高分子材料工程中低溫等離子技術(shù)的應(yīng)用

洪燕

南京大廠余利機電安裝檢修有限公司 江蘇南京 210044

1979年，等離子的概念由WilliamGrouches以來，引起了有機化學領(lǐng)域眾多學者的關(guān)注。高分子材料的表面特性對其性能影響巨大，潤濕性、防水性、著色性、生物相容性、抗菌性等多種表面特性都與產(chǎn)品功能相關(guān)。而低溫等離子技術(shù)在高分子材料表面改性方面應(yīng)用價值廣泛，可提升高分子材料的附加價值。

1 高分子材料和低溫等離子技術(shù)概述

1.1 高分子材料的定義

高分子材料，是指相對分子質(zhì)量較大的化合物組成的材料。它是以高分子化合物為基體，再配以其他添加劑所構(gòu)成的一類材料的總稱，包括橡膠、塑料、纖維、涂料、膠粘劑和高分子基復(fù)合材料。高分子是生命存在的形式。高分子材料有很多不同的分類標準，比如按照性能和用途來分，可以分為塑料、橡膠、纖維膠黏劑、涂料。按照來源分類，又可以分為有合成高分子、天然高分子材料、半合成高分子材料（又稱改性天然高分子材料）3種。高分子材料由于具有長鏈結(jié)構(gòu)，所以一般具有高強度、高彈性、高粘度、力學狀態(tài)的多重性、結(jié)構(gòu)的多樣性等高分子特性。結(jié)構(gòu)的變化，給予高分子材料千變?nèi)f化的特性和廣泛的應(yīng)用[1]。

1.2 低溫等離子技術(shù)的特征

等離子體通常被稱作是“物質(zhì)的第四種狀態(tài)”，根據(jù)等離子體的溫度可以將其分為高溫等離子體和低溫等離子體。其中前者主要包括受控熱核聚變等離子體和恒星等，后者是本文討論的重點，主要包括電暈風電等離子體、稀薄低壓輝光放電等離子體和DBD介質(zhì)阻礙放電等離子體。一般在實驗室環(huán)境下，通常采用放點方式制造用于高分子材料改性的低溫等離子體，具體的形式有輝光放電、射頻放電、DBD介質(zhì)阻礙放電等。低溫等離子技術(shù)是一個橫跨物理、化學、生物、環(huán)境科學的交叉學科，該技術(shù)兼具了物理效應(yīng)、化學效應(yīng)和生物效應(yīng)，具有效率高、能耗低、綠色無污染的特點。其反應(yīng)具有如下幾個特點：第一，反應(yīng)溫度低。通常反應(yīng)溫度接近于常溫，不會給高分子材料內(nèi)部造成破壞；第二，反應(yīng)速度快。在氣體放電的瞬間即可完成等離子反應(yīng)。第三，能量高。由于等離子體為化學活性超長的高能粒子，因而在無任何催化劑的情況下即可發(fā)生聚合反應(yīng)等。第四，適用范圍廣。等離子體的應(yīng)用范圍廣闊，對于多種高分子材料都可以實現(xiàn)對其表面性能的改善。第五，綠色環(huán)保低成本。由于等離子體的反應(yīng)僅涉及氣態(tài)和固態(tài)，因而不會造成水資源的浪費，同時反應(yīng)裝置簡單，可連續(xù)運行，反應(yīng)產(chǎn)物無殘留，不會造成額外的環(huán)境負擔[2]。

2 智能高分子材料在建筑工程中的應(yīng)用

2.1 自修復(fù)型智能高分子材料在建筑工程中的應(yīng)用

自修復(fù)型智能高分子材料不同于傳統(tǒng)的高分子材料，，其不僅是由多種高分子化合物組合而成有效的節(jié)約經(jīng)濟成本，而且能夠在受到損害后自行修復(fù)，達到原先的狀態(tài)，，大大減少建筑材料的浪費，延長其使用壽命。但這種自行修復(fù)型的智能高分子材料并不是每次都能夠修復(fù)，在第一次修復(fù)完成后，如果再一次在同一部位受到損害，其結(jié)構(gòu)就會被破壞，不具備自行修復(fù)能力，會大大降低建筑外形的美觀度，對建筑結(jié)構(gòu)也非常不利。因此，在這種材料應(yīng)用的時候盡量選擇不易受到外界環(huán)境因素影響且人為也不易觸碰的地方，這樣就能將該種材料的特性發(fā)揮到最佳狀態(tài)。

