聚合物的表面改性.ppt
聚合物材料的表面改性技术及应用
聚合物材料的表面改性技术及应用引言：聚合物材料在现代工业中起着重要的作用，然而，由于其表面性质的限制，其应用受到了一定程度的限制。
为了克服这一问题，科学家们开发了各种表面改性技术，使聚合物材料具有更广泛的应用领域。
本文将介绍一些常见的聚合物材料表面改性技术及其应用。
一、化学改性技术化学改性技术是通过在聚合物材料表面引入新的化学官能团，改变其表面性质的方法。
其中，最常用的方法是表面接枝聚合。
通过在聚合物表面引入具有特定官能团的单体，然后进行接枝聚合反应，可以改变聚合物表面的化学性质。
这种方法可以使聚合物表面具有更好的亲水性、抗菌性等特性，从而扩展其应用领域。
例如，将聚合物表面接枝亲水性单体，可以制备具有良好润湿性的聚合物薄膜，用于医疗器械、食品包装等领域。
二、物理改性技术物理改性技术是通过物理方法改变聚合物材料表面的性质。
其中，最常用的方法是表面涂覆。
通过在聚合物表面涂覆一层具有特定性质的材料，可以改变其表面的光学、电学、热学等性质。
例如，将聚合物表面涂覆一层导电性材料，可以制备具有导电性能的聚合物薄膜，用于电子器件等领域。
此外，还可以利用等离子体处理、激光照射等方法对聚合物表面进行改性，以提高其光学、机械性能等。
三、纳米改性技术纳米改性技术是利用纳米材料对聚合物表面进行改性的方法。
纳米材料具有较大的比表面积和独特的物理、化学性质，可以在聚合物表面形成纳米尺度的结构，从而改变其性质。
例如，将纳米颗粒添加到聚合物中，可以增强其力学性能和耐磨性。
此外，还可以利用纳米粒子自组装技术制备具有特定结构和功能的聚合物薄膜，用于传感器、光学器件等领域。
四、应用前景聚合物材料的表面改性技术为其应用领域的拓展提供了新的可能。
通过改变聚合物材料的表面性质，可以使其具有更好的耐磨性、抗菌性、润湿性等特性，从而适用于更广泛的领域。
例如，在医疗器械领域，利用聚合物材料的表面改性技术可以制备具有抗菌性能的医疗器械，从而降低感染风险。
聚合物表面改性
聚丙烯的表面张力,已知 例：计算聚四氟乙烯（PTFE)和(PP)聚丙烯的表面张力 已知： 计算聚四氟乙烯（ 和 聚丙烯的表面张力 已知： VPTFE=45.5cm3/mol;Vpp=46.2cm3/mol 解：
• 聚四氟乙烯 ∑Fs=2×150=300 Ns=6 σPTFE=0.327[300/6]1.85[ 6/45.5]1.52 =21×10-3N/m 实验值18.4×10-3N/m
σ c = 0.327[(∑ F ) s / ns ]
1.85
(n
s
/ Vm , s )
1.52
(6-25)
ns为高聚物重复单元的原子数，Vm,s为重复单元摩尔体积， 为高聚物重复单元的原子数， 为重复单元摩尔体积， (∑F)s为重复单元 (∑F)s为重复单元Small色散力的加和。 为重复单元Small色散力的加和 色散力的加和。
σ＝(P/V)4=(220.8/86.5)4=42.8×10-3 N/m =42.8× 实测值为40.2 实测值为40.2 mN/m
分子中电子数愈多、原子数愈多、原子半径愈大， 分子中电子数愈多、原子数愈多、原子半径愈大，分子愈 易变形。 易变形。瞬时偶极可使其相邻的另一非极性分子产生瞬时诱导 偶极，且两个瞬时偶极总采取异极相邻状态， 偶极，且两个瞬时偶极总采取异极相邻状态，这种随时产生的 分子瞬时偶极间的作用力为色散力(因其作用能表达式与光的 色 散公式相似而得名) 虽然瞬时偶极存在暂短， 散公式相似而得名)。虽然瞬时偶极存在暂短，但异极相邻状态 却此起彼伏，不断重复，因此分子间始终存在着色散力。 却此起彼伏，不断重复，因此分子间始终存在着色散力。无 疑，色散力不仅存在于非极性分子间，也存在于极性分子间以 色散力不仅存在于非极性分子间， 及极性与非极性分子间。 及极性与非极性分子间。 色散力存在于一切分子之间。 色散力存在于一切分子之间。色散力与分子的变形性有 变形性越强越易被极化，色散力也越强。 关，变形性越强越易被极化，色散力也越强。
