当前位置：文档之家 › 第三章聚合物的表面改性 材料表界面课件

第三章聚合物的表面改性 材料表界面课件

  • 格式：pptx
  • 大小：2.59 MB
  • 文档页数：98

下载文档原格式

  / 98

合集下载

高分子材料的表界面-课件

高分子材料的表界面-课件



同时等张比容具有严格的加和性，即物 体的等张比容等于组成该物质分子的原子或 原子团和结构因素的等张比容之和。
1.5 表面张力与内聚能的关系
内聚能是表征物质分子间相互作用力强弱的 一个物理量，摩尔内聚能定义为消除1 摩尔物质全部分子间作用力时其内能的增加， 即：

式中Ecoh为摩尔内聚能 R为气体常数， T为 温度。 △H为汽化热（液体）或升华热（固 体）。


表面张力是材料表界面的最基本性能之一。对于小分子液体，表 面张力的测定已由经典物理化学研究建立了各种测试方法。对于粘稠 的高分子溶液或熔体，虽然其分子仍具有一定的流动性，但要达到热 力学的平衡往往需要很长的时间。这就给表面性能的测试带来了很大 的困难。对于固态高分子材料，由于其表面分子几乎没有流动性，因 此表面张力的测试没有直接的方法，只能通过间接的方法或估算的方 法来求取。



1. 成核-增长机理 成核-增长机理可以得到在母体相中分散的岛 相结构，即形成所谓珠滴／基体型或海岛状结构， 这一过程称为成核增长。在成核-增长相分离过程 中，成核活化能与形成一个核所需的界面能有关， 即依赖于界面张力系数和核的表面积。成核之后， 大分子向成核微区扩散，珠滴增大。珠滴的增长 分为扩散和凝聚粗化两个阶段，每一阶段都决定 于界面能的平衡。因此由成核增长机理所形成的 形态结构主要为珠滴／基体型，即一相为连续相， 另一相以球形颗粒的形式分散在其中，尺寸较小 之间不互相连接。在成核-增长相分离过程中，成 核的原因是局部涨落。这种涨落可以是能量或浓 度波，波的幅度依赖于到达临界条件的距离。当 接近旋节线时，分离机理既可按成核增长机理亦 可按旋节分离机理进行。
1.1 表面张力与温度的关系

表面张力的本质是分子间的相互作用。因为分子间的 相互作用力因温度的上升而变 弱，所以表面张力一般随温度的上升而下降。 液态高聚物的表面张力随温度变化也呈线性关系， 其-（dσ/dT）值约为0.05×10-3N/mc, 因为-（dσ/dT） 是表面熵，所以高聚物的-（dσ/dT）值较小的原因是大 分子链的构象受阻，一些聚合物的表面张力与温度关系 如图所示。常温度范围内，表面张力与温度的关系呈直 线关系 :
材料表界面华东理工大学PPT课件

材料表界面华东理工大学PPT课件


第4309页/共56页
三、表面自由能(surface free energy)
狭义的表面自由能定义：
(G / A) p,T ,nB
狭义表面自由能的定义：保持温度、压力和组成不变，每增加单位表面积时， Gibbs自由能的增加值称为表面Gibbs自由能，或简称表面自由能或表面能，用 符号σ表示，单位为J·m-2。
第332页/共56页
表面张力
• 在图2-1中，设在F力作用下 金属丝移动dx的距离，则所 做的功为：
dW fdx σ • 2L • dx
(2 2)
• 但2L*dx等于液膜的面积增 量dA,所以:
dW σ • dA
(2-3)
• 将上式形式改写成如下形式：
σ=dW/dA
(2-4)
第343页/共56页
第221页/共56页
1.3表界面研究的重要性
表、界面现象一览表
界面现象
分类
表、
剂）
作为表面活性剂
肥皂和洗涤剂（表面活性
材料制造的产品 活性剂）
乳化剂和稳定剂（非表面
除草剂和杀虫剂
织物软化剂
表界面现象的直接应用 润滑、粘接、泡沫、润湿和
防水
第232页/共56页
1.3表界面研究的重要性
• 登月计划失败例 ； • MDF水泥； • 复合材料偶联剂； • 纳米材料；
第3209页/共56页
表面张力
表面张力示意：
如果在金属线框中间系一线圈，一 (a)
起浸入肥皂液中，然后取出，上面形 成一液膜。
由于以线圈为边界的两边表面张 力大小相等方向相反，所以线圈成任 意形状可在液膜上移动，见(a)图。
(b)
如果刺破线圈中央的液膜，线圈 内侧张力消失，外侧表面张力立即将 线圈绷成一个圆形，见(b)图，清楚 的显示出表面张力的存在。
聚合物表面改性

