聚丙烯的等离子体表面改性机理及应用

等离子体表面处理能有效地使高分子材料表面层中产生大量自由基，只要与高分子材料短时间接触，这种作用即很明显。

射频辉光放电等离子体提供的能量足以发生各种等离子体化学反应。

等离子体聚合与常规的高分子聚合反应有着明显不同。首先，只有具备某些特殊结构(如不饱和键、双官能团等)的单体才能行常规聚合反应，而等离子体聚合对单体结构的要求却不那么苛刻，绝大多数有机物，包括饱和烷烃都能在等离子体条件下发生聚合反应。其次，常规聚合通过特定反应生成的聚合物具有明显的重复结构单元，聚合物性质与其结构单元有密切关系，可以由单体结构计算聚合物的化学组成。等离子体中反应极为复杂，等离子体聚合产物的结构为三维交联的复杂网络结构，无明显的重复结构单元，化学组成受反应条件影响，与单体结构没有确定关系。通过等离子体聚合可在基底表面形成具有上述特性的覆盖层(coating),覆盖层不仅自身为三维交联的网络结构，与基底间也有化学键相连，其性质不同于沉积和接枝等过程产物。

等离子体对聚合物表面作用有许多理论解释，如表面分子链降解理论、氧化理论、氢键理论、交联理论以及表面介电体理论等。究竟哪一种理论更切合实际，还需要进一步研究讨论。

等离子体与聚合物的化学反应原理根据等离子体的类型可分成非聚合型等离子体和聚合型等离子体。

1、非反应型等离子体作用机理，氢气、惰性气体等离子体和高分子材料接触，理论上是不参与表面的任何反应，只是将能量转移给表层分子，使之活化产生链自由基，自由基又进行相互反应生成表面交联层。利用这种非反应型等离子体的技术称为CASING(Crosslinked by Actived Speciesof Inert Gases)技术。

2、反应型等离子体反应机理，反应型等离子体在气相中不发生聚合反应，但参与表面上的化学反应，表面的化学组成也发生相应的变化。以氧等离子体为例对此进行说明。

O₂ → 2O·

RH+ O· → R·+HO·

RH → R₁·+R₂·

R·+O₂ → ROO·

ROO·+RH → ROOH+R·

ROOH → RO·+HO·

上述过程反复进行的结果是在高分子材料表面上引入大量的含氧基团，如-COOH、-CO-、-OH-、-OCO0-等，从而发生化学反应，达到表面改性的目的。

3、聚合型等离子体作用机理，等离子体聚合的反应机理主要以基体表面聚合理论为代表，认为吸附在基体表面上的单体或其他饱和的有机化合物被等离子体碰撞，发生能量转移而被激活，单体发生解离，带有活性基。这些活化单体称为活性中心，使聚合进行下去，最终在基体的表面形成聚合物薄膜，达到表面改性的目的。

有研究者研究了等离子体处理 PP 膜表面的-OH-、-CO-、-COOH 等基团浓度与粘结强度的关系后发现，表面-COOH基团浓度是影响粘结性能的重要因素。NH₃等离子体处理PP后，其与铝片的粘结强度是 N₂等离子体处理的2倍多。通过表面的酸碱性质，研究了NH₃离子体处理的时间效应，利用接触角计算出的粘附力与剥离实验结果一致。

等离子体处理作为一种新的表面改性手段，能快速、高效、无污染地改变各类高分子材料表面性能。不但改善了特定环境下高分子材料的适用性能，也拓宽了常规高分子材料的适用范围，因此引起众多研究者的兴趣。在探索不同条件下等离子体处理高分子材料表面以改善材料的使用性能的同时，需要加强研究和建立高分子材料表面等离子体相互作用的模型，为定量设计和等离子体可控技术提供理论依据。