聚乙烯的改性研究
交联聚乙烯 （CLPE ）
采用辐射法（X射线、电子射线或紫外线照射等）或 化学法（过氧化物或有机硅交联）使线型聚乙烯成为 网状或体型的交联聚乙烯。PE 的辐射交联反应为自由 基链式反应, 反应过程可分为三 步: (1) PE 高分子链在 辐照作用下生成初级自由基和活泼氢原子; (2) 活泼氢 原子可继续攻击PE, 再生成自由基; (3) 大分子链自由
但是它有一致命缺点: 对于环境应力(尤其是化学和机械作 用) 很敏感，耐热老化性差。
聚乙烯的改性品种
主要包括: 氯磺化聚乙烯 交联聚乙烯 共混改性聚乙烯
氯磺化聚乙烯（CSM）
氯磺化聚乙烯是美国杜邦公司首先实现工业化生
产的。氯磺化聚乙烯由低密度聚乙烯或高密度聚 乙烯经过氯化和氯磺化反应制得。
氯磺化聚交联法 : 在实验室试验时，主要用γ射线。工业上，
常用大型电子加速器产生的电子束来使 聚合物发生交联。辐射交联主要是使用 高能射线打断PE中C 一C 键和C 一H 键 所产生的自由基来引发交联的。
在进行交联反应时，需要加入增敏剂和敏 化剂。增敏剂一般为多官能团单体, 可增 大交联反应的比例；敏化剂一般为活泼 小分子, 作用为加速辐射交联反应。常用
瞬间短路温度/℃
－
软化温度/℃
105－115
体积电阻率
10（17)
介电强度
20-35
耐候性
差
耐老化性
一般
耐油性
一般
低温脆化性
一般
交联聚乙烯 0.92 90 250
10（17） 35－50 一般 优良 优良 优良
交联聚乙烯的生 产
绝 缘 电 缆
交 联 聚 乙 烯
共混改性聚乙烯
第三章聚合物的表面改性 材料表界面课件
interface will influence its properties.
-C-C-
Woven carbon fiber composite
-C-O -C=O
XPS limitations:
1. Inability to detect hydrogen (H) and Helium (He) 2. X-Ray beam diameter is wider (limit is about 150
。
3.3.2 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⻋ 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。
或单体在等离子体的作用下发生反应。
聚合物表面与氧等离子体发生的反应：
□ CO2，CO，H2O及其它含氧的气体在等离子状态下也 可分解为原子氧，也具有氧等离子作用。
□ 等离子体表面氧化反应是自由基连锁反应，反应不仅引 入了大量的含氧基团，如羰基，羧基及羟基，而且对材 料表面有刻蚀作用。
□ 氮等离子体中有N，N+，N-，N*等活性粒子,与聚合 物 表面自由基反应,引入含氮的活性基团。
Electromagnetic spectrum
Various processes (b, c) can take place after hole generation (a)
Why UHV for Surface Analysis?