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。
高分子物理课件11聚合物表面与界面

高分子物理课件11聚合物表面与界面

11 聚合物的表面与界面
§11.1 聚合物表面与界面
表面（surface):暴露于真空的材料最外层部分。 界面（inteface):不同物体或相同物质不同相间相互接触
的过渡部分。 表面处理：用化学或物理方法改变表面分子的化学结构， 来提高或聚合物表面张力
11 聚合物的表面与界面
§11.2 聚合物表面与界面的热力学
三、粘结薄弱层及内应力 1、薄弱层：低内聚强度。 2、内应力的产生： （1）固化过程中胶粘剂体积收缩； （2）胶粘剂与基体线形膨胀系数不同。
11 聚合物的表面与界面
3、减小内应力的措施 （1）降低固化过程的收缩率； （2）提高内应力松弛速率，如加增塑剂或与弹性体混 合来降低弹性模量； （3）消除胶粘剂同基体间线形膨胀系数的差异； （4）用热处理消除热应力。 四、结构胶粘剂 内聚强度高，可达6.9MPa，用来粘结结构材料。常用 热固性交联聚合物。
11 聚合物的表面与界面
4、界面张力（与共混体系有关） （1）存在上临界共溶温度的体系，随温度升高，界面 张力降低。 （2）存在下临界共溶温度的体系，随温度降低，界面 张力降低。 （二）润湿
sv sl lv cos
（1）θ＜90°，润湿。 （2） θ＞ 90°不润湿。
11 聚合物的表面与界面
11 聚合物的表面与界面
五、弹性体胶粘剂 日常生活中使用最广泛，如压敏胶带。 具有干粘性与永久粘性，只需用手指的压力即可粘
结，不需要其他能源来活化，具有足够的粘结强度粘结 在被粘物上，具有足够的内聚强度，能够完全从被粘物 上剥离。
其粘性是通过向弹性体中加某种小分子物质产生的， 小分子物质称为增粘剂。
11 聚合物的表面与界面
§11.8 粘接
一、胶粘剂的分类 1、通过溶剂蒸发固化。如动物胶、淀粉、PVA、聚乙 酸乙烯酯。 2、通过化学反应固化，如环氧树脂、酚醛树脂。 3、通过相转变固化，如聚乙酸乙烯酯热熔胶。 二、粘结理论与机理 1、机械粘接，起辅助作用。
高分子物理课件11聚合物表面与界面

高分子物理课件11聚合物表面与界面

二、高分子在胶体体系中的应用 1、胶体：带电颗粒吸引溶液中带相反电荷的反离子， 在其表面及周围溶液中形成双电层结构，使颗粒间产生 排斥力，从而保证胶体的稳定。 2、高分子对胶体的作用 （1）高分子被接枝或吸附到胶体颗粒表面
11 聚合物的表面与界面 当d＜2L时，会引起两颗粒间高分子浓度局部升高，
高分子间相互排斥，使体系混合自由能增大；当d＜L时， 颗粒上高分子链被另一颗粒挤压，引起弹性形变，产生 弹性排斥力，这两种因素对胶体颗粒产生位阻排斥力， 有利于提高胶体稳定性。 （2）溶解于胶体分散介质中的高分子
11 聚合物的表面与界面
1、酚醛树脂：由甲醛和苯酚合成，用于家具材料粘结， 强度高，但固化温度高，较脆。 2、蛋白质：血液、乳液、结缔组织及黄豆。胶原基胶 粘剂。无法忍受恶劣环境，如室外。 3、环氧树脂：由酚与环氧氯丙烷合成，用胺类作固化 剂，最广泛，较脆。 4、聚氨酯树脂：能吸收大量能量，可迅速固化，粘结 强度较高。
的过渡部分。 表面处理：用化学或物理方法改变表面分子的化学结构， 来提高或聚合物表面张力
11 聚合物的表面与界面
§11.2 聚合物表面与界面的热力学
一、表面张力与润湿 （一）表面张力 1、定义： 表面层分子受到不对称力场的作用，产生总 的合力表现为指向体相内部的拉力。使液体表面紧缩， 沿液体表面，垂直作用于单位长度的力。方向与物体表 面平行，对于弯曲表面则与表面相切。 2、比表面功：增加单位面积所需的可逆非体积功。
11 聚合物的表面与界面
3、影响表面张力因素 （1）温度：温度越高，表面张力降低，温度高时表面 张力接近，甚至接近于小分子的液态。P302表11-1 （2）聚集态：固态表面张力大于液态。 （3）分子间作用力：越大，表面张力越大。 （4）基团极性：具有极性基团聚合物的表面张力 大于 非极性的。 （5）分子量：一般分子量越大，表面张力越大。 （6）聚合物密度：密度越大，表面张力越大。
聚合物改性3(共混)PPT课件

