高分子材料等離子表面改性

　　塑料是以高分子聚合物為主要成分，添加不同輔料，如增塑劑、穩(wěn)定劑、潤滑劑及色素等的材料，滿足人們?nèi)粘Ｉ畹亩鄻踊透黝I(lǐng)域的需求。因此需要對塑料表面的性質(zhì)如親水疏水性、導(dǎo)電性以及生物相容性等進(jìn)行改進(jìn)，對塑料表面進(jìn)行改性處理。
 

　　等離子體是物質(zhì)的第四態(tài)，是由克魯克斯在1879年發(fā)現(xiàn)，并在1928年由Langmuir將“plasma”一詞引入物理學(xué)中，用于表示放電管中存在的物質(zhì)。根據(jù)其溫度分布不同，等離子體通常可分為高溫等離子體和低溫等離子體(LTP)，低溫等離子體的氣體溫度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電子溫度，使其在材料表面處理領(lǐng)域具有極大的競爭力。
 

　　低溫等離子體等離子體的一種，主要成分為電中性氣體分子或原子，含有高能電子、正、負(fù)離子及活性自由基等，可用于破壞化學(xué)鍵并形成新鍵，實現(xiàn)材料的改性處理。并且，其電子溫度較高，而氣體溫度則可低至室溫，在實現(xiàn)對等離子體表面處理要求的同時，不會影響材料基底的性質(zhì)，適合于要求在低溫條件下處理的生物醫(yī)用材料。低溫等離子體可在常溫常壓下產(chǎn)生，實現(xiàn)條件簡單、消耗能量小、對環(huán)境和儀器系統(tǒng)要求低，易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用。低溫等離子體技術(shù)是一種安全、綠色、環(huán)保的技術(shù)，可滿足當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展的要求。
 

　　低溫等離子體表面處理改性的原理
 

　　低溫等離子體在對材料表面處理過程中，材料表面會暴露在由等離子體形成的活性環(huán)境中，其中包含大量的活性粒子如高能電子、處于激發(fā)態(tài)的原子、分子及活性自由基等。圖1為低溫等離子體在聚合物材料表面改性中的應(yīng)用原理。
 

　　低溫等離子體在塑料聚合物材料表面改性中的應(yīng)用原理
 

　　低溫等離子體對聚合物材料的處理主要包括沉積、刻蝕、表面功能化及交聯(lián)聚合等?；钚粤Ｗ雍筒牧媳砻娴南嗷プ饔脹Q定了材料的物理和化學(xué)表面改性功能。
 

　　當(dāng)?shù)入x子體或材料表面含有揮發(fā)性的單體分子時，就會在材料表面產(chǎn)生聚合反應(yīng)。而等離子體氣體為空氣、氧氣、水蒸氣、惰性氣體及二氧化碳等不可產(chǎn)生聚合物單體分子的氣體時，則主要發(fā)生對材料表面的官能團(tuán)引入，使表面具有不同的性質(zhì)。采用較高功率或等離子體具有的高能粒子數(shù)量較多時，這些粒子及等離子體中的紫外射線會對材料表面產(chǎn)生轟擊作用，進(jìn)而實現(xiàn)材料表面的刻蝕、交聯(lián)及表面活化等。當(dāng)來自聚合物表面一個鏈的自由基與來自另一個鏈的自由基結(jié)合形成鍵時，就會在聚合物表面發(fā)生交聯(lián)。表面活化作用涉及表面自由基與原子或化學(xué)官能團(tuán)的重組，形成與材料表面官能團(tuán)不同的基團(tuán)，進(jìn)而獲得具有不同性質(zhì)的表面，實現(xiàn)表面改性。等離子體誘導(dǎo)的材料表面功能化可以為表面改性和后續(xù)處理過程提供基礎(chǔ)，如嫁接、黏接以及其他的生物應(yīng)用等，以獲得具有不同特殊性能的材料表面。
 