■
Degree of Vacuum
聚合物材料的表面改性方法
聚合物材料的表面改性方法聚合物材料是一类具有广泛应用前景的材料，具有质轻、高强度、耐腐蚀等特点。
然而，由于其表面的化学稳定性较差，导致其在某些特殊环境下容易受到损伤。
为了改善聚合物材料的性能，人们通过表面改性方法对其进行处理，并赋予其更多的功能。
本文将介绍一些常见的聚合物材料的表面改性方法。
物理气相沉积（PVD）是一种常见的表面改性方法。
通过将金属等材料以适当的气氛转变为气体态，然后使其在高真空环境中与聚合物材料表面发生反应，从而形成一层新的材料。
PVD能够显著提高聚合物材料的硬度、耐磨性和耐腐蚀性。
此外，PVD还可以通过控制沉积参数来调节材料层的粗糙度和结构，从而实现对材料性能的精确调控。
化学沉积是另一种常见的聚合物表面改性方法。
化学沉积利用化学反应使金属或其他材料以原子或分子的形式沉积在聚合物材料的表面上。
与物理气相沉积不同，化学沉积可以在常压或低压下进行。
化学沉积能够根据反应条件的不同，形成不同厚度、形貌和成分的材料层，从而使聚合物表面的性能得到改善。
例如，通过化学沉积薄层二氧化硅，可以增强聚合物材料的耐候性和耐磨性。
离子注入是一种通过将离子注入到聚合物表面来改变其性能的方法。
离子注入可以显著改变聚合物的化学结构和表面性质，从而实现对材料性能的调节。
通过控制注入的离子种类和能量，可以使聚合物材料表面发生化学反应，形成新的摩擦性能、光电性能等。
离子注入方法具有对材料表面改性效果持久、成本低廉等优点，因此得到了广泛应用。
高能束流 (EB) 辐照是一种利用电子束对聚合物材料进行表面改性的方法。
在高能束流辐照下，能量较高的电子束穿透聚合物材料，与其分子相互作用，从而引发一系列化学反应。
这些反应可以引起预期的表面改性效果，如增加表面粗糙度、提高耐久性和改善光学性能等。
由于高能束流辐照能够实现材料的局部改性，因此在一些特定应用中得到了广泛应用。
总之，聚合物材料的表面改性是提高其性能的重要途径。
通过物理气相沉积、化学沉积、离子注入和高能束流辐照等方法，可以赋予聚合物材料更多的功能性和改善其性能。
聚合物改性(完整版)
聚合物改性的目的、意义；聚合物改性的定义、改性的方法（大分类和小分类）答：改性目的及意义：①改善材料的某些物理机械性能②改善材料的加工性能③降低成本④赋予材料某些特殊性能、获得新材料的低成本方法⑤提高产品技术含量，增加其附加值的最适宜的途径⑥调整塑料行业产品结构、增加企业经济效益最常采用的途径聚合物改性的定义：通过各种化学的、物理的或二者结合的方法改变聚合物的结构，从而获得具有所希望的新的性能和用途的改性聚合物的过程改性的方法：①化学改性：a、改变聚合物的分子链结构b、接枝、嵌段共聚、互穿聚合物网络、交联、氯化、氯磺化等②物理改性：a、改变聚合物的高次结构b、共混改性、填充改性、复合材料、表面改性等1.化学改性（改变分子链结构）和物理改性（高次结构）的本质区别答：化学改性—改变聚合物分子的链结构物理改性—改变聚合物分子的聚集状态2.共混物和合金的区别答：共混（指物理共混）的产物称聚合物共混物。
高分子合金：不能简单等同于聚合物共混物，高分子合金---指含多种组分的聚合物均相或多相体系，包括聚合物共混物、嵌段和接枝共聚物，而且一般言，高分子合金具有较高的力学性能。
工业上称：塑料合金。