聚合物改性3(共混)PPT课件

溶解参数更直观。 物理意义：材料单位体积内聚能密度的
开平方 .
E 1/2 V
精选PPT课件
26
由Scott方程可得
H M /V 1 2 (12 )2
δ1、δ2越接近，差值越小，越容易相容。
精选PPT课件
27
各种常用高分子材料的的溶度参数如下：
聚合物 σ（J.cm-3)1/2 聚合物 σ（J.cm-3)1/2
测相图可采用光散射法和浊点法。 光散射法要求聚合物组分间有较大的折射率差，同时分
相的粒子应足够大。 浊点法较简便，稳定的均相体系是透明的，非均相共混
物一般都是混浊的。（除非两聚合物的折射率相同）。
精选PPT课件
24
改变共混物的组成，可得到一系列浊点，连接起来即为浊点相图。
精选PPT课件
25
4.相容性的预测及测定方法 虽然XAB可预测相容性，但实测困难，用
当XAB=0.01时， △Gm 在整个组成范围内都
小于零，曲线1呈现一极小值。体系在整个组 成范围内都是均一的相；
当XAB=0.05时， △Gm 在整个组成范围内都
大于零，曲线3呈现一极大值。体系在整个组 成范围内都高于纯组成A或组成B的自由能，体 系不稳定，必然发生相分离；
精选PPT课件
16
当XAB=0.03时， 虽然△Gm 在整个组成范围
表现出最低临界相容温度（LCST）行为。低于此温 度，共混体系完全相容，高于此温度，为部分相容， 在一定范围内产生相分离。较多体系是这类。如 PMMA/SAN
精选PPT课件
22
均相区 两相区
精选PPT课件
23
同时具有UCST和LCST。 UCST和LCST会相互交叠，形成封闭的两相区。 表现出多重UCST和LCST的行为
生物材料的表面与界面材料表界面ppt课件

生物材料的表面与界面材料表界面ppt课件


3.3 生物相容性的研究意义
生物相容性是生物材料极其重要的性能，是区 别于其他材料的标志，是生物医用材料能否安 全使用的关键性能。
控制和改善生物材料的表面性质，是促进材料 表面与生物体间的有利相互作用、抑制不利相 互作用的关键途径。
如何提高材料的生物相容性
？
生物材料的表面工程是一种非常重要的方法！
国内从事生物材料表界面研究的课题组
生物材料的表面改性与功能化；
蛋白质、细胞与材料表面的相互作用；
苏州大学陈红教授课题组
➢Combining surface topography wi生 polymer chemistry: exploring new interfacial biological phenomena. Polym. Chem., 2013, DOI: 10.1039/C3PY00739A ➢Aptamer-Modified Micro/Nanostructured Surfaces: Efficient Capture of Ramos Cells in Serum Environment. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2013, 5, 3816.
第一部分：生物材料表界面学科的诞生
1. 生物材料的概念（Biomaterials):
与生物体相接触的、或移入生物体内起某种取代、 修复活组织，增进或恢复其功能的特殊材料。
2. 生物材料的发展阶段
➢最初：一些临床应用的生物材料并不专门针对医用设计 （实现基本临床功能，也带来了不良的生物反应)
➢20世纪60-70年代：第一代生物材料（惰性生物材料） （物理性能适宜、对宿主反应较小；寿命延长5-25年）
其他领域的表面工 程技术和材料引入 生物材料领域或基 于体内物质的初步 模仿
《聚合物表面与界面》PPT课件

