高分子材料低温等离子体改性的研究

论文摘要

高分子材料性能优异、用途广泛,但其应用范围和使用效应往往受到表面性质的制约。因此改善材料的表面性能,比如材料的粘合性能、高分子膜的印刷性、纤维的染色性能等,实现通用高分子材料的功能化是高分子材料研究的重要内容。低温等离子体技术是一种“干化学”技术,既能改善高分子材料的表面性能,又不影响本体的性能,是高分子材料表面改性的一种有效手段。本研究选择典型的疏水性高分子材料包括聚丙烯（PP）非织造布和聚四氟乙烯（PTFE）薄膜,利用常压和真空等离子体设备,研究了等离子体的工作气体、放电气压、处理电压、处理功率、放电频率、处理时间和气体流量等对表面改性的影响。对与工业化技术密切相关的样品处理的均匀性、处理效果的时效性等进行了详细研究,并进行等离子体引发接枝聚合研究。主要结论如下:1、实验发现由于设备的放电形式、织物样品等固有特征,处理后样品的改性效果不均匀,利用经典的接触角方法表征PP非织造布的亲水性能得到的结果离散性大,接触角表征结果与随机取点相关,不适宜表征非织造布类样品的亲水性能。本论文通过实验确定了采用吸水率作为PP非织造布的亲水性能的表征方法,可以有效地对处理效果进行评价。2、常压介质阻挡放电等离子体放电不稳定,难以实现材料表面的均匀处理,而且如果控制不当容易损伤样品。本文针对不同放电条件、不同样品放置方式等因素进行了一系列实验,总结出影响处理效果的关键条件,结果表明:采用惰性气体为工作气体、选用合适的处理强度、样品均匀布置于处理区域和保证放电区域的清洁有利于获得有效、稳定、避免样品受损的处理效果。3、详细研究了决定等离子体性质的各种处理条件如工作气体、放电气压、处理电压、处理功率、放电频率、处理时间和气体流量等对材料表面改性的影响,利用衰减全反射红外光谱（ATR-FTIR）对材料表面的化学结构变化进行分析,采用吸水率、接触角和剥离强度等手段评价材料性能的改性效果。结果表明,不同工作气体对PP非织造布的亲水性和PTFE粘合性能的改善程度有一定的差异。另外,增强处理条件（电压、功率和时间）有利于增强改性效果,但随着处理条件的不断增强,改性效果不再改善,过强的处理条件甚至会对PP非织造布造成损伤。4、时效性是指处理后的样品在放置过程中,处理效果随放置时间衰减的现象。研究不同等离子体改性效果的样品的时效性以及样品在不同放置环境下的时效性发现,较强改性效果的样品衰减较慢,高温环境可加速等离子体改性效果的衰减,样品经水浸泡后,其改性效果大幅度下降。同时,本文从时温等效性角度探讨等离子体的时效性机理,结果表明,等离子体处理的时效性与分子链段的运动有关。5、探讨了等离子体引发接枝聚合及其对克服时效性的贡献:分别在PP非织造布和PTFE薄膜表面接枝丙烯酸或丙烯酰胺,采用ATR-FTIR和扫描电镜（SEM）分析证明已经接枝成功,同时利用称重法和热重分析方法进一步检验接枝结果并计算接枝率。经接枝处理,PP2非织造布的吸水率由接枝前的150%提高至213%,第二次测试吸水率时,未经接枝的样品下降到66%,而接枝后的样品经多次吸水率的测试43天以后仍为202%。仅等离子体处理的PTFE薄膜的接触角是76.5°,放置5天后回复至112°,而接枝丙烯酰胺后降低至34.5°,放置5天后不变。接枝样品可以解决等离子体处理的时效性问题,赋予样品永久的改性效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 高分子材料及其表面改性
• 1.1.1 聚丙烯
• 1.1.2 聚四氟乙烯
• 1.1.3 高分子材料表面改性
• 1.2 等离子体概述
• 1.2.1 等离子体的基本特征
• 1.2.2 等离子体的发生途径
• 1.2.3 等离子体的分类
• 1.3 低温等离子体对高分子材料的表面改性
• 1.3.1 改性原理
• 1.3.2 作用方式
• 1.3.3 等离子体性质对表面改性的影响
• 1.3.4 等离子体表面改性的时效性
• 1.3.5 等离子体引发接枝聚合
• 1.4 等离子体改性非织造布的研究进展
• 1.4.1 非织造布经等离子体处理的种类
• 1.4.2 等离子体处理改善非织造布的性能研究
• 1.4.3 等离子体引发接枝聚合
• 1.5 本文主要研究内容及创新点
• 1.5.1 本文选题意义及研究内容
• 1.5.2 创新点
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验试剂与仪器
• 2.1.1 原料与试剂
• 2.1.2 仪器设备
• 2.1.3 等离子体设备介绍
• 2.2 实验步骤
• 2.2.1 样品预处理
• 2.2.2 等离子体处理
• 2.2.3 等离子体引发接枝反应
• 2.3 性能测试
• 2.3.1 亲水性能
• 2.3.2 粘合性能
• 2.3.3 断裂强度
• 2.3.4 接枝率测定
• 2.3.5 表面化学结构变化ATR－FTIR分析
• 2.3.6 微观形貌变化的观察
• 第三章 介质阻挡放电等离子体设备均匀性处理的优化探讨
• 3.1 影响因素与解决方法的探讨
• 3.2 气体的选用
• 3.3 处理强度的影响
• 3.4 样品布置的影响
• 3.5 放电区域的清洁
• 3.6 小结
• 第四章 等离子体性质对材料表面改性的影响
• 4.1 等离子体性质对聚丙烯亲水性改善的影响
• 4.1.1 工作气体
• 4.1.2 放电气压
• 4.1.3 处理电压
• 4.1.4 放电频率
• 4.1.5 处理时间
• 4.1.6 不同规格的PP非织造布
• 4.1.7 等离子体处理对PP非织造布断裂强度的影响
• 4.2 等离子体性质对聚四氟乙烯改性的影响
• 4.2.1 工作气体
• 4.2.2 气流量
• 4.2.3 处理功率
• 4.2.4 处理时间
• 4.3 小结
• 4.3.1 等离子体性质对聚丙烯亲水性改善的影响
• 4.3.2 等离子体性质对聚四氟乙烯改性的影响
• 第五章 等离子体改性的时效性及等离子体引发接枝聚合
• 5.1 等离子体处理效果的时效性
• 5.1.1 时效性特征
• 5.1.2 时效性的机理研究
• 5.2 等离子体引发聚丙烯非织造布接枝丙烯酰胺
• 5.2.1 实验
• 5.2.2 结果与讨论
• 5.3 等离子体引发聚丙烯非织造布接枝丙烯酸
• 5.3.1 实验
• 5.3.2 结果与讨论
• 5.4 等离子体引发聚四氟乙烯接枝丙烯酰胺
• 5.4.1 实验
• 5.4.2 结果与讨论
• 5.5 小结
• 5.5.1 等离子体处理效果的时效性
• 5.5.2 等离子体引发接枝聚合
• 参考文献
• 发表论文
• 致谢