塑料等離子表面處理改善親水性、提高難粘塑料的黏合度等

塑料是以高分子聚合物為主要成分,添加不同輔料,如增塑劑、穩定劑、潤滑劑及色素等的材料,滿足人們日常生活的多樣化和各領域的需求。因此需要對塑料表面的性質如親水疏水性、導電性以及生物相容性等進行改進,對塑料表面進行改性處理。

等離子體是物質的第四態,是由克魯克斯在1879年發現,并在1928年由Langmuir將“plasma”一詞引入物理學中,用于表示放電管中存在的物質。根據其溫度分布不同,等離子體通??煞譃楦邷氐入x子體和低溫等離子體(LTP),低溫等離子體的氣體溫度要遠遠低于電子溫度,使其在材料表面處理領域具有極大的競爭力。

低溫等離子體等離子體的一種,主要成分為電中性氣體分子或原子,含有高能電子、正、負離子及活性自由基等,可用于破壞化學鍵并形成新鍵,實現材料的改性處理。并且,其電子溫度較高,而氣體溫度則可低至室溫,在實現對等離子體表面處理要求的同時,不會影響材料基底的性質,適合于要求在低溫條件下處理的生物醫用材料。低溫等離子體可在常溫常壓下產生,實現條件簡單、消耗能量小、對環境和儀器系統要求低,易于實現工業化生產及應用。低溫等離子體技術是一種安全、綠色、環保的技術,可滿足當前可持續發展的要求。

低溫等離子體表面處理改性的原理

低溫等離子體在對材料表面處理過程中,材料表面會暴露在由等離子體形成的活性環境中,其中包含大量的活性粒子如高能電子、處于激發態的原子、分子及活性自由基等。圖1為低溫等離子體在聚合物材料表面改性中的應用原理。

塑料等離子表面處理改性原理

低溫等離子體在塑料聚合物材料表面改性中的應用原理

從圖1可以看出,低溫等離子體對聚合物材料的處理主要包括沉積、刻蝕、表面功能化及交聯聚合等?;钚粤W雍筒牧媳砻娴南嗷プ饔脹Q定了材料的物理和化學表面改性功能。

當等離子體或材料表面含有揮發性的單體分子時,就會在材料表面產生聚合反應。而等離子體氣體為空氣、氧氣、水蒸氣、惰性氣體及二氧化碳等不可產生聚合物單體分子的氣體時,則主要發生對材料表面的官能團引入,使表面具有不同的性質。采用較高功率或等離子體具有的高能粒子數量較多時,這些粒子及等離子體中的紫外射線會對材料表面產生轟擊作用,進而實現材料表面的刻蝕、交聯及表面活化等。當來自聚合物表面一個鏈的自由基與來自另一個鏈的自由基結合形成鍵時,就會在聚合物表面發生交聯。表面活化作用涉及表面自由基與原子或化學官能團的重組,形成與材料表面官能團不同的基團,進而獲得具有不同性質的表面,實現表面改性。等離子體誘導的材料表面功能化可以為表面改性和后續處理過程提供基礎,如嫁接、黏接以及其他的生物應用等,以獲得具有不同特殊性能的材料表面。

目前,常用的低溫等離子體進行塑料表面改性的方法主要有極性基團的引入、等離子體引發的表面聚合反應和接枝反應,主要目的為改善塑料表面的親水性、提高難黏塑料的黏合度、提高塑料的生物相容性、改善塑料表面的導電性等。

改變塑料材料表面的親水性

等離子體氣體組分的不同會導致等離子體中含有不同的粒子種類,這些粒子與塑料材料表面產生改性作用,使其親水性或疏水性能發生變化。采用不同組分的氣體可以使等離子體產生不同的活性物種,如采用含氫、含氮或含氧組分作為等離子體氣體或將等離子體氣體載入飽和水蒸氣,則在空氣中對塑料材料進行處理時,就會在塑料表面產生大量的極性基團,如—NH2、—COOH及—OH等,進而改善塑料材料表面的親水性。

提高材料表面黏合度

塑料高分子材料的表面一般為非極性表面,經等離子體處理后,可在其表面引入大量基團,從而轉化為極性表面,有利于黏結劑和材料之間的相互作用,進而提高材料的黏結度。目前,對等離子體提高塑料黏合度的機理為:(1)對等離子體處理使表面具有更高的活性和更大的表面能;(2)表面引入的極性集團可與黏合劑形成化學鍵合作用;(3)由于等離子體中高能電子的轟擊作用,材料表面的粗糙度有所增加;(4)等離子體處理可以去除表面的弱邊界層,避免黏合后形成力學性能差的弱邊界層。

提高材料的生物相容性

近年來,生物醫用材料如人造血管、血液透析膜等材 料的應用越來越廣泛。生命體對醫用材料的反映主要 取決于材料表面的化學成分及其分子結構,因此,在要求 生物醫學材料具有較好強度、柔韌性等要求的基礎上,還 要求其具有良好的生物相容性,如親水性、透氣性和血溶 性 。等離子體技術具有殺菌消毒、處理快速、裝置簡單 等優勢,逐漸應用在多種醫用材料表面改性技術中。目前, LTP 處理在生物材料中的應用主要包括表面清潔和殺毒、 刻蝕、沉積以及聚合等。

改變材料表面的電學性質

因具有優異的電學性能和力學性能,聚合物材料已被廣泛應用于電力設備的制造業中。當其處于電氣系統中時,由于表面具有微小毛刺,使其表面易形成積累電荷,也就是表面電荷。表面電荷的特性如電導率及衰減性能,能夠在一定程度上反映材料表面的電學性能。表面電荷的存在會影響材料的絕緣性能,可使其周圍電場發生畸變,極易導致高壓擊穿。表面電荷與材料表面的性質密切相關,因此,可采用表面改性技術改變材料表面性質,改善其電學性能。

目前,低溫等離子表面處理技術作為一種新型的表面處理方法,具有綠色、環保、快捷及高效等優點,已在各種塑料聚合物材料的表面處理過程中得到廣泛應用,實現了基于聚合物材料的各類特殊性能,也間接拓寬了聚合物分子的應用范圍,具有廣闊的應用前景。

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