　　目前，常用的低溫等離子體進(jìn)行塑料表面改性的方法主要有極性基團(tuán)的引入、等離子體引發(fā)的表面聚合反應(yīng)和接枝反應(yīng)，主要目的為改善塑料表面的親水性、提高難黏塑料的黏合度、提高塑料的生物相容性、改善塑料表面的導(dǎo)電性等。
 

　　改變塑料材料表面的親水性

　　等離子體氣體組分的不同會導(dǎo)致等離子體中含有不同的粒子種類，這些粒子與塑料材料表面產(chǎn)生改性作用，使其親水性或疏水性能發(fā)生變化。采用不同組分的氣體可以使等離子體產(chǎn)生不同的活性物種，如采用含氫、含氮或含氧組分作為等離子體氣體或?qū)⒌入x子體氣體載入飽和水蒸氣，則在空氣中對塑料材料進(jìn)行處理時，就會在塑料表面產(chǎn)生大量的極性基團(tuán)，如—NH2、—COOH及—OH等，進(jìn)而改善塑料材料表面的親水性。
 

　　提高材料表面黏合度

　　塑料高分子材料的表面一般為非極性表面，經(jīng)等離子體處理后，可在其表面引入大量基團(tuán)，從而轉(zhuǎn)化為極性表面，有利于黏結(jié)劑和材料之間的相互作用，進(jìn)而提高材料的黏結(jié)度。目前，對等離子體提高塑料黏合度的機(jī)理為：(1)對等離子體處理使表面具有更高的活性和更大的表面能;(2)表面引入的極性集團(tuán)可與黏合劑形成化學(xué)鍵合作用;(3)由于等離子體中高能電子的轟擊作用，材料表面的粗糙度有所增加;(4)等離子體處理可以去除表面的弱邊界層，避免黏合后形成力學(xué)性能差的弱邊界層。
 

　　提高材料的生物相容性

　　近年來，生物醫(yī)用材料如人造血管、血液透析膜等材 料的應(yīng)用越來越廣泛。生命體對醫(yī)用材料的反映主要 取決于材料表面的化學(xué)成分及其分子結(jié)構(gòu)，因此，在要求 生物醫(yī)學(xué)材料具有較好強(qiáng)度、柔韌性等要求的基礎(chǔ)上，還 要求其具有良好的生物相容性，如親水性、透氣性和血溶 性 。等離子體技術(shù)具有殺菌消毒、處理快速、裝置簡單 等優(yōu)勢，逐漸應(yīng)用在多種醫(yī)用材料表面改性技術(shù)中。目前， LTP 處理在生物材料中的應(yīng)用主要包括表面清潔和殺毒、 刻蝕、沉積以及聚合等。
 

　　改變材料表面的電學(xué)性質(zhì)

　　因具有優(yōu)異的電學(xué)性能和力學(xué)性能，聚合物材料已被廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備的制造業(yè)中。當(dāng)其處于電氣系統(tǒng)中時，由于表面具有微小毛刺，使其表面易形成積累電荷，也就是表面電荷。表面電荷的特性如電導(dǎo)率及衰減性能，能夠在一定程度上反映材料表面的電學(xué)性能。表面電荷的存在會影響材料的絕緣性能，可使其周圍電場發(fā)生畸變，極易導(dǎo)致高壓擊穿。表面電荷與材料表面的性質(zhì)密切相關(guān)，因此，可采用表面改性技術(shù)改變材料表面性質(zhì)，改善其電學(xué)性能。
 

　　目前，低溫等離子表面處理技術(shù)作為一種新型的表面處理方法，具有綠色、環(huán)保、快捷及高效等優(yōu)點，已在各種塑料聚合物材料的表面處理過程中得到廣泛應(yīng)用，實現(xiàn)了基于聚合物材料的各類特殊性能，也間接拓寬了聚合物分子的應(yīng)用范圍，具有廣闊的應(yīng)用前景。