3.共混改性的分类（熔融、溶液、乳液、釜内）答：分类一：化学方法：如接枝、嵌段等；--化学改性物理方法：机械混合、溶液混合、胶乳混合、粉末混合---混合物理-化学方法---反应共混分类二：熔融共混：机械共混的方法，最具工业价值，是共混改性的重点；溶液共混：用于基础研究领域，工业上用于涂料和黏合剂的制备；乳液共混：共混产品以乳液的形式应用；釜内共混：是两种或两种以上聚合物单体同在一个反应釜中完成其；聚合过程，在聚合的同时也完成了共混。
4.共混物形态研究的重要性5.共混物形态的三种基本类型（均相、海-岛、海-海）答：均相体系：一般本体聚合、溶液聚合才形成均相体系非均相体系：①海-岛结构：连续相+分散相（基体）②海-海结构：两相均连续，相互贯穿6.相容性对共混物形态结构的影响答：①在许多情况下，热力学相容性是聚合物之间均匀混合的主要推动力；良好的相容性是聚合物共混物获得良好性能的重要前提。
9. 聚合物复合材料与增强体表面改性-2015
9.2.2 玻璃纤维表面处理技术
（1）热处理 就是利用高温使玻璃纤维表面的原有胶料氧 化分解，同时除去玻璃纤维由于储存而吸附的水。 如果是纺织型浸润剂处理的玻璃纤维，高温下 还可除去其润滑油。
王赫，等. 绝缘材料，2007
20
9.2.2 玻璃纤维表面处理技术
(2)酸碱刻蚀处理
酸碱刻蚀处理 是通过酸碱在玻纤表面进行化学反应形成一些凹陷或微孔。
(4). 玻璃纤维增强聚碳酸酯 聚碳酸酯是一种钢韧相兼的工程塑料，但容易产生应力开裂、 耐疲劳性能差。加入玻璃纤维后疲劳强度提高2－3倍，耐应 力开裂性能提高6－8倍，耐热性提高10－20oC，线膨胀系 数减少，适合做耐热的机械零件。
9
(5). 玻璃纤维增强聚酯 机械强度较其他玻璃纤维增强热塑性塑料均高耐热性提高 幅度最大，85oC－240oC，耐热度最高在高温下易水解， 不适合在高温水蒸气下使用
5
Байду номын сангаас
各种玻璃钢与金属性能的比较
6
B. 玻璃纤维增强热塑性塑料（FR-TP)
热塑性塑料：聚酰胺、聚丙烯、低压聚乙烯、ABS树脂、聚甲醛、聚碳酸酯 聚苯醚
几种典型金属及FR-TP的强度对比
7
(1). 玻璃纤维增强聚丙烯（FR-PP）
玻璃纤维大大提高聚丙烯的机械强度，短切玻璃纤维增加到30 －40％时，强度达到100MPa，并能改善聚丙烯的低温脆性。 FR-PP吸水率小，在水中长时间煮对强度影响不大。
颗粒等）
层压
粘合
2
9.1.1 聚合物基复合材料的种类和性能
1、聚合物基复合材料的优点 a. 具有比较高的比强度和比模量，可以和常用的金属材料进行比较，
力学性能相当出色。 b. 抗疲劳性能好， 纤维与基体的界面能够阻止裂纹的扩展，在破坏
聚合物表面改性的技术手段及其应用
聚合物表面改性的技术手段及其应用聚合物是一种非常重要的高分子材料，广泛应用于工业、医疗和生活中。
然而，由于聚合物的物化性质和表面特性不稳定，需要对聚合物进行改性以提高其性能，使之更符合实际应用需求。
其中，聚合物表面改性技术是最具有效性和实用性的手段之一。
本文将介绍聚合物表面改性的技术手段及其应用。
1. 聚合物表面改性的技术手段1.1 化学表面改性化学表面改性是一种通过化学反应来将物质附着到聚合物表面的方法，从而改变聚合物表面的特性。
通常采用的化学表面改性方法包括：酸碱处理、溶液浸润、化学键结合等。
例如，微波辐射方法可用于对聚乙烯表面进行氧化改性，将氧原子的引入到聚合物表面，增加其亲水性。
