等离子表面改性技术及其特点

等离子体表面改性技术应用于各类高聚合物材料的表面接枝。等离子体对化学与工艺而言是非常重要的，一方面电子具有足够高的能量使反应物分子激发、离解和电离，另一方面由于重粒子温度低，反应体系又得以保持相对较低的温度，甚至接近室温，这两方面的特点，使得非平衡等离子体在薄膜生长、化学合成、等离子体刻蚀、等离子体聚合和等离子体表面处理及改性、生物医药、消毒灭菌、环境保护等领域都具有广泛的应用前景。

以聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）为主的聚烯烃为例，目前世界上年产量高达7600余万吨，占合成树脂及塑料总产量的47％，居世界合成树脂产量的首位，已成为世界上最重要、应用最广泛的合成高分子材料。但因其极性小、表面能低，是一类难粘材料，在印刷、涂复、粘合、复合等方面均有界面粘合性差的问题，并难于用常规化学方法改性。利用高效、简便、气氛可调、低成本和环境友好的大气压放电等离子体技术，在可控处理条件下，在聚烯烃分子链上引入极性基团或功能性基团，从而改善与金属、非金属材料和填料的相容性，是大品种聚烯烃改性的简便、高效、增容的新途径。

聚甲醛（POM）是以[-CH2-O-]为主链，无支化、高熔点、高密度、高结晶热塑性的工程塑料，具有很高的强度和刚度、表面坚硬、尺寸稳定性好、优秀的耐蠕变性、耐疲劳性、固有润滑性、耐磨损性和耐化学药品性等，是工程塑料中最接近金属的品种，可用以代替铜、铝、锌等有色金属及合金制品。其产量位居五大工程塑料中的第三位，仅次于聚酰胺（PA）和聚碳酸酯（PC）。POM填充、共混是改善其性能，实现材料高性能化、功能化的重要手段，但POM分子链规整无极性，分子链上没有可反应的基团，且处于较高的结晶化状态，同其它物质间相容性较差，采用一般的方法在其大分子上接枝反应性官能团易引起树脂的过度分解，因此POM是最难实现合金化的树脂。采用常压低温等离子体技术对POM进行表面改性，通过在其分子链上引入极性基团或功能性基团，改善POM同各种添加剂及其它聚合物的界面相容性、分散性，大幅度提高界面粘合强度和力学强度，从而提高材料的整体性能，实现高性能化和功能化。等离子体是一种含有离子、电子、自由基、激发的分子和原子的电离气体,常用于高分子合成、界面反应的是低温等离子体，其气态离子、分子温度和环境温度相同，约102K，电子温度较高，约104-105K。当等离子体撞击材料表面时，其中的电子、离子、原子、分子将自身能量传递给材料表层分子，与材料表面相互作用，产生表面反应，使表面发生物理化学变化而实现表面改性。相对于化学方法和射线辐照方法，采用大气压下放电等离子体技术用于高分子材料改性具有如下特点：

1）反应温度低，可避免聚合物表面损伤。

2）避免了刻蚀、溶剂和温度，它们是其它技术应用的局限性。

3）根据材料性能特点，采用不同的气体介质，等离子体可参与或不参与材料表面化学反应，即非反应型和反应型等离子体技术，对材料最终表面化学结构和性质提供了更可控制性，具有更高效率。

4）可采用各种气体组合，提供丰富的化学反应活性物质并具有较高的反应活性，所得表面化学强列依赖于等离子体所用气体和剂量，可显著提高PE、PP等表面能，产生更润湿的表面。

5）等离子体表面接枝是仅限于表面几个纳米深度的变化，而不会影响材料本体性质，可实现表面功能化。

6）可保持材料表面长期的润湿性、稳定性，减少表面分子降解和亲水退化效应。

7）可对高分子材料实现等离子聚合、接枝和表面改性。

等离子体改性技术实现以上特点将会使高聚合物材料得到广阔的新应用。而且等离子体技术以极快的速度向新的应用领域渗透。