高分子材料等离子表面改性

　　塑料是以高分子聚合物为主要成分，添加不同辅料，如增塑剂、稳定剂、润滑剂及色素等的材料，满足人们日常生活的多样化和各领域的需求。因此需要对塑料表面的性质如亲水疏水性、导电性以及生物相容性等进行改进，对塑料表面进行改性处理。
 

　　等离子体是物质的第四态，是由克鲁克斯在1879年发现，并在1928年由Langmuir将“plasma”一词引入物理学中，用于表示放电管中存在的物质。根据其温度分布不同，等离子体通常可分为高温等离子体和低温等离子体(LTP)，低温等离子体的气体温度要远远低于电子温度，使其在材料表面处理领域具有极大的竞争力。
 

　　低温等离子体等离子体的一种，主要成分为电中性气体分子或原子，含有高能电子、正、负离子及活性自由基等，可用于破坏化学键并形成新键，实现材料的改性处理。并且，其电子温度较高，而气体温度则可低至室温，在实现对等离子体表面处理要求的同时，不会影响材料基底的性质，适合于要求在低温条件下处理的生物医用材料。低温等离子体可在常温常压下产生，实现条件简单、消耗能量小、对环境和仪器系统要求低，易于实现工业化生产及应用。低温等离子体技术是一种安全、绿色、环保的技术，可满足当前可持续发展的要求。
 

　　低温等离子体表面处理改性的原理
 

　　低温等离子体在对材料表面处理过程中，材料表面会暴露在由等离子体形成的活性环境中，其中包含大量的活性粒子如高能电子、处于激发态的原子、分子及活性自由基等。图1为低温等离子体在聚合物材料表面改性中的应用原理。
 

　　低温等离子体在塑料聚合物材料表面改性中的应用原理
 

　　低温等离子体对聚合物材料的处理主要包括沉积、刻蚀、表面功能化及交联聚合等。活性粒子和材料表面的相互作用决定了材料的物理和化学表面改性功能。
 

　　当等离子体或材料表面含有挥发性的单体分子时，就会在材料表面产生聚合反应。而等离子体气体为空气、氧气、水蒸气、惰性气体及二氧化碳等不可产生聚合物单体分子的气体时，则主要发生对材料表面的官能团引入，使表面具有不同的性质。采用较高功率或等离子体具有的高能粒子数量较多时，这些粒子及等离子体中的紫外射线会对材料表面产生轰击作用，进而实现材料表面的刻蚀、交联及表面活化等。当来自聚合物表面一个链的自由基与来自另一个链的自由基结合形成键时，就会在聚合物表面发生交联。表面活化作用涉及表面自由基与原子或化学官能团的重组，形成与材料表面官能团不同的基团，进而获得具有不同性质的表面，实现表面改性。等离子体诱导的材料表面功能化可以为表面改性和后续处理过程提供基础，如嫁接、黏接以及其他的生物应用等，以获得具有不同特殊性能的材料表面。
 

　　目前，常用的低温等离子体进行塑料表面改性的方法主要有极性基团的引入、等离子体引发的表面聚合反应和接枝反应，主要目的为改善塑料表面的亲水性、提高难黏塑料的黏合度、提高塑料的生物相容性、改善塑料表面的导电性等。
 

　　改变塑料材料表面的亲水性

　　等离子体气体组分的不同会导致等离子体中含有不同的粒子种类，这些粒子与塑料材料表面产生改性作用，使其亲水性或疏水性能发生变化。采用不同组分的气体可以使等离子体产生不同的活性物种，如采用含氢、含氮或含氧组分作为等离子体气体或将等离子体气体载入饱和水蒸气，则在空气中对塑料材料进行处理时，就会在塑料表面产生大量的极性基团，如—NH2、—COOH及—OH等，进而改善塑料材料表面的亲水性。
 

　　提高材料表面黏合度

　　塑料高分子材料的表面一般为非极性表面，经等离子体处理后，可在其表面引入大量基团，从而转化为极性表面，有利于黏结剂和材料之间的相互作用，进而提高材料的黏结度。目前，对等离子体提高塑料黏合度的机理为：(1)对等离子体处理使表面具有更高的活性和更大的表面能;(2)表面引入的极性集团可与黏合剂形成化学键合作用;(3)由于等离子体中高能电子的轰击作用，材料表面的粗糙度有所增加;(4)等离子体处理可以去除表面的弱边界层，避免黏合后形成力学性能差的弱边界层。
 

　　提高材料的生物相容性

　　近年来，生物医用材料如人造血管、血液透析膜等材 料的应用越来越广泛。生命体对医用材料的反映主要 取决于材料表面的化学成分及其分子结构，因此，在要求 生物医学材料具有较好强度、柔韧性等要求的基础上，还 要求其具有良好的生物相容性，如亲水性、透气性和血溶 性 。等离子体技术具有杀菌消毒、处理快速、装置简单 等优势，逐渐应用在多种医用材料表面改性技术中。目前， LTP 处理在生物材料中的应用主要包括表面清洁和杀毒、 刻蚀、沉积以及聚合等。
 

　　改变材料表面的电学性质

　　因具有优异的电学性能和力学性能，聚合物材料已被广泛应用于电力设备的制造业中。当其处于电气系统中时，由于表面具有微小毛刺，使其表面易形成积累电荷，也就是表面电荷。表面电荷的特性如电导率及衰减性能，能够在一定程度上反映材料表面的电学性能。表面电荷的存在会影响材料的绝缘性能，可使其周围电场发生畸变，极易导致高压击穿。表面电荷与材料表面的性质密切相关，因此，可采用表面改性技术改变材料表面性质，改善其电学性能。
 

　　目前，低温等离子表面处理技术作为一种新型的表面处理方法，具有绿色、环保、快捷及高效等优点，已在各种塑料聚合物材料的表面处理过程中得到广泛应用，实现了基于聚合物材料的各类特殊性能，也间接拓宽了聚合物分子的应用范围，具有广阔的应用前景。