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探析低温等离子技术在高分子材料工程中的应用

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  【摘 要】从上世纪六十年代以来,在高分子材料工程中越来越多的引入了低温等离子技术,其加工简便、绿色环保、低成本的特点,使其在改善高分子材料表面特性中应用广泛。笔者结合等离子技术的特征,重点分析了低温等离子技术在塑料、生物应用材料、多孔材料以及改善荒漠化等方面的应用和研究进展。
  【关键词】高分子材料;低温等离子;应用研究
  引言:现阶段,人们对于环境保护的重视上升到了全新的高度,相关专家对于污染物治理的研究迈入了全新的阶段,并涌现出大量的环保技术。材料工程的研究对于环境保护有促进作用。1979年,等离子的概念由WilliamGrouches以来,引起了有机化学领域众多学者的关注。高分子材料的表面特性对其性能影响巨大,润湿性、防水性、着色性、生物相容性、抗菌性等多种表面特性都与产品功能相关。而低温等离子技术在高分子材料表面改性方面应用价值广泛,可提升高分子材料的附加价值。
  1低温等离子技术及其特征
  1.1低温等离子技术概述
  等离子体是游离于固态、气态、液态之外的物质,可以将其称之为全新的物质形态,其组成部分为正负带电离子和中性离子。等离子体有以下几个特点:首先从微观层面看,根据带电粒子带电不同,可以将其分为正带电离子和负带电离子,并且二者带电的总量是相同的,同时在宏观尺度内正负带电离子都会转变为电中性;其次,带电离子间不会产生净库仑力;再次,等离子体具有良好的导电性能,相关学者已经利用其导电特征实现环保发电;最后,热效应是电离气体的专有特性。按照热力学平衡状态,可以将等离子体分为两种形式:一是平衡态等离子;二是非平衡态等离子体。平衡态等离子体的最高温度大于10000℃,因此,专家又将平衡态等离子体称为高温等离子体。如果带电粒子的温度大于离子温度,则带电粒子温度超过一万摄氏度,而离子和粒子的温度则不超过5000℃,因此,这种状态下的等离子体被称为低温等离子体[1]。
  1.2低温等离子技术特征
  等离子体通常被称作是“物质的第四种状态”,根据等离子体的温度可以将其分为高温等离子体和低温等离子体。其中前者主要包括受控热核聚变等离子体和恒星等,后者是本文讨论的重点,主要包括电晕风电等离子体、稀薄低压辉光放电等离子体和DBD介质阻碍放电等离子体。一般在实验室环境下,通常采用放点方式制造用于高分子材料改性的低温等离子体,具体的形式有辉光放电、射频放电、DBD介质阻碍放电等。低温等离子技术是一个横跨物理、化学、生物、环境科学的交叉学科,该技术兼具了物理效应、化学效应和生物效应,具有效率高、能耗低、绿色无污染的特点。其反应具有如下几个特点:第一,反应温度低。通常反应温度接近于常温,不会给高分子材料内部造成破坏;第二,反应速度快。在气体放电的瞬间即可完成等离子反应。第三,能量高。由于等离子体为化学活性超长的高能粒子,因而在无任何催化剂的情况下即可发生聚合反应等。第四,适用范围广。等离子体的应用范围广阔,对于多种高分子材料都可以实现对其表面性能的改善。第五,绿色环保低成本。由于等离子体的反应仅涉及气态和固态,因而不会造成水资源的浪费,同时反应装置简单,可连续运行,反应产物无残留,不会造成额外的环境负担[2]。
  2高分子材料工程中低温等离子技术的应用
  2.1低温等离子技术在塑料中的应用
  当前,低温等离子技术在塑料改性中的应用较为广泛,主要涉及的高分子材料包括聚乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯等。塑料制品的化学性质稳定,耐酸碱,耐低温,被广泛应用于制作家庭用品当中。但是其易燃烧、亲水性差的特点,也限制了其使用范围。通过低温等离子技术对塑料进行处理和接枝改性,可以有效提升其阻燃性能。通过甲烷等离子体对塑料制品的表面沉积一层高度交联的聚合碳膜,可以有效提高塑料制品的极限氧指数,同时延长点燃时间,降低了塑料制品的应用风险[3]。在亲水性方面,通过低温等离子技术对聚四氟乙烯材料的表面进行处理,引入丙烯酸等亲水性单体,可以大大降低聚四氟乙烯与水的接触角。
