聚合物的等離子表面改性工藝介紹
等離子體對聚合物、含氟聚合物和其他物料材質(zhì)的表面改性,可以通過(guò)以下四種途徑實(shí)現,這四種途徑是消融、交聯(lián)、活化和沉積。
消融是由于高能粒子轟擊聚合物表面使弱共價(jià)鍵斷裂的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程只會(huì )影響暴露在等離子體中的襯底表面最外面的分子層,這些外面的分子層與等離子體反應生成氣化產(chǎn)物后被抽走。一般情況下,表面的化學(xué)污染物通常都是由弱C—H鍵組成,所以等離子體處理可以去除這些污染物。例如,油膜或注塑添加劑等有機物形成均勻潔凈并具活性的聚合物表面。
交聯(lián)是在聚合物分子鏈之間建立了化學(xué)鏈接。惰性氣體等離子體可用來(lái)交聯(lián)聚合物,形成耐磨損或耐化學(xué)腐蝕性的更堅固表面。醫療設備包括醫用導管、臨床儀器和隱形眼鏡等,都得益于等離子體引發(fā)的交聯(lián)反應。這種化學(xué)反應也可以用氟或氧原子代替聚合物表面部分的氫原子。氬氣或氦氣等惰性氣體,由于其化學(xué)性質(zhì)為惰性,所以它們不會(huì )與表面結合或發(fā)生表面化學(xué)反應,相反,他們會(huì )通過(guò)傳遞能量打斷聚合物鏈中的化學(xué)鍵,被打斷的聚合物鏈生成了能與其活性部分重組的“懸空鍵”,從而形成明顯的分子重組和交聯(lián)。聚合物表面生成的“懸空鍵”很容易發(fā)生嫁接反應,這種技術(shù)工藝已經(jīng)應用到了生物醫學(xué)技術(shù)中。
激活是等離子體化學(xué)基團替換表面聚合物基團的過(guò)程。等離子體把聚合物中的弱鍵打斷,并用等離子體中高活性羰基、羧基、和羥基將其替換;此外,等離子體還可以用氨基或其他功能基團來(lái)激活,結合到表面內的化學(xué)基團的類(lèi)型將決定基底材料性能的最終變化,而表面上的活性基團改變表面性質(zhì),如潤濕性、黏著(zhù)性等。
等離子體聚合是一個(gè)把許多稱(chēng)為單體的可交聯(lián)小分子結合成大分子的過(guò)程。聚合過(guò)程涵蓋了許多種氣體參與的反應,形成揮發(fā)性的聚合物薄膜。在氣相中或材料表面上的單體會(huì )被分解和激活并形成新的分子活性基團遷移到表面,在那里吸附并脫離氣相。每個(gè)吸附都代表了一個(gè)沉積的過(guò)程。被吸附的分子隨后在表面進(jìn)行離子或自由基聚合交聯(lián),形成一層薄膜。在薄膜形成的過(guò)程中,新形成的表面原子和分子會(huì )受到來(lái)自氣相基團的轟擊和等離子體中的電磁輻射。經(jīng)典的聚合物具有活性結構,如允許互相鍵合的雙鍵等。甲基丙烯酸甲酯的雙鍵為聚甲基丙烯酸甲酯的形成提供了位點(diǎn),這是在等離子體處理條件下可聚合分子形成聚合物的一個(gè)眾所周知的例子。
等離子體技術(shù)手段也可以使采用傳統化學(xué)方法通常不能聚合的材料形成聚合物。等離子體能夠將缺乏鍵合位點(diǎn)的氣體分子分解成新的、具有活性的組分,這些組分隨后就可能發(fā)生聚合。脂肪質(zhì)和芳族聚合物在等離子體中沉積形成薄膜時(shí),所有飽和或不飽和的單體,甚至常規聚合技術(shù)中抗聚合的單體,都能被聚合。由于等離子體聚合過(guò)程是一個(gè)復雜的物理和化學(xué)過(guò)程,它對等離子體過(guò)程參數有較強的依賴(lài)性,因此在沉積過(guò)程中可以通過(guò)控制等離子體參數實(shí)現對生成薄膜性質(zhì)的控制,使之具有不同特征。例如,在基底表面生成黏附性很好的薄膜或得到很好的薄膜表面強度。