《聚合物表面与界面》PPT课件


h
2hr 2 r
2
(1-53)
tan
=
r
2hr 2 h2
(1-54)
停滴法测接触角
➢ 吊片法
• 将表面光滑、均匀的固体薄片垂直插入液体 中，如果液体能够润湿此固体，则将沿薄片 平面上升。升高值h与接触角θ之间的关系为:
sin=1- gh2 2LG
(1-55)
吊片法测接触角
➢ 电子天平法
• 设一根纤维浸在某液体中，纤维的另一端 挂在电子天平的测量臂上。用升降装置使 液面逐渐下降。纤维经（b）状态脱离液面 的瞬间，电子天平测出该变化过程中力的 变化∆P，由记录仪记下曲线。
《聚合物表面与界面》 PPT课件
9.1 表界面的定义
定义： 表界面是由一个相过渡到另一个相的过渡区域。 表界面区的结构、能量、组成等都呈现连续的梯
度变化。
五类表界面： 固－气 液－气 固－液 液－液 固－固
9.2 表面张力和表面自由能
• 处于液体表面的分子所受的力场是不平衡的， 受到指向液体内部并垂直表面的力，从而产生 表面张力(单位N/m)。
γsv-γsl=γlv cosθ
θ=0;cosθ=1 完全润湿，液体在固体表面铺展 0<θ<90 液体可润湿固体，且θ越小， 润湿越好 90°<θ<180°液体不润湿固体。 θ=180 完全不润湿，液体在固体表面凝成小球 γsl=(γs1/2-γl1/2)／｛1-[0.015(γsγl)1/2] }
嵌段共聚物组成对表面张力的影响
高韧性PP冲击试样切面的AFM图像
共混
• 在均聚物共混中，低表面能的组分在 表面上被优先吸附，使体系表面张力 下降。氧化乙烯和氧化丙烯均聚物的 共混结果所示，随低表面能氧化丙烯 均聚物的增加，共混体系的表面能明 显下降，而且这种行为随分子量的增 加而加剧。
《表面改性》PPT课件

《表面改性》PPT课件

硝酸首先腐蚀无定形区，使结晶形态暴露； 硫、碳质沥青和重氮可进展C-C的插入反响； 氟气可发生去氢、氟化反响、C=C双键的生成，
并引起聚烯烃外表发生交联反响； 臭氧能氧化聚烯烃外表、产生羟基、酮、醛和羧
酸基。
常见研究结论
聚烯烃、腈基橡胶和丁基橡胶可用氧化法处理； PET和PC可用氨碱处理，也可分别用烷基锆催化
性都显著提高。
处理具体步骤 (1) 1：1(mol)的钠:萘或纳:氨/THF溶液，在装
有搅拌器及枯燥管的三口瓶中反响2h直至溶液 完全变成暗棕色。 (2) 将含氟聚合物浸泡其中1~5min，密封，使 聚合物外表变黑〔深度约1µm〕 (3) 取出用丙酮洗，除去过量有机物。 (4) 用蒸馏水洗净。
6.3.1 外表光接枝的化学原理 首要条件： ——生成外表引发中心，即外表自由基。 根据产生方式不同，可分为3种方法： 〔1〕辐照分解法 〔2〕自由基转移法 〔3〕氢提取反响法
〔1〕辐照分解法 ——对于一些含光敏基〔如羰基〕，特别是侧链
含光敏基的聚合物，当紫外光照射其外表时，会 发生Norrish I型反响，产生外表自面时：
《表面改性》PPT课件
本课件PPT仅供大家学习使用 学习完请自行删除，谢谢！ 本课件PPT仅供大家学习使用 学习完请自行删除，谢谢！ 本课件PPT仅供大家学习使用 学习完请自行删除，谢谢！ 本课件PPT仅供大家学习使用 学习完请自行删除，谢谢！
6.3.1 碱洗含氟聚合物
含氟高聚物，如聚四氟乙烯(PTFE)、聚三氟乙烯 (PCTFE)和氟化乙烯-丙烯共聚物(FEP)等;
(2) C1s峰向低能方向移动。这说明外表处理的深 度到达5-10nm，在此范围内氟已完全被除去并 发生碳化作用，还引进了大量的C=C双键以及羰 基和羧基。
材料表界面第三章精品PPT课件

