和松弛趋势会因制备条件而异。此外，通过和频生成光谱（sum-frequency-generation spectroscopy）对薄膜表面进行分析后发现，这些薄膜的表面结构存在差异。综合考虑表面电势和表面结构的变化，以及与制备过程相关的表面电阻率和残留溶剂含量等评估结果，研究结果表明，即使使用相同的材料，也可以通过优化制备条件来控制其充电特性。
引言
当两种绝缘材料接触后分离时，每种材料的表面都会产生相反极性的电荷。这种现象由于机械接触导致绝缘材料表面积累电荷，通常被称为静电或接触电化，是全球范围内广为人知的自然现象[1,2]。如今，它在激光打印、电照相、颗粒分离和静电喷涂等多种工业应用中仍受到重视。自2012年Wang等人提出基于接触充电的新能量收集装置以来[3,4]，利用各种绝缘聚合物（包括可生物降解聚合物）的装置开发在全球范围内迅速推进[5,6]。此外，最近的研究表明，在溶液中的水和绝缘材料界面发生的接触充电过程中交换的电子可以用于有机分解技术[7,8]，相关技术正在积极发展。然而，制造过程中的静电已被确认是降低生产效率和产品可靠性的重要因素。例如，由于表面电荷过度积累导致的静电放电会损坏电子元件，以及带电颗粒附着在元件表面也是严重问题[9,10]。此外，静电放电还可能引发爆炸或火灾[11,12]。因此，尽管绝缘材料的静电充电现象在新产品和工业技术中具有巨大潜力，但仍迫切需要抑制和减少制造过程中的静电产生。因此，开发能够精确控制绝缘材料静电状态的创新技术对于高效利用或抑制各种领域的静电充电现象至关重要。
然而，目前尚不存在有效的方法来精确控制表面电荷密度和充电极性等充电特性。造成这一问题的主要原因是人们对控制绝缘材料充电特性的因素了解不足。虽然已有大量研究致力于探讨绝缘材料的充电机制，并提出了多种模型（如表面态模型[13]、分子-离子态模型[14,15]、电子云-势阱模型[16]、离子转移模型[17]和材料转移模型[18]），但这一现象非常复杂，不仅发生在固体之间，也发生在固液界面[19,20]。这种复杂性使得难以确定在充电过程中主要是电子还是离子负责产生表面电荷。此外，静电的产生和表面电荷的量可能受到绝缘材料的化学、物理、机械和结构特性的影响。目前，这些因素与充电特性之间关系的实验验证也正在进行中。因此，要建立静电控制技术，了解充电现象并明确控制静电特性的因素至关重要。
在现有文献中，研究人员探索了通过化学改性对绝缘聚合物薄膜表面进行功能化以调节其充电特性的方法。例如，Shin等人利用卤素终止的芳基硅烷和氨基化分子在聚合物薄膜表面制备了自组装单层，成功调节了充电极性[21,22]。另有研究指出，通过机械手段增加聚合物薄膜的表面粗糙度可以扩大充电时的接触面积，从而增加表面电荷[23,24]。还有研究表明，薄膜表面的曲率会影响宏观尺度上的电荷极性[25]。然而，这些研究仅限于宏观区域，分子水平表面结构（如聚合物薄膜表面官能团的取向）对充电特性的影响尚不清楚。一般来说，绝缘聚合物薄膜的表面结构可以通过薄膜制备和后处理技术轻松修改。换句话说，薄膜形成后的表面结构差异也可能影响充电特性。为阐明充电现象的本质并实现精确的充电控制，讨论分子水平表面结构差异与充电特性之间的关联至关重要。
本研究重点关注绝缘聚合物薄膜的质量，并验证了其质量与其充电特性之间的关联。选择了三种在不同条件下制备的绝缘聚合物薄膜作为样品。为了明确每种绝缘聚合物薄膜的充电特性，经过电晕放电处理后详细测量了其表面电势。从表面结构、表面电阻率和残留溶剂含量的角度评估了薄膜制备条件对薄膜质量的影响。基于研究结果，讨论了包括绝缘聚合物薄膜分子水平表面结构在内的薄膜质量变化与其充电特性之间的关联。
材料与样品制备
从德国Merck KGaA购买了平均分子量约为280,000 g mol?1的聚苯乙烯（PS）。氯苯溶剂（Wako Special Grade；纯度99.0+%）购自日本FUJIFILM Wako Pure Chem. Corp。制备了浓度为10 wt%的PS溶液。
PS薄膜在大气条件下以3000 rpm的速度旋涂60秒后制成。随后对未处理的PS薄膜进行了两种不同的后处理。
聚苯乙烯薄膜的充电特性
为了评估不同条件下制备的PS薄膜的充电特性，研究了通过电晕放电处理使PS薄膜表面带负电荷时的表面电势变化。图1显示了连续24小时内每1秒测量一次的PS薄膜表面电势变化情况。如图1所示，即使在相同的电晕放电条件下，表面电势的大小也会因制备条件而异。
结论
本研究通过改变薄膜制备条件制备了不同质量的PS薄膜，并研究了它们与充电特性之间的关联。对于未处理、脱气和退火处理的薄膜，分别测量了它们在电晕放电处理后带负电荷时的表面电势变化，从而评估了不同条件下制备的PS薄膜的充电特性。结果表明……
数据可用性
数据可应要求提供。
作者贡献声明
佐藤智也（Tomoya Sato）：概念构思、项目管理、实验研究、数据管理、数据分析、可视化、初稿撰写、审稿与编辑、资金筹集。
中野亮（Ryo Nakano）：实验研究、数据管理、数据分析。
宫前隆之（Takayuki Miyamae）：实验研究、数据管理、数据分析、资源调配、审稿与编辑、资金筹集。
菊永和也（Kazuya Kikunaga）：项目管理、资源调配、数据管理、审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了日本学术振兴会（JSPS）科学研究费（项目编号：21K14698、23K17811、23K23316、25K00052和25K01739）的支持。
