高分子材料工程中低温等离子技术的应用

高分子材料工程中低温等离子技术的应用

王在彬

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摘要：目前，我国的科技发展十分迅速，在高分子材料工程中越来越多的引入了低温等离子技术，其加工简便、绿色环保、低成本的特点，使其在改善高分子材料表面特性中应用广泛。笔者结合等离子技术的特征，重点分析了低温等离子技术在塑料、生物应用材料、多孔材料以及改善荒漠化等方面的应用和研究进展。

关键词：高分子材料；低温等离子；应用研究

引言

高分子材料是以高分子化合物结合助剂所构成的材料。浸润性、吸附性等表面性质对于高分子材料的功能具有十分重要的影响。因此，表面改性可以增加高分子材料的用途，可获得更高的附加价值。传统材料表面改性的方法包括物理与化学两种，但在处理过程中会造成材料本体损坏，并造成利用率下降，影响材料的整体稳定性，且大量化学试剂以及所产生的“三废”也会加剧环境污染。因此人们开发了一些新型的高分子材料表面处理技术，如等离子体技术等。等离子体分为高温等离子体和低温等离子体。高温等离子体是指所有组分在2000-4000K时达到温度平衡。在这样高的温度下，高分子材料本身会受到严重损伤。低温等离子体体系中，电子温度只高于离子和中子的温度，重粒子温度不高，而且低温等离子体只作用于材料表面的若干纳米深度，对于高分子材料基质不会造成损伤，因此适合于材料表面改性。低温等离子体处理会在高分子材料表面大量引入一些官能团，如利用各种非聚合气体（O2、H2、Ar）在材料表面形成-OH等基团，改变高分子材料表面性质。

1低温等离子体改善高分子材料表面的浸润性

提高高分子材料表面的亲水性和憎水性的普遍技术方法是低温等离子体处理，具体方法可分为惰性气体等离子体处理和高压等离子体处理。高分子材料通过惰性气体（N2、O2、Ar、CO）等离子体的处理后，放置在空气后，可在材料表面上引入-OH、-COOH、-NH2，从而提高材料表面的浸润性。在通入含氟气体的等离子体处理后，材料表面将发生氟化，这种方法可用于提高材料表面疏水性。高压等离子体是直接利用高压将高分子材料表面击穿，得到离子、原子、自由基等活性基团，覆盖在材料表面，用于提高亲水性和憎水性。通过优化处理时间、电压强度、气体流量等参数，可获得最佳的处理效果，这可以通过谁在材料表面的接触角大小来定量。低压Ar等离子体处理PET薄膜的实验表明，经过低温等离子体处理后，水在PET膜上的接触角明显减小，膜的亲水性明显增加。随着放电时间的增长，等离子体的放电功率增大，会使得接触角迅速减小，而后趋近于平衡。而随着等离子体的气压逐渐增大，水在材料表面的接触角先迅速减小后逐渐增大。通过红外光谱和电镜研究，可以发现PET材料表面有明显的刻蚀痕迹，这种刻蚀具有一定的时效性，无法长时间保留。尽管低温等离子体处理可以非常有效地提高材料表面的亲（疏）水性，但却会对材料表面造成损伤，其对材料表面性能的改变也具有时效性。

2低温等离子技术在高分子材料工程中的应用

2．1低温等离子技术在塑料中的应用

当前，低温等离子技术在塑料改性中的应用较为广泛，主要涉及的高分子材料包括聚乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯等。塑料制品的化学性质稳定，耐酸碱，耐低温，被广泛应用于制作家庭用品当中。但是其易燃烧、亲水性差的特点，也限制了其使用范围。通过低温等离子技术对塑料进行处理和接枝改性，可以有效提升其阻燃性能。通过甲烷等离子体对塑料制品的表面沉积一层高度交联的聚合碳膜，可以有效提高塑料制品的极限氧指数，同时延长点燃时间，降低了塑料制品的应用风险。在亲水性方面，通过低温等离子技术对聚四氟乙烯材料的表面进行处理，引入丙烯酸等亲水性单体，可以大大降低聚四氟乙烯与水的接触角。

