等离子体表面接枝和聚合

等离子体中的高活性粒子可以活化材料表面,实现对材料的表面改性。比如对聚合物表面进行预处理可以有效地提高聚合物薄膜的表面能,有利于聚合物薄膜的复合、无机涂层在聚合物薄膜表面的附着以及油墨的可印刷性。

工业上常用电晕放电对聚合物薄膜表面处理。早在20世纪60年代,就有电晕放电表面处理的报道。电晕放电表面处理的原理是在聚合物表面产生反应所需的活性基团或活性位点,这将有利于后续的印刷、层压、涂覆等工艺。随着工业技术的发展,越来越多的气体被用作聚合物薄膜表面处理的放电气体。例如,为了提高薄膜表面的亲水性能,放电气体可以是常规的气体,例如Ar,He,空气,O2,N2,NH3,CO2,而CF4或其他CF基化合物单体用于获得疏水薄膜。反应性O2等离子体会在聚合物表面引入羧基(—COOH)和羟基(—OH)等含氧基团,而N2或NH3等离子体处理则会在聚合物表面引入氨基。等离子体表面处理中使用的惰性气体(例如He和Ar)由于具有蚀刻作用,它可以在薄膜表面形成物理反应性位点。

在非反应性气体条件下等离子体薄膜表面处理最主要的挑战是存在老化效应(agingeffect),即薄膜表面处理后在空气中放置一段时间,薄膜表面能恢复到原始状态,不利于薄膜表面的印刷、胶粘以及复合工艺。为此,等离子体表面接枝被广泛应用于薄膜表面改性。表面接枝将功能团小分子连接到材料表面上,接枝对材料表面的活性基团或自由基在随后聚合反应中至关重要。通常,等离子体表面接枝工艺可以分为两种工艺:“接枝自”(graftingfrom)模式和“接枝到”(graftingto)模式,如图所示。“接枝自”模式有时称为“表面引发的聚合过程”。“接枝自”模式最明显的特征是可以获得更长的链和更高的接枝密度。在“接枝到”模式中,大分子链被接枝到薄膜表面,而薄膜表面的反应活性位点的官能团(例如—COOH,—OH,—NH2和—O—O—)或活性基团则是通过等离子体处理引入。

等离子体表面接枝处理两种工艺模式—“接枝自”模式和“接枝到”模式

等离子体聚合通常是指单体在等离子体环境下聚合形成涂层的方法。等离子体聚合可以追溯到19世纪下半叶,在20世纪60年代等离子体聚合已经被用于在金属表面形成特殊涂层。通过等离子体聚合的涂层具有许多优点,如良好的耐腐蚀性、完美的微观结构、良好的基材黏合性、化学惰性和低介电常数等。

等离子体表面接枝和聚合可以显著改善薄膜表面性能,比如提高薄膜表面能、亲水性、黏附性能等,改性工艺参数由具体的改性目的决定,改性工艺参数主要包括等离子体源的选择、改性气氛、聚合单体、改性基材以及处理时间等。