  2.2低温等离子技术在多孔材料中的应用
  多孔材料中很多由碳基结构构成的,局尊孔道结构均匀,迷宫系数大,可以作为反应中优良的催化剂和吸附剂的特点。但是同样存在着渗透性和亲水性方面的短板。可以通过引入含氟碳化物等离子体对泡沫碳表面进行改性,提升其接触角,从而降低极性流体的渗透性和表面惰性;反过来,也可以引入六甲基二硅氧烷等离子体处理泡沫碳,使其接触角降低至零,提升其渗透性和表面黏结韧性。
  2.3低温等离子技术在生物医用材料中的应用
  应用低温等离子技术,可以对生物医学中的高分子材料进行表面镀膜、聚合、改性和修饰等,从而改善生物医用材料的亲水性、透气性等,通过优化人造移植材料的性能,推动医疗技术的发展。例如,在晶状体移植手术中,通常采取PMMA作为移植材料,但这一人工晶状体若与眼角膜上皮细胞接触,将造成角膜的永久性损伤。而通过低温等离子技术中的沉积方法,能够将亲水性的单体如N-乙烯基吡咯烷酮等沉积到PMMA的表面,从而降低角膜细胞的损伤[4]。通过动物实验发现,利用低温等离子沉积技术处理后的PMMA进行晶状体移植,最低可以将复合表面的细胞损伤控制在10%以下。此外,低温等离子技术还可以用于制作人工血管壁、血液透析薄膜等医用材料,对于现有医疗技术的提升和医治效果的改善具有积极的推动作用。
  2.4低温等离子技术在改善荒漠化中的应用
  对于制成绿化用薄膜的高分子材料,通过低温等离子技术的運营,可以提升其吸水性能。在上下两层改性后的高吸水性高分子被覆层之间包覆植物种子与缓释肥料,以此提升绿化层的防侵蚀效果。实验表明,采用低温等离子技术改性后的高分子被覆层后,层下的土壤化学性质有所改善,平均地表温度高于裸露地面,降水后水分的释放速度得以放缓,从而提升了荒漠植被的成活率。此外,还可以在改性后高分子材料制成的绿化被覆层内根据荒漠土地菌落分布接种微生物,提升生菌群的多样性,同时促进绿化层的稳定性,帮助生态系统的恢复[5]。在育种方面,采用低温等离子技术聚合进行种子的包衣处理,可以有效降低种子培育的时间和成本,同时具有防虫防病的作用。
  2.5低温等离子技术在高分子材料工程中的其他应用
  除了上述几种典型的应用方式外,低温等离子技术还广泛运用于纤维织物、高分子聚合物、微流控芯片、固定化酶等。其使用范围覆盖了冶金、军工、医疗、环保、航天、能源等,并且还在持续迸发出强大的生命力。
  结语
  总体上看,低温等离子改性技术具有反应效率高、能量大、适用范围广、绿色环保的特点,虽然也存在着处理过程中形成的基团复杂,寿命短,机理研究困难等问题,但随着分析手段的丰富,和高分子材料工程对该技术应用需求的增强,可以断定低温等离子技术的未来发展空间非常广阔。
  参考文献:
  [1]袁协尧,杨洋,陈萍,刘卫平.复合材料胶接表面的等离子处理技术[J].玻璃钢/复合材料,2016(05):94-100.
  [2]安红玉,杨建忠,郭昌盛.低温等离子体技术在纺织中的应用[J].成都纺织高等专科学校学报,2016,33(02):154-157.
  [3]王晓娜,任煜.低温等离子体技术在非织造材料表面改性中的应用[J].合成纤维工业,2015,38(06):53-57.
  [4]黄玉中.浅谈等离子体在纺织材料表面改性中的应用进展[J].科学大众(科学教育),2014(12):39.
  [5]王正刚,王强,张卫强,张养柱,盛晓晔.低温等离子体对光缆护套表面处理后印字效果浅析[J].现代传输,2014(01):71-75.
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