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高分子材料的等离子体表面改性

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发布时间：

2020-11-04

在高分子材料的改性中，等离子表面处理的应用主要有以下几种：

表面亲水或疏水性：

普通高分子材料经过NH3、O2、CO、Ar、N2、H2等气体等离子体处理后，会在表面增加COOH、-C=O、-NH2、-OH等亲水性基团；处理时间越长，水滴接触角越低，并且通过含氟单体如CF4、CH2F2等离子体处理，则可氟聚合物材料表面会增加其憎水性。结果表明，未经处理的PET膜与水的接触角为73.1°，用Ar等离子体处理5min，放置一天后测量，与水的接触角降至33.7°，接触角随时间延长缓慢上升，表明处理效果随时间衰退。放10天后测得的接触角为41.3°。使用N2等离子体处理LDPE还发现，处理经过20天后材料表面极性基基本消失。氧气在对3-羟基丁酸-3-羟基戊酸型共聚物膜表面进行等离子体处理后，也发现其接触角在60天后由20°恢复到70°。人们认为，等离子体表面处理所引入的极性基团由于高分子链的运动而发生衰减，从而转移到高分子材料本体中。PET膜在处理前浸入与之相互作用较强的有机溶剂中，由于溶剂引起的分子链重排降低了链的活动性，可以稳定处理效果。

处理效应不仅随时间延长而衰减，而且随着温度的升高而衰减。从O2等离子体处理合成高分子薄膜表面，在80~140℃进行热处理，结果表明，等离子体处理后，薄膜表面张力增加，润湿性增强，热处理后等离子体处理效果减弱。对PET、尼龙等表面进行热处理后，表面能和表面-COOH和-OH基团明显降低；对聚酰亚胺、聚苯硫醚等表面进行热处理后，表面张力明显降低。这也从一个侧面说明，聚合物分子链本身运动程度的困难程度也是影响反应速度下降快慢的一个重要因素。

提高粘接能力：

等离子体处理可以很容易地在高分子材料表面引入极性基团或活性点，可以与被粘合材料、粘合剂面形成化学键，也可以通过增加与被粘结材料、粘合剂之间的范得华（分子间作用力）作用力来提高粘接性能。该工艺不受材料质地的限制，不会破坏材料的整体力学性能，远优于普通的化学工艺。等离子体处理可以明显改善高分子膜间的粘接性，提高复合材料的力学性能。若增强纤维与底基的粘结性能不佳，则不能很好地传递应力，反而会产生应力集中源，导致复合材料力学性能变差。超高分子聚乙烯(UHMWPE)纤维经过等离子体处理工艺，它与环氧树脂的结合强度提高了4倍以上。使用Ar、N2、CO2等气体等离子体处理聚乙烯纤维后发现聚乙烯纤维与PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)的粘结增强。它的韧度指数和断裂强度，等离子体处理高强PE纤维可提高纤维-环氧树脂复合材料的结合强度。

改善印染能力：

等离子体表面处理一方面可以增加被处理材料的表面粗糙度，破坏其非晶区，使被处理材料的表面结构松散，使染料/油墨分子的可及区因微隙增大而增大；另一方面，表面引入极性基团，可使被处理材料表面易于以分子间相互作用力、氢键或化学键吸附染料/油墨分子，从而改善材料的染色性能。通过低温等离子处理，增强PET纤维对分散染料的吸附。亚麻织物经低温等离子体处理后，再用热水泡洗，得到的织物印染性能好，力学性能无损伤。经低温等离子体处理后，羊毛织物的染性能得到了改善。采用空气等离子体处理羊毛染色前，减少了有毒物质的使用量，降低了废水中卤代有机物的含量。低温等离子体法可提高涤纶染色色牢度。

等离子体高分子的表面改性主要针对高分子聚合物材料的表面改性。高分子具有分子可设计性，通过等离子体表面作用后，可以在高分子表面引入不同的基团，如亲水、疏水、润湿、粘结等，还可以引入生物活性分子或生物酶，提高高分子的生物相容性。利用等离子体技术对高分子聚合物材料进行表面改性，不仅可以改善特定环境下聚合物的应用性能，而且还可以拓展传统高分子聚合物的应用范围。

高分子材料的等离子体表面改性