材料表界面第三章精品PPT课件


)1/
2
(
p S
)1/
2
(
p L
)1/
2
L
(6-47)
● 假如用两种已知σL ， σLd和σLp的液体，分别测出 其对固体的接触角，则由（6-47）式解联立方程可以 求出固体的表面张力σS及其分量σSd ,σSp。
例：估算PVC的σs，已知水对PVC的接触角θ=87º，二碘甲 烷对PVC的接触角θ=36º。
PS/PEA的动态力学谱
a）PS/PEA体系
b）PSSA/PEAVP体系，离子摩尔含量2％；
c）PSSA/PEAVP体系，离子摩尔含量5％。
未经改性的PS/PEA体系的曲线，呈现两个玻璃化 转变温度，中间有一个跨幅约100℃的平台区，其 模量几乎不变；经2％摩尔的磺酸基及吡碇基改性 的共混体系的曲线为（b），虽仍有两个玻璃化转 变区，但转变温度已相互接近，两转变区之间的模 量平台区变小，模量逐渐变化，显示了两聚合物间 有强烈的相容倾向。当磺酸基及吡碇基的摩尔浓度 达到5％时的曲线（c），共混物只有一个玻璃化转 变区，表明两种聚合物在动态力学的观察标尺上已 经完全相容了.
例如，对聚乙烯这样的非极性材料进行表面改性，在其表 面引进极性基团，知道聚乙烯改性前后表面张力的变化就 显得非常重要。经改性以后，聚乙烯的表面张力是否增大？ 其中极性分量所占的比例是否有增加？能够测定改性前后 聚乙烯的表面张力极其分量的变化，对于判断聚乙烯的表 面的结构和形貌，探明表面改性的机理是有帮助的。
d 1
)1/
2
(
d 2
)1/ 2
2
(
p 1
)1/
2
(
p 2
)1/
2
2
(6-46)
  1. 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. 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. 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)。