2.2低温等离子体在纤维材料表面改性中的应用

比较了低温等离子体技术与传统方法对纤维桩的表面处理，结果显示低温等离子处理后，纤维桩表面明显变得更粗糙，从而使其与树脂材料的粘合强度远高于传统处理组。并且经过等离子体处理的纤维桩，其弯曲强度无明显变化，而传统处理则明显下降。M.T.Kim等用低温氧等离子处理玄武岩纤维素，通过X射线光电子能谱（XPS）和SEM分析玄武岩纤维表面化学成分和形态的变化，并测试了玄武岩纤维与环氧树脂（EP）形成的复合材料的断裂性能。研究结果显示玄武岩纤维表面经等离子体处理之后遭到了物理刻蚀，其表面产生了一些含氧和氮的官能团。由于这些官能团的出现，使玄武岩与环氧树脂之间的粘合强度增加，所形成的复合材料的层间断裂韧性提高了16%。为了了解不同种类气体所产生等离子体对纤维表面改性的影响，比较了两种不同气体（氩气和空气）所产生的等离子体，对亚麻纤维改性的差别。通过FTIR、XPS和SEM测试，结果发现其两种气体等离子体处理，都使亚麻表面的粗糙度增加且产生了新的官能团，处理过的亚麻纤维与高密度PE结合形成的复合材料粘附性均增大。不过与氩气相比，相同条件下，由空气产生的等离子体的处理效果更为显著。JoãoGabrielGuimarãesdeFarias等采用空气与氧气两种不同等离子体对椰壳纤维的表面进行了改性，当处理功率为80W时，处理后的材料掺入热塑性淀粉基质中形成复合材料，其弹性模量和极限拉伸强度都明显增加。不过当功率降低到50W时，所得复合材料的机械性能比80W减小两倍。在相同条件下，两种气体相比，氧气所产生等离子体的处理效果更显著。为了确定不同频率的等离子体系统在纤维表面改性中的影响，研究了低频和高频等离子体系统处理黄麻纤维的差别，测试处理后黄麻纤维与低密度PE形成复合材料的拉伸、弯曲和剪切的机械性能。研究结果发现当使用高频等离子体系统时，随着功率的增加，复合材料的层间剪切强度在测试功率范围内一直增加。不过当使用低频等离子体系统时，复合材料的层间剪切强度呈现出随着功率的增加先增加后减小的趋势。

2.3低温等离子技术在生物医用材料中的应用

应用低温等离子技术，可以对生物医学中的高分子材料进行表面镀膜、聚合、改性和修饰等，从而改善生物医用材料的亲水性、透气性等，通过优化人造移植材料的性能，推动医疗技术的发展。例如，在晶状体移植手术中，通常采取PMMA作为移植材料，但这一人工晶状体若与眼角膜上皮细胞接触，将造成角膜的永久性损伤。而通过低温等离子技术中的沉积方法，能够将亲水性的单体如N-乙烯基吡咯烷酮等沉积到PMMA的表面，从而降低角膜细胞的损伤。通过动物实验发现，利用低温等离子沉积技术处理后的PMMA进行晶状体移植，最低可以将复合表面的细胞损伤控制在10%以下。此外，低温等离子技术还可以用于制作人工血管壁、血液透析薄膜等医用材料，对于现有医疗技术的提升和医治效果的改善具有积极的推动作用。

结语

总体上看，低温等离子改性技术具有反应效率高、能量大、适用范围广、绿色环保的特点，虽然也存在着处理过程中形成的基团复杂，寿命短，机理研究困难等问题，但随着分析手段的丰富，和高分子材料工程对该技术应用需求的增强，可以断定低温等离子技术的未来发展空间非常广阔。

参考文献：

［1］唐丽华．高分子材料低温等离子体改性的研究［D］．西北师范大学，2008．

［2］梁红军，後晓淮．用低温等离子体处理方法改性高分子材料表面［J］．化学通报，1999（06）：1-8．