高分子材料工程中低温等离子技术的应用

高分子材料工程中低温等离子技术的应用

王志斌

山东方明药业集团股份有限公司 山东省菏泽市 274500

摘要：随着科技的飞速发展，低温等离子技术已经被广泛应用于高分子材料工程，它具有加工简单、环境友好、成本低廉的优势，可以有效地改善高分子材料的表面特性。通过对低温等离子技术的深入研究，本文着重探讨了它在塑料、生物应用材料、多孔材料、环境保护、可持续发展等领域的应用前景和发展趋势。

关键词：高分子材料过程；低温等离子技术；应用

引言

由多种不同的添加剂和改性技术组成的新型高分子物料，其表面性质，如渗透性、吸附性和其他特性，在改变其特性和使其应用性方面发挥着至关重要的作用，从而提升其应用范围和效果，并带来额外的经济效益。

采取传统的表面改性方法，如物理和化学，可能导致原有的结构和功能受到破坏，使得其使用效果受到限制，从而破坏了物料的总体稳定性，而且，使用的“三废”等有毒有害的化学品还可能对环境带来严重的危害。随着技术的进步，许多先进的科学技术已经被用于改变大分子物料的表层特性，其中最具代表性的就是等离子体科技。这种工艺技术可以将物质的温度从2000-4000K之间调节至一个稳定的水平，从而实现对物质的更好的控制。当温度升至一定程度时，大多数高分子材料都可能遭受破坏。然而，等离子体体系的温度要比电离、中子更温，并且它们的温差也更小，同时，等离子体的热量仅限于几微米的层次，所以它们可以有效地保护高分子材料的基体，从而使其具有良好的表面改性能力。通过低温等离子体加工，可以将一些非凝聚有机物质（O2、H2、Ar）转化为具有特定功效的官能团，例如-OH，从而显著地影响和调节高分子材料的物理化学特征。

1 低温等离子体改善高分子材料表面的浸润性

表面等离子体极化子是指入射光与自由电子相互作用时，无金属电子在正离子背景下的定量振荡运动，其载体称为表面等离子体。后来，研究人员发现，当满足某些条件时，当光入射到金属膜表面时，它可以搅动表面等离子体极化子（SPP），这是一种区域化的表面状态电磁运动模式，其中光与离域电子（即自由电子）密切相关。

当金属表面上的电子与来自金属表面的振动电子分离时，形成表面等离子体波（SPW），当电荷密度波沿着电介质和金属之间的界面传播时，形成表面等离子体波（SPW）。SPW是一种TM极化波，其磁场矢量垂直于其自身的乘法方向，电场的矢量垂直于磁场的方向。表面等离子体的共振现象是指当轻金属中的光入射而介电界面的一组条件入射时，金属表面局部电子的一致振荡可以使等离子体波愉悦，从而产生SPP。Evanscent波，也称为aserence波，是当光完全反射到两种介质的界面上时存在于界面附近的一种物理现象，因此也称为表面波。当表面等离子体在通过波和表面等离子体之间共振时，反射端的能量比入射结束时的能量小得多，因为存在表面等离子体共振现象，大部分能量都在金属表面。现在这种现象被应用到光子晶体光纤上，由于其中间光纤芯的缺失而产生晶格缺陷，使电导率的光能主要集中在主传输处，但是当光子晶体光纤充满金属时，在某些特殊条件下，金属SPP模式将具有与传输到原子核的模式相同的传输常数，从而产生等离子体共振。

2 低温等离子技术在高分子材料工程中的应用

2.1低温等离子技术在塑料中的应用

目前，低温等离子技术广泛应用于塑料的改性。这主要涉及聚合物材料，包括聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和聚四氟乙烯等。塑料产品的化学性质稳定和耐低温化学强度，并广泛应用于家用产品。然而，它的燃烧敏感性和吸水性也限制了它的使用范围。使用低温等离子技术处理和植入塑料，以提高燃烧性能。通过甲烷等离子体沉积在塑料制品表面的高度交联聚合物碳膜将有效提高塑料制品的限氧指数，延长炎症时间，降低使用塑料制品的风险。在亲水性方面，采用低温等离子体技术对PTFE材料进行表面处理，并引入丙烯酸等亲水单体，将显著减小PTFE与水的接触角度。

