冷等离子体对聚合物表面改性会产生哪些效果?

冷等离子体对聚合物表面改性会产生哪些效果?
冷等离子体对聚合物表面改性会产生哪些效果?

冷等离子体对聚合物表面改性会产生哪些效果?

低温等离子体技术在表面改性中的应用；

具有工艺简单、操作方便、加工速度快、处理效果好、环境污染小、节能等优点,在表面改性中广泛的应用.

2.1 表面处理

通过低温等离子体表面处理,材料表面发生多种的物理、化学变化,或产生刻蚀而粗糙,或形成致密的交联层,或引入含氧极性基团,使亲水性、粘结性、可染色性、生物相容性及电性能分别得到改善.用几种常用的等离子体对硅橡胶进行表面处理,结果表明N2、Ar、O2、CH4-O2及Ar-CH4-O2等离子体均能改善硅橡胶的亲水性,其中CH4-O2和Ar-CH4-O2的效果更佳,且不随时间发生退化［6］.英国派克制笔公司将等离子体技术用于控制墨水流量塑料元件的改性工艺中,提高了塑料的润湿率.

文献［7～9］表明,用低温等离子体在适宜的工艺条件下处理PE、PP、PVF2、LDPE等材料,材料的表面形态发生的显著变化,引入了多种含氧基团,使表面由非极性、难粘性转为有一定极性、易粘性和亲水性,有利于粘结、涂覆和印刷.

塑料、橡胶、纤维等高分子材料在成形过程中加入的增塑剂、引发剂及残留单体和降解物等低分子物质很容易析出而汇集于材料表面,形成无定形层,使润湿性等性能变差.尤其对医用材料,低分子物渗出会影响到生物机体的正常功能.低温等离子体技术可在高分子材料表面形成交联层,成为低分子物渗出的屏障.李瑛等［10］采用不同等离子体改性PI、PET、PP薄膜,发现经处理的薄膜表面电阻降低了2～4个数量级,材料的介电损耗和介电常数也发生了变化.将该技术运用于微电子技术领域,可使电子元件的连接线路体积大为缩小,运行可靠性明显提高.

2.2 表面聚合

大多数有机物气体在低温等离子体作用下,聚合并沉积在固体表面形成连续、均匀、无针孔的超薄膜,可用作材料的防护层、绝缘层、气体和液体分离膜以及激光光导向膜等,应用于光学、电子学、医学等许多领域.

以聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯塑料均可制成价廉且易于加工的光学透镜,但其表面硬度太低,易产生划痕.采用有机氟或有机硅单体,采用低温等离子体聚合技术在透镜表面沉积出10nm的薄层,可改善其抗划痕性和反射指数［6］.国外还有等离子体化学气相沉积技术应用于塑料窗用玻璃、汽车百叶窗和氖灯、卤天灯的反光镜的报道.

等离子体聚合膜具有多种性能,可使同样的基材应用于很多领域.在金属和塑料上涂类金刚石碳耐磨涂料的化学气相沉积技术是把含碳气体导入等离子体中,该涂层耐化学药品、无针孔、不渗透,能防止各种化学药品侵蚀基材.同样还可将减摩涂料涂于挡风玻璃雨刮器上,或将低摩涂层涂于计算机磁盘上以降低磁头磁撞.

等离子聚乙烯膜沉积于硅橡胶表面后,硅橡胶对氧气的透过系数明显降低.由含氮单体制备反渗透膜,最高可阻出98%的食盐.生物体内的缓释药物一般采用高分子微囊,亦可采用等离子体聚合技术在微囊表面形成反渗透膜层.

等离子体聚合物膜在传感元件上的应用研究表明,放电功率等因素对膜电阻值有较大影响.用各种乙烯基单体和Ar辉光放电处理织物,其疏水性及染色性能在极短时间里便有改善.

2.3 表面接枝

以等离子体接枝聚合进行材料表面改性,接枝层同表面分子以共价键结合,可获得优良、耐久的改性效果.美国曾将聚酯纤维进行辉光放电等离子体处理与丙烯酸接枝聚合,改性后纤维吸水性大幅度提高,同时抗静电性能也有改善.白敏冬等［5］用Ar等离子体处理尼龙绸表面,引入丙烯酸,接枝聚合使尼龙绸抗静电性增强.低温等离子体接枝改性毛织物原料及成品,可改善毛绒表面性能、增强着色性、软化织物、降低缩水率,且毛织物本体不受影响［11］.涤纶纤维坚固耐穿,但其结构紧密、吸水性差、难染色,王雪燕［12］等用低温氮等离子体引发丙烯酰胺对涤纶织物进行接枝改性,接枝后涤纶织物的上染百分率、染色深度及亲水性都有明显提高.

