等离子表面处理在高分子材料改性中的应用

等离子表面处理在高分子材料改性中的应用,主要表现在下述几方面。

改变表面亲()水性

一般高分子材料经NH3O2COArN2H2等气体等离子体处理后接触空气,会在 表面引入—COOH,C=O,NH2,OH等基团,增加其亲水性。处理时间越长,与水接触角越低,而经含氟单体如CF4,CH2F2等气体等离子体处理则可氟化高分子材料表面,增加 其憎水性。研究发现,未处理PET膜与水接触角是73.1°,Ar等离子体处理5min,放置一天后测量,与水接触角降为33.7°,随放置时间的延长,接触角缓慢上升,显示出处理效果随时间衰退。放置10d后测量,接触角升至41.3°。 研究N2等离子体处理LDPE 时也发现,表面极性基团在处理后20d左右基本消失。研究O2等离子体处理3-羟基丁酸-3-羟基戊酸共聚物膜表面,也发现其后退接触角经60d后由处理后的20°恢复到70°。接触角的衰减被认为是由于高分子链的运动,等离子体表面处理引入的极性基团会随之转移 到聚合物本体中。如果将PET膜在处理前浸入与之有较强相互作用的有机溶剂中浸泡,会稳定处理效果,这是因为溶剂诱导的分子链重排降低了链的可动性。同时, 处理效果不但随时间延长而衰退,也会随温度升高而衰退。通过研究O2等离子体处理6种合成高分子膜表面,随后在80140℃热处理,发现等离子体处理后表面张力增大,湿润性增大;随后的热处理则加快了等离子体处理效果的衰退。等离子体处理PET、尼龙-6等表面—COOH、—OH基团浓度及表面力随热处理急剧下降;而聚酰亚胺,聚苯硫醚虽然表面张力也下降,但表面—COOH及—OH基团浓度变化不大。这也从一个侧面说明聚合物分子链本身运动程度的难易也是影响处理效果衰退快慢的一个重要因素。

增加粘接性

等离子体处理能很容易在高分子材料表面引入极性基团或活性点,它们或者与被粘合材料、粘合剂面形成化学键,或者增加了与被粘合材料、粘合剂之间的范得华作用力,达到改善粘接的目的。这种处理不受材料质地的限制,不破坏材料本体力学性能,远远优于一般的化学 处理方法。等离子体处理能显著改善高分子膜之间的粘接性和纤维增强复合材料的力学性能 。如果增强纤维与底基粘接性能不好,则不但没有一个良好的粘接界面来传递应 力,反而会产生应力集中源,使复合材料力学性能变差。将超高分子量聚乙烯 (UHMWPE)纤维经等离子体处理,其与环氧树脂粘接强度提高4倍以上。用ArN2CO2等气体等离子体处理PE纤维,发现了增加了与PMMA的粘接。提高了其韧度指数(ToughnessIndex)及断裂强度。等离子体处理高强PE纤维提高了纤维-环氧树脂复合材料的屈服强度。等离子体处理纤维素纤维,反气相色谱、XPSSEM揭示处理表面并不均匀,但仍然在表面有效地引入了酸()基团,提高了纤维与PSPVCPP等组成的复合材料的力 学性能和玻璃化转变温度。 NH3O2H2O等离子体处理Kevlar-49纤维后改善与环氧树脂的粘接性,发现处理后,纤维/环氧树脂界面剪切应力显著增加,增幅43%83%等离子体处理高分子材料,还能显著改善其与金属的粘接。利用含氟气体(CF4)等离子体处理热塑性聚合物如PCABS等能增强与铝板的粘接。用氧化性气体等离子体(O2H2O)处理PP,真空下热压到低碳钢板上,与未处理热压样品 相比,测得剪切强度大大提高。利用NH3等离子体处理PP后与铝片的粘接强度是N2等离子体处理的2倍多,通过研究表面的酸()性质研究了NH3等离子体处理的时间效应,利用接触角计算得到的粘附功与剥离试验结果一致。O2等离子体处理聚酰亚胺膜,研究了处理条件,膜表面化学组成及形态与被覆Cu片粘接性能的关系。发现随处理温度降低,剥离强度增大;较高温度下延长处理时间对粘接性能亦有正面影响。

改善印染性

等离子体表面处理一方面能增加被处理材料表面粗糙度,破坏其非晶区甚至晶区,使被处理材料表面结构松散,微隙增大增加了对染料/油墨分子的可及区;另一方面,表面引入的极性基团,使被处理表面易于以范得华相互作用力、氢键或化学键合吸附染料/油墨分子,从而改善了材料的印染性能。低温等离子体处理增强了PET纤维对分散染料的吸附。用低温等离子体处理亚麻类织物,随后用热水泡洗,所得织物印染性能良好,同时 力学性能没有受损。真空度1torr下低温等离子体处理羊毛织物能提高其匀 染性。羊毛染色前用空气等离子体处理减少了含Cr染料的用量和废水中的卤代有机污染物。低温等离子体处理能提高聚酯染色色牢度。用NH3等离子体处理聚酰胺纤维,然后用酸性染料染色,能提高色牢度和上色率。

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