比如高分子材料类塑胶管道的制造，塑料是以单体为原料，通过化学反应聚合而成的高分子化合物，并且其成分和分子式可以自由改变，这个特点就决定了其种类的多样化，但是因为种类决定用途，不同种类的塑料其具体的实际用途也不一样，如果塑料管道是要应用于采暖地、暖热水管道又或者是需要生活用的冷、热水管道等等一系列需要在建筑物内给水的情况下，一般这种塑料的材质可以用高密度聚乙烯、耐热聚乙烯或者聚丁烯等。

2.2低温等离子体在纤维材料表面改性中的应用

经过等离子体技术的改进，纤维桩的表面质量有所改善，它的细节和光滑程度都有所提升，这大大提升了它们的粘接力，相比之前的技术，它们的抗拉和抗压能力都有所增加。此外，等离子体技术改进的纤维桩的弯曲强度也没有出现任何问题，相比之前的技术，它们的性能有所提升。M.T.Kim等人利用低温氧等离子处理技术，对玄武岩纤维素进行X射线X射线衍射（XPS））及SEM技术检验，以探究其表面的物理特征及其对应的结构特征，同时还对其与EP（ep）（聚氨酯）（PE）（聚丙烯）（聚酯））的结构特征进行检验。通过对玄武岩进行等离子体处理，我们发现它的表面受到了严重的腐蚀。在腐蚀过程中，它的表面会分泌一些有机化学元素，如氧原子。这些化学元素会改变它们的组织，从而改善它们的力学特性。通过这种方式，我们可以将玄武岩与环氧树脂的粘接力大大提升，从而达到16%的抗拉强度。研究显示，等离子体技术可以显著改善纤维的性质，特别是在改性亚麻纤维方面。经FTIR、XPS和SEM测试，我们可以看到，这两种技术可以显著提升纤维的光洁度，并在纤维上添加新的官能团，从而提升纤维的耐磨性，并有效地提升纤维的耐腐蚀性。在相似的环境条件下，JoãoGabrielGuimarãesdeFarias发现，使用空气或氧气作为原料，可以有效地提高椰壳纤维的性能。特别是，在80W的处理功率下，将热塑性淀粉添加到椰壳纤维的表层，可以使它的弹性模量和极限拉伸强度大幅提升。随着功率的提升，50W的等离子体技术可以有效地提升复合材料的机械特性，而80W的技术则可以使其提升两倍。此外，通过对比，可以发现，氧气的等离子体技术对于提升纤维表面的改性有着明显的作用。因此，本次实验旨在探讨低频和高频等离子体技术对于提升黄麻纤维的拉伸、弯曲和剪切的机械特性。经过实验证明，采用高频等离子体技术处理的复合材料，其层间剪切强度会在可接受的最大值范围内保持稳定。然而，采用低频等离子体技术处理的复合材料，其层间剪切强度会有所波动，最初会有所提升，但是之后会逐渐下降。

2.3低温等离子技术在生物医用材料中的应用

光纤表面等离子体共振偏振滤波器由于其具备了结构设计方法非常灵活、自身体积小、滤波效果好、滤波范围大等优点,在我国光纤通讯技术领域具有广阔的市场和应用前景,受到人们的重视。低温等离子体技术的应用可以提供聚合物涂层、生物医学材料的结合、优化和改进，通过提高人造器官移植材料的性能来促进医学技术的发展。在动物实验中，采用低温等离子体积累技术的PMMA可在复合材料表面至少控制10%的细胞损伤，低温等离子体技术也可用于生产医用材料，如人工血管壁和血膜，并具有促进改进现有医疗技术和提高治疗效率的作用。

3结束语

总的来说，低温等离子改性技术具有高反应效率、大能量、广泛的应用范围以及环境友好的优势，尽管它也存在一些挑战，如基团复杂、使用寿命短、机理研究困难等，但是，随着分析方法的不断完善，以及高分子材料工程对这项技术的日益增长的需求，我们可以肯定的是，低温等离子技术的未来发展前景十分光明。

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