1.2 物理表面改性物理表面改性是一种通过物理手段来改变材料表面性质的方法，可通过改变表面形貌、纹理、颜色、色泽等方面来改变物质表面性质。
例如，凸点纳米表面可增强材料的粘附性、硬度和磨损性，从而提高材料的性能。
1.3 光化学表面改性光化学表面改性是一种以光为驱动力通过化学反应来改变材料或材料表面性质的方法，可用于材料的光降解、光合成、光催化等。
例如，光降解技术可将有机分子通过可见光辐照分解成无害物质，减少聚合物的环境污染。
2. 聚合物表面改性的应用2.1 材料涂层聚合物表面改性技术可用于涂层领域，以提高涂层的附着力、耐磨性、防腐蚀性和耐老化性。
例如，在航空航天领域，采用聚合物表面改性技术制备出具有高温稳定性和防腐蚀性的涂层，可以提高航空器的性能。
2.2 生物医学材料聚合物表面改性技术可用于生物医学材料领域，以提高其组织相容性、生物降解性、生物相容性和抗菌性能。
例如，聚合物表面改性技术可以用于制备具有超支链结构的聚己内酯材料，提高其生物降解性，从而可以作为内部骨钉等医疗器械的材料。
2.3 环保领域聚合物表面改性技术可用于环保领域，以提高材料的光降解和光催化能力，减少聚合物的环境污染。
例如，通过聚合物表面改性技术制备出具有光降解能力的聚苯乙烯材料，可以在光照条件下将污染物分解成无害物质。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
几种常见的表面处理方法
电晕放电处理 火焰处理和热处理 化学改性 光化学改性 偶联剂处理 等离子体表面改性
电晕放电处理
也称火花处理，放电产生大量的等 离子体气体及臭氧，与聚烯烃表面 分子直接后间接作用，使其表面分 子链上产生羰基和含氮基团等极性 基团，改善表面的黏附性，达到预 处理的目的。
利用有机气体单体进行等离子体反 应。
等离子体引发聚合和表面接枝。
应用：
表面亲、疏水性改性 增加粘结性 改善印染性能 在微电子工业中的应用 在生物医用材料上的应用 其它
不足：
高聚物表面经冷等离子体改性后， 其处理效果会随时间的推迟而减退， 这一现象称为退化效应。
应用：
电晕处理可使薄膜润湿性提高，对 印刷油墨等极性物质的附着力有显 著的改善，在表面印刷、粘结、涂 层等方面有广泛的应用。 常用于聚烯烃薄膜的表面处理。
优、缺点
优：简便易行，处理效果好，可连 续生产、易调控、无污染 。
缺：电晕预处理后的效果不稳定， 处理后最好立即印刷、复合、粘结。
火焰处理和热处理
等离子体或低温等离子体。
作用机理：
等离子处理可以使聚合物表面交联， 由于反应发生在聚合物表面，对本 体的损伤不大。反应引入极性基团 可以改善表面的润湿性和与其他材 料的粘结性，对表面极端惰性的高 聚物有明显的改性效果。
等离子体改性方法
利用非聚合性气体（无机气体）， 如Ar、H2、O2、N2、空气等的等离 子体进行表面反应。
此后，许多研究者从事偶联剂反应 机理的研究，证实偶联剂的两种基 团分别与无机物和树脂生成了化学 键。
同时，玻璃纤维增强塑料的发展又 促进了各种偶联剂的合成和生产。
偶联剂种类
硅烷偶联剂 有机硅氧化偶联剂 钛酸酯偶联剂
应用:
硅烷偶联剂的应用比较广泛。 改善室温固化硅橡胶与金属的粘合 增强酚醛树脂粘结砂轮 环氧树脂包封云母电容 水电站工程中环氧树脂与水泥的耐
品。所以，目前主要用于聚烯烃制 品的表面处理。