2.2 環(huán)境敏感型高分子材料在建筑工程中的應(yīng)用

環(huán)境敏感型高分子材料也是一種智能化材料，其在當前的建筑工程中也有廣泛應(yīng)用。其主要材料成分是聚丙烯胺烷類材料由于其材料結(jié)構(gòu)的特殊性，導(dǎo)致在溫度的變化下，這兩種結(jié)構(gòu)內(nèi)力可以發(fā)生相互轉(zhuǎn)換，并且在材料表面還會有顏色的改變來提示溫度的高低，應(yīng)用在建筑上就會發(fā)現(xiàn)建筑會變顏色，也是成為吸引住戶購買的賣點之一。在顏色轉(zhuǎn)化的過程中也能改變對環(huán)境熱量的吸收，能夠起到冬暖夏涼的功效，這就是智能高分子材料的優(yōu)勢。

3 低溫等離子技術(shù)在高分子材料工程中的應(yīng)用

3.1 低溫等離子技術(shù)在塑料中的應(yīng)用

當前，低溫等離子技術(shù)在塑料改性中的應(yīng)用較為廣泛，主要涉及的高分子材料包括聚乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯等。塑料制品的化學性質(zhì)穩(wěn)定，耐酸堿，耐低溫，被廣泛應(yīng)用于制作家庭用品當中。但是其易燃燒、親水性差的特點，也限制了其使用范圍。通過低溫等離子技術(shù)對塑料進行處理和接枝改性，可以有效提升其阻燃性能。通過甲烷等離子體對塑料制品的表面沉積一層高度交聯(lián)的聚合碳膜，可以有效提高塑料制品的極限氧指數(shù)，同時延長點燃時間，降低了塑料制品的應(yīng)用風險。在親水性方面，通過低溫等離子技術(shù)對聚四氟乙烯材料的表面進行處理，引入丙烯酸等親水性單體，可以大大降低聚四氟乙烯與水的接觸角[3]。

3.2 低溫等離子技術(shù)在多孔材料中的應(yīng)用

多孔材料中很多由碳基結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，局尊孔道結(jié)構(gòu)均勻，迷宮系數(shù)大，可以作為反應(yīng)中優(yōu)良的催化劑和吸附劑的特點。但是同樣存在著滲透性和親水性方面的短板?？梢酝ㄟ^引入含氟碳化物等離子體對泡沫碳表面進行改性，提升其接觸角，從而降低極性流體的滲透性和表面惰性；反過來，也可以引入六甲基二硅氧烷等離子體處理泡沫碳，使其接觸角降低至零，提升其滲透性和表面黏結(jié)韌性。

3.3 低溫等離子技術(shù)在高分子材料工程中的其他應(yīng)用

除了上述典型的應(yīng)用方式外，低溫等離子技術(shù)還廣泛運用于纖維織物、高分子聚合物、微流控芯片、固定化酶等。其使用范圍覆蓋了冶金、軍工、醫(yī)療、環(huán)保、航天、能源等，并且還在持續(xù)迸發(fā)出強大的生命力。

總體上看，低溫等離子改性技術(shù)具有反應(yīng)效率高、能量大、適用范圍廣、綠色環(huán)保的特點，雖然也存在著處理過程中形成的基團復(fù)雜，壽命短，機理研究困難等問題，但隨著分析手段的豐富，和高分子材料工程對該技術(shù)應(yīng)用需求的增強，可以斷定低溫等離子技術(shù)的未來發(fā)展空間非常廣闊。