低温等离子体对医用材料表面处理,可引入氨基、羰基等基团,生物活性物质与这些基团接枝反应可固定于材料表面.用等离子体处理聚丙烯膜,引入氨基,再通过共价键接枝,固定上葡萄糖氧化酶,经测定,接枝率分别达52μg/cm2和34μg/cm2

和                                     

2低温等离子体在对聚合物材料的表面改性中的应用

聚合物材料由于具有良好的性能而广泛地应用于包装、航空、印刷、生医、微电子、汽车、纺织等行业.但日益增长的工业发展水平对聚合物材料的表面性能如粘附性、浸润性、阻燃性、电学性能等提出了更高的要求,利用等离子体对其进行表面改性已经引起研究人员的广泛兴趣.聚合物材料的浸润性与许多领域有关,如印刷、喷涂和染色等.但由于聚合物材料表面自由能低,故而导致浸润性能不好.用化学的方法来改善其特性不但会损坏聚合物基质,而且还会放出大量有毒性的水,同时还需消耗大量的能量,成本高;而用低温等离子体处理克服了这些缺点,即省水省电又不污染环境.

超高系数聚乙烯纤维(UHMPE)由于具有密度低、张力模量高等很好的纺织特性且对冲撞能量有吸收能力,故被广泛应用于许多合成材料中.但其有表面惰性,在合成材料中吸附能力差.低温等离子体可以提高UHMPE纤维化合物的粘附性.用氧气、氮气、氦气、氩气、氢气和甲烷等离子体来处理聚乙烯对苯二甲酸脂即PET,结果表明,PET膜的浸润性可以得到提高,其改善程度取决于气体种类.

在金属表面上聚合有机物或使聚合物的表面金属化都涉及到聚合物与金属之间的粘附性问题.如具有好的热稳定性,低介电常数的氟塑料聚合物的表面金属化在微电子工业领域中有很好的应用潜力.但由于大多数氟聚合物的物理和化学上的惰性,使得金属在其上的粘附能力很低.

采用机械粗糙法,氧气、氮气、氩气低压等离子体和产生中间层法对聚丙烯进行处理,研究金属在其上的粘附特性,结果是机械粗糙法在提高聚丙烯与铜之间的粘附力方面有效,但等离子处理会导致更好的结果,尤其是Ar等离子体.用等离子体聚合丙烯酸中间层含有C—O键表现出非常强的粘附性.

聚合物膜可分为极性聚合膜和非极性聚合膜.非极性聚合膜的电介体在生物和医药领域作用很大,但其电核存储能力和存储稳定性并不令人满意,而极性聚合膜的电介特性很好,但价格昂贵,因此从实用出发,如何提高非极性膜的电特性是很有价值的研究工作.用SF6,O2和Air等离子体对聚丙烯膜表面处理 ,由于改性过程中有隧道效应,增加了表面阱密度,尤其是C—F, C C , C O键的引入,就像一个深阱一样可以使得存储电核的能力和稳定性提高了50%.

聚合物广泛应用于建筑材料、交通和电子工程中,但由于其独特的化学组成而易于燃烧,故阻燃性成为很重要的需求.在聚酰氨6聚合物表面上用等离子体聚合法形成1层50μm厚的聚硅氧烷,使热传导率下降30%,且产生了许多不完全阻燃反应.

3低温等离子体在医用功能材料的表面改性中的应用

由于低温等离子体的独特特性,最近几年在生物医药领域中已经引起人们越来越多的注意和兴趣.如用等离子体杀菌;分离薄膜的等离子体改性,用于降低蛋白质的吸附解决薄膜的污染问题;在玻璃基片上用等离子体喷涂,或将粒子束辅助沉积与物理气相沉积中离子注入相结合;在钛金属上形成含羟基的磷灰石来研究骨移植;研究可用做生物材料的有机化合物、金属、聚合物等材料的生物相容性.

利用聚合物、金属材料制成的生物功能材料已广泛应用于人造器官、组织移植、血管手术等方面.由于血液对异体材料非常敏感,故材料的血液相容性在生物相容性中非常重要,这直接关系到临床使用的安全性和有效性.研究表明血液相容性与材料基片的表面特性如表面亲水性、表面的化学组成有关. 经过二氧化硫等离子体处理后,纤维蛋白的吸附由原先的95%下降到54%,血小板的吸附也大大下降,材料的血液相容性得到提高.又如,有一些研究小组在材料中引入某些功能团如磷,可以提高生物环境与功能材料间的血液相容性.

最近,等离子体技术在生物医药领域中又有一个新的应用趋势,即等离子体化学微图形技术.用于移植、组织培养或其他用途的人造生物材料必须与所处的生物环境有生物相容性.提高聚合物材料生物相容性的早期方法是准备含与细胞外介质(ECM)相似的氮和氧的功能团的基片.目前,在发展需粘附细胞的生物相容性表面时,集中在固定ECM蛋白质于基片表面上.对于那些不需要粘附细胞,如血细胞的材料表面改性所使用的技术是产生具有高度惰性的表面,如氟化的碳氢化合物,或具有生物活性的分子禁止细胞固着,或产生具有高度亲水性的基团等.如果对于整个微图形表面生物相容性或生物惰性都能得到保证,那么微图形细胞培养可以在生物工程中发挥极大的作用.