化学改性
化学处理是用化学试剂浸洗高聚 物，使其表面发生化学和物理的变 化。
化学改性方法
碱洗含氟聚合物 酸洗聚烯烃、ABS和其它聚合物 碘处理 其它
碱洗含氟聚合物
用液氨中的钠-氨络合物或钠-萘络 合物/THF溶液处理含氟高聚物。
处理后含氟高聚物的表面张力、极 化度、可润湿性都显著提高。
近年来，光化学改性已从简单的表 面改性发展到表面高性能化、表面 功能化、接枝成型方法等高新技术 领域。
紫外光因其较低的工业成本以 及选择性使得紫外光接枝受到 重视。
偶联剂处理
偶联剂是一种同时具有能分别与无 机物和有机物反映的两种性质不同 的官能团的低分子化合物。
1947年Wiff等第一次从分子角度解 释了表面处理剂在界面中的状态。
华东理工大学
East China University of Science And Technology
聚合物的表面改性
聚合物表面特点
表面能低 化学惰性 表面污染 弱的边界层
表面处理的目的
改变表面化学组成，增加表面能 改善结晶形态和表面的几何性质 清除杂质或脆弱的边界层
在ABS表面，铬酸主要腐蚀丁二烯橡 胶粒子，在表面产生许多空穴，造 成大量的机械固着点，有利于喷镀 金属。
铬酸处理具体步骤：
重铬酸钠（钾）５份，蒸馏水８份， 浓硫酸１００份，配置处理液。
将聚烯烃在处理液中浸泡，室温下 浸泡１－１．５ｈ，６６°Ｃ－７ １ °Ｃ条件下浸泡１－５ｍｉｎ， ８０ °Ｃ－８５ °Ｃ处理几秒钟。
久性粘合 氟橡胶与金属的粘合 密封玻璃纤维增强尼龙制造耐冲击
的织布梭子
等离子体表面改性
等离子体可定义为一种气体状态物 质，其中含有原子、分子、离子亚 稳态和它们的激发态，还有电子。 而正电荷类物质与负电荷类物质的 含量大致相等。等离子态被称为 “物质的第四态”。
等离子体种类：
热等离子体 冷等离子体 混合等离子体 在聚合物表面改性中使用的一般是冷
不足：
大量算废液产生，污染环境。
光化学改性
用紫外光照射高聚物表面可引起化 学变化，改进聚合物的润湿性和粘 结性。
紫外光应用于聚合物表面改性最早 可追溯到1883年，当纤维素暴露于 紫外光和可见光时，能观察到发生 了化学变化。
1957年Oster报道了用紫外光进行接 枝聚合改性聚合物表面。
萘钠溶液处理具体步骤：
1：1（mol）的钠：萘/THF溶液，在 装有搅拌器及干燥管的三口瓶中反 应2h直至溶液完全变成暗棕色。
将含氟聚合物浸泡其中1-5min，密 封，使聚合物表面变黑（深度约1µm）
取出用丙酮洗，除去过量有机物。 用蒸馏水洗净。
不足：
处理材料表面变黑，影响有色导线 的着色。
所谓火焰处理法就是采用一定配 比的混合气体，在特别的灯头上烧， 使其火焰与聚烯烃表面直接接触的 一种表面处理方法；热处理则是将 聚合物暴露在空气中。
高聚物表面经火焰和热处理时， 表面可别氧化引入含氧基团。
应用：
工业上用于处理聚烯烃、聚缩 醛、聚对苯二甲酸乙二酯等。
优、缺点：
优：成本低廉 缺：易导致基材变形，甚至烧坏产
面电阻在高湿下略有下降 处理后的表面在阳光、加热下粘结
性能降低。
酸洗聚烯烃、ABS和其它聚合物
工业中用铬酸洗液作为清洗液。 还可以用：硫酸铵－硫酸银溶液；
双氧水；高锰酸钾－硝酸；氯磺酸； 王水等。
铬酸洗液作用机理：
铬酸清洗液主要是清除无定形或胶 态区，处理后聚合物表面形成复杂 的几何形状，使聚合物表面的润湿 性和粘合性均大大提高。