高分子的表面改性资料.ppt

第7章 聚合物的表面改性 聚合物表面（1）表面能低（2）化学惰性（3）表面污染及存在弱边界层等原因，往往难以润湿和粘合。因此，常常要对聚合物进行表面处理。 除了润湿和粘合性能，还包括:涂膜性、可染性、抗静电性、印刷性、防雾滴性能、生物相容性等许多方面。 一般，讨论聚合物的表面改性，往往涉及表面能增大方面。但事实上，也还有从表面能减小的方向进行改性，以达到具有防污性的目的。 聚乙烯手提袋的印刷 ● 表面物理性能：接触角，表面张力的测试； ● 表面处理效果：性能的改进（粘结强度，印刷性、染色性、表面电阻率等） ● 表面形貌：电子显微镜观察（SEM、AFM）； ● 表面化学组成：X射线光电子谱（X射线光电子能谱仪 XPS/ESCA，FTIR－ATR）； XPS （X-ray photoelectron spectroscopy） XPS Characteristics and limitations XPS Analysis of Pigment from Mummy Artwork Analysis of Carbon Fiber- Polymer Composite Material by XPS 表面改性的方法 ● 电晕放电处理: 氧化 ● 火焰处理: 氧化 ● 化学改性: 氧化, 粗糙化表面 ● 等离子体改性: 交联,引入官能团等 ● 辐照改性: 引入不同的聚合物链 ● 光化学改性: 引入不同的聚合物链 ● 力化学改性: 引入不同基团或聚合物链 ● 偶联剂改性: 引入不同基团 7.1 电晕放电处理 ● 聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃是非极性材料，有高度的结晶性，其表面的印刷、粘接、涂层非常困难。电晕放电因简便易行，处理效果好，是聚烯烃薄膜中最常用的表面处理方法。 ● 电晕放电装置示意图 当施加高压电时，局部发光放电，产生电子、正离子、负离子。结果在阳极和阴极之间产生电晕。 电晕的危害：1. 输电线上如果有电晕发生，则会有电晕电流，引起电力损耗；2. 电晕放电具有脉冲的性质，会对广播电视产生干扰；3. 强的电磁场会对人体健康产生影响，可能引起血压和脉搏的变动、心脏无节律波动、易于激动和疲劳等。 ● 这些高能粒子与聚合物表面作用，使聚合物表面产生自由基和离子，在空气中氧的作用下，聚合物表面可形成各种极性基团，因而改善了聚合物的粘接性和润湿性。电晕处理可使薄膜的润湿性提高，对印刷油墨的附着力显著改善。 7.2 火焰处理和热处理 ● 火焰处理是用可燃性气体的热氧化焰对聚合物表面进行瞬间高温燃烧，使其表面发生氧化反应而达到处理的目的。 可燃性气体通常采用焦炉煤气、甲烷、丙烷、丁烷、天然气和一定比例的空气或氧气； 瞬间：0.01~0.1s内；高温：1000~2700 ℃； 氧化过程按自由基机理进行，表面可被氧化引入含氧基团，并随着发生断链反应。 ● 聚合物表面经火焰处理处理后，粘接性和可润湿性得到改善。 7.2 火焰处理和热处理 火焰处理的原理：火焰中含有许多激活的自由基、离子、电子和中子，如处于激发态的O、NO、OH和NH等。这些基团能从夺取聚合物表面的氢，随后按自由基机理进行表面氧化反应，使聚合物表面生成羰基、羧基、羟基等含氧活性基团和不饱和双键，从而提高聚合物的表面活性。 聚乙烯、聚丙烯的薄膜、薄片，吹塑的瓶、罐、桶等常用火焰处理来提高其表面的印刷性和粘结性。 研究表明，聚乙烯表面经火焰处理后，表面的含氧量可达16.6％，且表面含氧量随火焰强度的增加而增多。火焰的氧化深度大于12nm，火焰处理后表面出现C－O，C＝O，COO－等基团，表面能增大，与水的接触角减小，与环氧树脂的粘结强度从4.2MPa提高到14.9MPa。 热处理是把聚合物暴露在热空气中进行氧化反应，使其表面被引进羰基、羧基以及某些胺基和过氧化物，从而获得可润湿性和粘结性。热处理的温度只有几百度（500℃），远低于火焰处理的温度，因而处理时间较长。 聚合物中常常加有抗氧剂，抗氧剂对火焰氧化没有影响，对热氧化却有很大影响。抗氧剂可消除热氧化产生的聚合物自由基而使整个氧化反应淬灭，因而阻止热氧化的进行；火焰氧化是由存在于火焰中的自由基引发的，由于火焰中的自由基快速产生，大量存在，聚合物自由基的产生已不是速度决定步骤，所以抗氧剂对火焰氧化没有影响。 火焰处理和热处理的优点是设备要求不高，工艺简单，处理成本低，处理效果好，工业上应用较广。但处理大型或结构复杂的制品比较困难，高温下稍有不慎，制品易发生变形。 7.3 化学改性 ● 化学处理是使用化学试剂浸渍聚合物，使其表面发生化学的和物理的变化。 7.3