等离子体引发聚丙烯膜表面接枝聚合:实验原理

通过等离子体技术引发表面接枝聚合,是不含反应性基团的聚合物材料表面改性的有效方法之一,可赋予聚合物表面高功能化。同化学接枝法、高能电子束辐照接枝法相比,等离子体引发接枝仅限于聚合物表面或很浅的表层,进行等离子体辐照不会对聚合物基材产生本体交联作用,因此不影响聚合物的本体性质。由于可接枝的单体种类繁多、性质不同,因此常常可以通过选择单体在表面引入功能基团,从而改善聚合物性能,如亲水性、疏水性、黏结性等,引入具有生物活性的分子或生物酶,则是提高聚合物材料生物相容性的常用方法。

聚丙烯具有良好的力学性能、电性能、化学性能等,被广泛应用于日常生活、工农业和军事等许多领域。但聚丙烯是典型的非极性聚合物,其亲水性、黏合性、抗静电性以及与其他极性聚合物的相容性差,限制了聚丙烯的应用。在饱和聚丙烯大分子骨架上,利用化学方法进行接枝改性,常用的方法有溶液共聚法、熔融接枝法等,用来接枝的单体主要有马来酸酐、丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯腈、丙烯酰胺、苯乙烯、甲基丙烯酸缩水甘油酯等。然而这些方法通常要求反应温度在200℃左右,易引起聚丙烯的热降解,而且接枝率较低,对反应设备要求较高。通过等离子体引发聚丙烯表面接枝共聚,既能完成化学合成法难以进行的固态表面接枝改性,又无须引发剂即可得到接枝共聚物,接枝单体选择范围更加广泛,接枝率更高。

等离子体引发接枝聚合采用非反应性气体对聚合物材料表面进行等离子体处理,非反应性气体(如H 、He、Ar)等离子体的高能粒子轰击聚合物材料表面时传递能量,使材料表面产生大量自由基。相邻高分子自由基可能复合而交联,也可能脱氢或脱去其他原子而形成双键,或者与等离子体中活性种反应生成一系列新的官能团,与反应器中的氧或处理完毕后接触到空气中的氧反应,从而在高分子材料表面引入含氧官能团。如果高聚物本身含有氧,则由大分子断裂分解而形成大分子碎片,进入等离子体内形成活性氧,其效果与氧等离子体处理相当。所以非反应性气体等离子体处理含氧高分子材料表面时,将出现交联、刻蚀、引入极性基团三者的竞争反应。对于不含氧的高分子材料,只是处理后与空气中的氧作用而引入极性基因。

等离子体引发功能性单体,在聚合物表面接枝通常有三种方法:

①气相法。聚合物表面经等离子体处理后,接触汽化单体进行接枝聚合。此法由于单体浓度低,与材料表面活性点接触机会少,故接枝率低。

②脱气液相法。材料表面经等离子体处理后,不与空气接触,直接进入液态单体内进行接枝聚合。此法可提高接枝率,但同时产生均聚物而影响效果。

③常压液相法。材料经表面等离子体处理后,接触大气,形成过氧化物,再进入液体单体,过氧化物受热分解成活性自由基,从而引发聚合,进行表面接枝改性。

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