探析低溫等離子技術(shù)在高分子材料工程中的應(yīng)用

陳宇

【摘 要】從上世紀(jì)六十年代以來，在高分子材料工程中越來越多的引入了低溫等離子技術(shù)，其加工簡便、綠色環(huán)保、低成本的特點，使其在改善高分子材料表面特性中應(yīng)用廣泛。筆者結(jié)合等離子技術(shù)的特征，重點分析了低溫等離子技術(shù)在塑料、生物應(yīng)用材料、多孔材料以及改善荒漠化等方面的應(yīng)用和研究進(jìn)展。

【關(guān)鍵詞】高分子材料；低溫等離子；應(yīng)用研究

引言：現(xiàn)階段，人們對于環(huán)境保護(hù)的重視上升到了全新的高度，相關(guān)專家對于污染物治理的研究邁入了全新的階段，并涌現(xiàn)出大量的環(huán)保技術(shù)。材料工程的研究對于環(huán)境保護(hù)有促進(jìn)作用。1979年，等離子的概念由WilliamGrouches以來，引起了有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域眾多學(xué)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低溫等離子技術(shù)及其特征

1.1低溫等離子技術(shù)概述

等離子體是游離于固態(tài)、氣態(tài)、液態(tài)之外的物質(zhì)，可以將其稱之為全新的物質(zhì)形態(tài)，其組成部分為正負(fù)帶電離子和中性離子。等離子體有以下幾個特點：首先從微觀層面看，根據(jù)帶電粒子帶電不同，可以將其分為正帶電離子和負(fù)帶電離子，并且二者帶電的總量是相同的，同時在宏觀尺度內(nèi)正負(fù)帶電離子都會轉(zhuǎn)變?yōu)殡娭行?；其次，帶電離子間不會產(chǎn)生凈庫侖力；再次，等離子體具有良好的導(dǎo)電性能，相關(guān)學(xué)者已經(jīng)利用其導(dǎo)電特征實現(xiàn)環(huán)保發(fā)電；最后，熱效應(yīng)是電離氣體的專有特性。按照熱力學(xué)平衡狀態(tài)，可以將等離子體分為兩種形式：一是平衡態(tài)等離子；二是非平衡態(tài)等離子體。平衡態(tài)等離子體的最高溫度大于10000℃，因此，專家又將平衡態(tài)等離子體稱為高溫等離子體。如果帶電粒子的溫度大于離子溫度，則帶電粒子溫度超過一萬攝氏度，而離子和粒子的溫度則不超過5000℃，因此，這種狀態(tài)下的等離子體被稱為低溫等離子體[1]。

1.2低溫等離子技術(shù)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?zé)岷司圩兊入x子體和恒星等，后者是本文討論的重點，主要包括電暈風(fēng)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(xué)、生物、環(huán)境科學(xué)的交叉學(xué)科，該技術(shù)兼具了物理效應(yīng)、化學(xué)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(xué)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(fù)擔(dān)[2]。

2高分子材料工程中低溫等離子技術(shù)的應(yīng)用

2.1低溫等離子技術(shù)在塑料中的應(yīng)用

當(dāng)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(xué)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(dāng)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(jìn)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(fēng)險[3]。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(jìn)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。

2.2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(jìn)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。

2.3低溫等離子技術(shù)在生物醫(yī)用材料中的應(yīng)用

應(yīng)用低溫等離子技術(shù)，可以對生物醫(yī)學(xué)中的高分子材料進(jìn)行表面鍍膜、聚合、改性和修飾等，從而改善生物醫(yī)用材料的親水性、透氣性等，通過優(yōu)化人造移植材料的性能，推動醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展。例如，在晶狀體移植手術(shù)中，通常采取PMMA作為移植材料，但這一人工晶狀體若與眼角膜上皮細(xì)胞接觸，將造成角膜的永久性損傷。而通過低溫等離子技術(shù)中的沉積方法，能夠?qū)⒂H水性的單體如N-乙烯基吡咯烷酮等沉積到PMMA的表面，從而降低角膜細(xì)胞的損傷[4]。通過動物實驗發(fā)現(xiàn)，利用低溫等離子沉積技術(shù)處理后的PMMA進(jìn)行晶狀體移植，最低可以將復(fù)合表面的細(xì)胞損傷控制在10%以下。此外，低溫等離子技術(shù)還可以用于制作人工血管壁、血液透析薄膜等醫(yī)用材料，對于現(xiàn)有醫(yī)療技術(shù)的提升和醫(yī)治效果的改善具有積極的推動作用。

2.4低溫等離子技術(shù)在改善荒漠化中的應(yīng)用

對于制成綠化用薄膜的高分子材料，通過低溫等離子技術(shù)的運營，可以提升其吸水性能。在上下兩層改性后的高吸水性高分子被覆層之間包覆植物種子與緩釋肥料，以此提升綠化層的防侵蝕效果。實驗表明，采用低溫等離子技術(shù)改性后的高分子被覆層后，層下的土壤化學(xué)性質(zhì)有所改善，平均地表溫度高于裸露地面，降水后水分的釋放速度得以放緩，從而提升了荒漠植被的成活率。此外，還可以在改性后高分子材料制成的綠化被覆層內(nèi)根據(jù)荒漠土地菌落分布接種微生物，提升生菌群的多樣性，同時促進(jìn)綠化層的穩(wěn)定性，幫助生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)[5]。在育種方面，采用低溫等離子技術(shù)聚合進(jìn)行種子的包衣處理，可以有效降低種子培育的時間和成本，同時具有防蟲防病的作用。

2.5低溫等離子技術(shù)在高分子材料工程中的其他應(yīng)用

除了上述幾種典型的應(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(qiáng)大的生命力。

結(jié)語

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(tuán)復(fù)雜，壽命短，機(jī)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(qiáng)，可以斷定低溫等離子技術(shù)的未來發(fā)展空間非常廣闊。

參考文獻(xiàn)：

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