聚合物改性 第五章 高分子材料的表面改性.pptVIP

第五章 高分子材料的表面改性 高分子材料具有一系列优异的综合性能，已成为现代工业和尖端科学不可缺少的重要材料之一。 由于高分子材料不含活性基团，结晶度高，表面能低、化学惰性、表面污染及存在弱边界层等原因使之存在难以润湿和黏合等问题，因此必须对高分子材料表面进行处理，以提高其表面能，改善其润湿和黏合性等。 5.1 电晕放电处理 电晕处理广泛用于高分子材料薄膜印刷、复合和黏接前的表面预处理。 电晕放电处理(又称电火花处理)是将2～100千伏、2～10千赫的高频高压施加于放电电极上，电极间产生的大量等离子气体及臭氧与高分子材料表面分子直接或间接作用，从而达到表面处理的目的。 处理后，高分子材料表面分子链上产生羰基和其它含氧基团，表面张力明显提高；而强烈的离子冲击会使高分子材料表面粗化，以及油污、水气和尘垢的除去，这样高分子材料表面的黏附性明显改善。 5.1 电晕放电处理原理 影响电晕处理效果的因素有处理电压、频率、电极间距、处理时间及温度。 5.1.2 电晕放电处理结果 A, LDPE膜; B, 空气中电晕处理膜（处理时间90s，能量7.6 W cm-2） 表5-1电晕放电强度对LDPE分子构成的影响 表5-2 LDPE 膜的表面自由能与辐射强度的关系 （4）润湿性 经电晕放电处理后高分子材料表面引入了含氧极性基团，使其表面润湿性得到改善。 5.2 火焰处理与热处理 所谓火焰处理就是采用一定配比的混合气体，在特别的灯头上烧，使其火焰与高分子材料表面直接接触的一种表面处理方法。 火焰中含有处于激发态的O、NO、OH和NH等，这些基团能从高分子材料表面把氢抽取出来，随后按自由基机理进行表面氧化，形成很薄的氧化层，使高分子材料表面产生羟基、羰基、羧基等含氧基团和不饱和双键，甚至发生断链反应，消除弱的边界层，使材料的润湿性和黏接性改善。 一般情况下，火焰处理时，将高分子材料加热到稍低于热变形温度，并保持一定时间即可（一般为0.01～0.1s）。 5.3 离子注入表面改性技术5.3.1? 离子注入的特点 离子注入(Ion implantation)就是将工件放在离子注入机的真空靶室中，在几十至几百千伏的电压下，把所需元素离子注入到工件表面，形成一层在组织和结构上都不同于底材的注入层，从而改善材料性能。 离子注入材料表面改性有其无可比拟的优越性，主要有如下几方面： (1)原则上可以将任何元素注入到固体中，注入元素的种类、能量和剂量均可选择，并能精确控制。 (2)基体材料不受限制，不受传统合金化规则如热力学、相平衡和固溶度等物理冶金学因素的制约，可获得其他方法不能得到的新合金相 (3)注入元素进入基体后呈高斯分布，不形成新的界面; (4) 离子注入处理可以在接近室温的条件下进行，不存在热变形问题; (5)离子注入处理是在高真空条件下进行的，不受环境影响，基体外表没有残留物，能保持原有的外廓尺寸精度和表面光洁度，特别适合于高精密部件的最后工艺。 5.3.2?离子注入改性的机理 离子注入对高分子材料的改性，是通过离子注入使材料的结晶、组分以及分子空间位置的变化来实现的，是一种采用物理方法来达到化学目的的手段。 5.3.2?离子注入改性的机理 （2）在离子注入过程中，表面形貌发生很大变化。 5.3.2?离子注入改性的机理 （3）高分子材料受离子轰击，碳氮、碳氢及碳氧键被打断，表现出新化学键形成和大分子构成元素的变化。 5.3.2?离子注入改性的机理 （4）离子注入不只产生断链和交联，而且产生导致新化学键形成的微合金。X射线衍射分析表明，离子束合金导致化学交联，未饱和的强共价结合和随机分布类金刚石四方结合，导致产生坚固表面的三维刚性梯状结构。 5.3.2?离子注入改性的机理图5-10 氮离子注入后PTFE表面的EDX谱 注入样品剂量：2×1016 ions／cm2 5.3.3离子注入在高分子材料表面改性中的应用 （1）离子注入提高表面硬度，增强抗磨损性能 离子注入引起聚合物断链、交联，产生自由基和挥发性物质，最后出现一个富碳层，聚合物化学配比和结构的变化，也引起了聚合物表面力学性能的变化。 2）导电性的改善 离子注入时由于富碳层的形成，使注入膜的电阻率大幅度的降低，有效地改善高分子材料导电性或表面抗静电性，使高分子材料在光敏材料、光电池等领域获得应用。 （3）光学、磁学等性质的改善 因离子注入引起聚合物结构的变化，而结构的变化又引起聚合物膜光学和磁学性质的变化。 5.4难黏高分子材料的化学改性 聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)等聚烯烃和聚四氟乙烯(PTFE)类含氟高分子材料，若不经特殊的表面处理，是很难用普通胶黏剂黏接的，这类材料通常称为难黏高分子材料或难黏塑料。 1）表面能低，临界表面张力一般只有31