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
102
Low Vacuum
□ 非反应性气体有Ar，He等。这些惰性气体的原子不直接与
聚合物表面反应，结合到大分子链中，但是这些非反应性气 体等离子体中的高能粒子轰击聚合物表面，可使材料表面产 生大量自由基，使表面形成致密的交联结构。
□ 此外，若被处理聚合物结构中含有氧，则等离子体轰击使大
分子链断裂分解产生活性氧，其效果类似于氧等离子处理。 如果材料本身不含氧，则惰性等离子处理后的新生自由基， 其半衰期可达2-3天，能与空气中氧作用，导致氧结合到大 分子链上。
□ 火焰处理和热处理的优点是设备要求不高， 工艺简单，处理成本低，处理效果好，工业 上应用较广。但处理大型或结构复杂的制品 比较困难，高温下稍有不慎，制品易发生变 形。
3.3.3 等离子体表面改性
● 等离子体被称为是物质的第四态，其实质是电离的气 体。与普通气体不同，它是由电子、原子、分子、自由基、
3.3.1 电晕放电处理
● 聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃是非 极性材料，有高度的结晶性， 其表面的印刷、粘接、涂层 非常困难。电晕放电因简便 易行，处理效果好，是聚烯 烃薄膜中最常用的表面处理 方法。
● 电晕放电装置示意图
当施加高压电时，局部发光放电，产生电子、正离子、负离子。结果在 阳极和阴极之间产生电晕。
等离子体处理对聚合物表面的改性效果
（1）表面交联
CH2 CH2 + He+
2(
CH2
.
CH
)
CH2
.
CH
+H.
.
.
CH2 CH + H + He
CH2 CH
CH2 CH
CH2 CH + H2
实验证明交联层的存在。把用等离子处理过和未处理过的聚乙烯加热到熔点 以上，未处理的试样熔融并流动，而处理过的试样仍保持方方正正的形状。
宏观结构：
XPS （X-ray photoelectron spectroscopy）
通过用X射线辐照样 品，激发样品表面除 H、He以外所有元素 中至少一个内能级的 光电子发射，并对产 生的光电子能量进行 分析，以研究样品表 面的元素和含量。
Table1 Common Spectroscopic Methods Based on Electromagnetic Radiation
microns) than that of electron beams
表面改性的方法
● 电晕放电处理: 氧化 ● 火焰处理: 氧化 ● 化学改性: 氧化, 粗糙化表面 ● 等离子体改性: 交联,引入官能团等 ● 辐照改性: 引入不同的聚合物链 ● 光化学改性: 引入不同的聚合物链 ● 力化学改性: 引入不同基团或聚合物链 ● 偶联剂改性: 引入不同基团
地球上，等离子体的自然现象：如闪电、极光等； 人造等离子体，如霓虹灯、电弧等。
等离子体共有三种：热等离子体，冷等离子体和混合等离子体。
热等离子体：由大气电弧、电火花和火焰产生的，组成等离子体的分子、 离子和电子都处于热平衡，温度高达几千度，也称为平衡态等离子体 和高温等离子体。
冷等离子体：是在减压（1.33～1330Pa）和高频电场下发生辉光放电， 少量气体分子被电离产生高温的电子，穿梭在常温或接近常温的气体 中并发生碰撞，此时电子温度高达104～105K，而气体的离子和分子 的温度和环境相同，一般约102K，远远低于电子的温度，是一种非平 衡体系，也称为非平衡等离子体或低温等离子体。
等离子体共有三种： 热等离子体，冷等离子体和混合等离子体。
混合等离子体：在常压或略低于常压下，使用5～50kV直流 或交流高阻抗的电源，在电极间发生电晕放电或臭氧发生器 产生的等离子体，一般也将其归入低温等离子体范畴。
在聚合物表面改性中使用的一般是冷等离子体或低温 等离子体。
低温等离子体中基本粒子的能量范围为：
● 聚合物表面经火焰处理处理后，粘接性和可润湿性得到改 善。
3.3.2 火焰处理和热处理
● 火焰处理的原理：火焰中含有许多激活的自由基、
离子、电子和中子，如处于激发态的O、NO、OH 和NH等。这些基团能从夺取聚合物表面的氢，随后 按自由基机理进行表面氧化反应，使聚合物表面生 成羰基、羧基、羟基等含氧活性基团和不饱和双键， 从而提高聚合物的表面活性。
电子
0～20 eV
离子
0～2 eV
亚稳态粒子
0～20 eV
紫外光/可见光
3～40 eV
一些化学键的键能为：（eV）
C-H 4.3
C=0 8.0 C-N 2.9
C-C 3.4
C-Cl 3.4 C=C 6.1
C-F 4.4
C≡C 8.4
可见，冷等离子体中粒子的能量均略高于这些化学键能量，足以引起聚合
物内化学键断裂或重新组合，使大分子降解，或使材料表面和外来的气体
Analysis of Carbon Fiber- Polymer Composite Material
by XPS
XPS identifies the functional groups
present on the composite surface.
The chemical nature of fiber-polymer
ESCA); FTIR－ATR；
为什么要用多种表征手段？
John O’Brien, The New Yorker Magazine(1991)
结构与性能的关系是材料学的核心，通过结构的控制，实现 材料的功能化和高性能化是未来的重要发展趋势。 大分子结构的控制：活性聚合，聚合过程的控制；得到分子量 可控，结构明确（遥爪、嵌段、梳形、星型、树脂状等）； 超分子结构的控制： 自组装，蛋白质的构象等； 聚集态结构： 结晶、晶型，不同相间的相容性， 表面结构：超疏水，疏油，超亲水，…
聚乙烯、聚丙烯的薄膜、薄片，吹塑的瓶、罐、桶等常 用火焰处理来提高其表面的印刷性和粘结性。
研究表明，聚乙烯表面经火焰处理后，表面的含氧量可 达16.6％，且表面含氧量随火焰强度的增加而增多。 火焰的氧化深度大于12nm，火焰处理后表面出现C－O， C＝O，COO－等基团，表面能增大，与水的接触角减 小，与环氧树脂的粘结强度从4.2MPa提高到
3.3 聚合物的表面改性
改性原因
聚合物表面（1）表面能低（2）化学惰性（3）表面污 染及存在弱边界层等原因，往往难以润湿和粘合。因此，常 常要对聚合物进行表面处理。
除了润湿和粘合性能，还包括:涂膜性、可染性、抗静 电性、印刷性、防雾滴性能、生物相容性等许多方面。
一般，讨论聚合物的表面改性，往往涉及表面能增大方 面。但事实上，也还有从表面能减小的方向进行改性，以达到 具有防污性的目的。
聚乙烯手提袋的印刷
汽⻋的前后保险杆
聚合物在表面改性后，其表面化学、物理结构发生了变化， 表面改性的效果往往由材料使用性能评估
● 表面物理性能：接触角，表面张力的测试； ● 表面处理效果：性能的改进（粘结强度，印刷性、染色性、表
面电阻率等） ● 表面形貌：电子显微镜观察（SEM、TEM、AFM）； ● 表面化学组成：X射线光电子谱（X射线光电子能谱仪 XPS、
C O
Pb3O4
PbO2
150 145 140
135 130
Binding Energy (eV)
PbPb N Ca
Na
Cl
Pb
500
400 300
200 100
Binding Energy (eV)
XPS analysis showed that the red pigment used on the mummy wrapping was Pb3O4 0 rather than Fe2O3
■
10-1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Medium Vacuum
■
High Vacuum 10-
■
Ultra-High Vacuum
10-11
1 torr = 1 mmHg