聚合物表面改性综述

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1、聚合物材料表面与界面学院：材料科学与工程专业：高分子姓名：王清平学号：311106000606指导老师：王晓冬聚合物表面改性综述摘要：聚合物表面由于表面能低、化学惰性、表面被污染以及存在弱边界层等原因，聚合物材料表面常常呈现出表面惰性和憎水性，比如难于润湿和粘合。所以对聚合物表面常常需要进行表面处理，以此来改变其表面化学组成，增加表面能，改善结晶形态和表面形貌，除去污物，增加弱边界层等，以提高聚合物表面的润湿性和黏结性等。聚合物表面改性的方法有很多，如化学改性、表面改性剂法、光改性、力化学改性、偶联剂改性、辐照改性和等离子体

2、改性等等。这些方法一般只引起10~10-1nm厚的表面层的物理变化或化学变化。本章着重介绍聚合物表面改性的一些方法。关键词：聚合物表面改性方法聚乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲都有非常广泛的应用，但是由于这些聚合物表面的亲水性和耐磨损性较差，限制了这些材料的进一步应用。为了改善这些表面性质，需要对聚合物的表面进行改性。聚合物表面改性是指在不影响材料本体性能的前提下，在材料表定的操作，赋予材料表面某些全新的性质，如亲水性、抗刮伤性等。聚合物表面改性方法很多，大体可以分为两类：化学改性和物理改性。化学改性方法主要有溶液处

3、理法、低温等离子体处理法、表面接枝法、离子注入法改性包括机械改性和表面涂覆改性等，这种改性方法不发生化学反应，近年来发展起来的原子力显微探针震荡法就是一种物理改性方法。本文将结合具体聚合物材料详细介绍各种改性方法及其改性机理。化学改性：化学氧化法、化学浸蚀法、化学法表面接枝、含氟高聚物的改性、其他化学改性方法化学氧化法：聚乙烯和聚丙烯是大品种通用高分子材料，但它们的表面能低，如聚乙烯的表面能只有31mJ/m2，属于非极性难粘塑料，这就制约了它们在某些方面的应用。因此，需对它们进行表面改性。化学氧化法是较早的用于对聚烯烃进行表

4、面改性的方法，即用氧化剂处理聚烯烃，使其表面粗糙并氧化生成极性基团在化学氧化法中，酸氧化法是最为常见的一种表面处理方法，常用的强酸性氧化液有：无水铬酸四氯乙烷系、铬酸醋酸系、氯酸硫酸系以及重铬酸盐硫酸系等，其作用原理是：处理液的强氧化作用使聚合物表面分子被氧化，在材料表面层生成羟基、羰基、羧基、磺酸基和不饱和键等极性基团，这些基团的生成，可使聚合物表面活化，使亲油表面活化成亲水表面，达到提高聚合物表面张力的目的；同时弱边界层因溶于处理液中而被破坏，甚至造成分子链断裂，形成密密麻麻的凹穴，增加表面的粗糙度。在酸氧化法当中，

5、最为实用的是重铬酸盐-硫酸体系：氯酸一硫酸系、高锰酸一酸系、无水铬酸～四氯乙烷系、铬酸一醋酸系、重铬酸一硫酸系及硫代硫酸铵一硝酸银系等，其中以后两种体系最为常用。在重铬酸一硫酸体系中，常把重铬酸钾、浓硫酸、水按质量比5：100：8互溶：等。K2Cr2O7+4H2SO4→Cr2(SO4)3+K2SO4+4H2O+3[O]，标准的铬酸洗液配方为重铬酸钾∶水∶浓硫酸(密度为1.84g/cm3)＝4.4:71:88.5(质量)，也可整数化为5.8:100。处理时控制适当的温度、时间是取得最佳效果的必要条件。一般情况为在室温下将聚乙烯

6、、聚丙烯在处理液中浸泡1-1.5h，66-71℃条件下浸泡1-5min，80-85℃处理几秒钟。重铬酸钾和浓硫酸在混合的过程中会产生初生态的[O],它对聚乙烯的表面有强烈的氧化,生成羟基、羰基、羧基等。同时聚乙烯的薄弱界面层因溶于处理液中而被破坏,甚至分子链断裂,形成密密麻麻凹穴,增加材料粗糙度,改善了材料的黏附性。关于重铬酸-硫酸体系对聚乙烯表面的氧化,也有人认为经历了另外一个途径[1]:聚乙烯链上的—H被氧化成—OH,羟基的生成为后续氧化提供了条件,从而在聚合物链中引入了含氧的羰基、羧基等官能团。溶液氧化法处理聚乙烯表面

7、是一个典型的氧化反应,反应的温度和时间对氧化处理有很大的影响,王博等系统的研究了用重铬酸钾-浓硫酸、高锰酸钾-浓硫酸体系处理市售农用聚乙烯薄膜表面时温度和时间对表面性质的影响[2]。实验发现,当氧化体系温度低于30℃时,氧化处理基本不能发生,温度升高,对制备氧化深度大的产品有利,但是过高的温度会使聚乙烯表面萎缩变形,最适宜的温度为45～60℃。当氧化时间少于30min时,氧化程度很小,几乎观察不到,当氧化时间超过30min后,氧化作用明显加强。进一步的研究表明,合适的氧化时间为45min左右。由此可见,表面氧化处理效果和氧化

8、时间、氧化温度之间有一种平衡关系。只有在一定的时间和温度范围内才能得到最佳的效果。用重铬酸盐-硫酸溶液对聚乙烯、聚丙烯处理之后，材料的表面张力增加，与水的接触角减小，润湿性与黏合性大大增加，同时表面形态也发生相应的变化。用光电子能谱、紫外光谱和红外光谱对反应过的表面进行分析，结果表明聚烯烃