低温等离子体技术在塑料高分子材料工程领域中的应用

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1、低温等离子体技术在塑料高分子材料工程领域中的应用陈杰瑢刘春叶王琛（西安交通大学环境科学与工程系，西安710049）摘要综述了作者近年来采用低温等离子体技术对塑料高分子材料改性的应用基础研究工作，包括等离子体表面改性、等离子体聚合、等离子体引发聚合反应在印刷、涂层、粘接、表面硬化膜、生物材料、改善荒漠化、微流控芯片、固定化酶、灭菌消毒多方面的研究新进展。关键词低温等离子体塑料高分子材料应用技术1前言塑料高分子材料的表面特性对产品的性能有重要影响，其诸多功能与表面特性相关，如水润湿性、防水性、粘结性、着

2、色性、吸附性、生物相容性、抗菌性、润滑性、防静电、防污性、防曇性、印刷涂装性等等。通过对塑料高分子材料的表面改性可获得高功能高附加价值的产品，然而传统的化学、物理方法会使塑料基质受损，力学强度下降，使用性能劣化，很难取得塑料高分子材料整体特性均衡的效果，且化学药品的大量使用，产生严重的二次污染。人类生存环境的深刻问题和经济、社会可持续发展的迫切需要，给当代材料加工技术提出了一个深刻的课题：寻求节水、省能、低成本、无二次环境污染的新方法，有效扼制环境劣化迫在眉睫。近年来，对应于人类生存环境和可持续发展

3、的要求，低温等离子体技术在塑料高分子材料领域中的应用引起极大关注。2等离子体化学技术的特征等离子体化学是使物质通过吸收电能进行的气相干式化学反应，具有节水省能无公害、有效利用资源、有益环境保护的绿色化学特征。利用等离子体活性物种（电子、离子、自由基、紫外线）具有的高活性，可以实现一系列传统化学和水系处理法所不能实现的新的反应过程，其反应具有鲜明特点：①速度快：气体放电瞬间发生等离子体反应；②温度低：接近常温，特别适于塑料高分子材料；③能量高：等离子体是具有超常化学活性的高能粒子，在不添加催化剂的温和

4、条件下即可实现传统热化学反应体系所不能实现的反应（聚合反应）；④广适性：适用于各种塑料高分子材料的多种用途的改性；⑤功能强：仅涉及塑料高分子材料浅表面（＜10-8m），可在保持材料自身特性的同时，赋予其一种及以上新的功能；⑥环保型：等离子体作用过程是气-固相干式反应，不消耗水资源、无需添加化学试剂，对环境无残留物，具有绿色环保特征；⑦低成本：装置简单，易操作维修，可连续运行。因此，采用等离子体塑料改性技术可能克服传统方法使用中的缺陷，实现塑料加工的生态产业。国际科学界早在20世纪80年代就预言，低温

5、等离子体技术是21世纪最有希望在各个领域取代传统湿法化学加工工艺的革新技术。21世纪科学技术飞跃发展的事实表明，等离子体科学技术已在材料、能源、信息、化工、物理、医学、军工、航天等领域显示了强大的生命力，在塑料高分子材料领域适用的主要是低温等离子体。在常规塑料高分子材料后加工中等离子体的应用可能性国内外已有许多报导，各种塑材的高功能化高附加价值化加工、医用材料的生体适应性、制剂的缓释控释、材料表面涂层、反渗透膜与气体分离膜的制备、超高分子量化合物的合成、低温灰化分析技术等等。但是，这些研究目前仍然处

6、于零星、分散的实验阶段，且已有的研究所讨论的都是等离子体中各种活性物种（电子、离子、自由基等）混合存在，同时作用于塑料高分子表面的综合效应。如何强化等离子体对塑料高分子表面功能化改性有效的主反应？作为工业化应用强调技术的稳定性。因此，如何实现电子、离子与自由基分离的状态，建立可选择性等离子体处理方法？探索在等离子体氛围中材料表面特性变化规律与机理，开拓塑料高分子材料后加工技术的新途径是一个亟待解决的技术内涵十分丰富的崭新课题。在塑料替代各种工业材料迅速发展的今天，这一领域的研究必将更加活跃。本文论述

7、了等离子体技术在塑料高分子材料改性方面作者的最新研究进展。3低温等离子体技术在塑料高分子材料领域中的应用3.1印刷、涂层、粘接加工的应用[1]低温等离子体处理塑料高分子材料可显著改善材料表面自由能，使材料表面润湿性发生变化。材料表面润湿性与粘接、印刷、涂饰的难易有密切的关系。表1是O2、Ar、NH3、He、CH4、H2等离子体处理的聚四氟乙烯（PTFE）高分子材料表面自由能变化结果。Table1SurfaceTensionofPTFEFilmTreatedWithLowTemperaturePlas

8、maaPlasmaTreatmentSurfaceTension(mN/m)ZismanPlotExtendedFowkesEquationγc(Zisman)γc(max)γs(C)γsaγsbγscUntreated20.020.020.420.00.40.0　　　O220.020.020.119.80.30.0　　　Ar22.028.028.119.75.92.5　　　NH331.031.032.123.75.82.6　　　He24.032.532.723.86