高分子材料工程中低温等离子技术的应用

洪燕

南京大厂余利机电安装检修有限公司 江苏南京 210044

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 高分子材料和低温等离子技术概述

1.1 高分子材料的定义

高分子材料，是指相对分子质量较大的化合物组成的材料。它是以高分子化合物为基体，再配以其他添加剂所构成的一类材料的总称，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料。高分子是生命存在的形式。高分子材料有很多不同的分类标准，比如按照性能和用途来分，可以分为塑料、橡胶、纤维胶黏剂、涂料。按照来源分类，又可以分为有合成高分子、天然高分子材料、半合成高分子材料（又称改性天然高分子材料）3种。高分子材料由于具有长链结构，所以一般具有高强度、高弹性、高粘度、力学状态的多重性、结构的多样性等高分子特性。结构的变化，给予高分子材料千变万化的特性和广泛的应用[1]。

1.2 低温等离子技术的特征

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 智能高分子材料在建筑工程中的应用

2.1 自修复型智能高分子材料在建筑工程中的应用

自修复型智能高分子材料不同于传统的高分子材料，，其不仅是由多种高分子化合物组合而成有效的节约经济成本，而且能够在受到损害后自行修复，达到原先的状态，，大大减少建筑材料的浪费，延长其使用寿命。但这种自行修复型的智能高分子材料并不是每次都能够修复，在第一次修复完成后，如果再一次在同一部位受到损害，其结构就会被破坏，不具备自行修复能力，会大大降低建筑外形的美观度，对建筑结构也非常不利。因此，在这种材料应用的时候尽量选择不易受到外界环境因素影响且人为也不易触碰的地方，这样就能将该种材料的特性发挥到最佳状态。

2.2 环境敏感型高分子材料在建筑工程中的应用

环境敏感型高分子材料也是一种智能化材料，其在当前的建筑工程中也有广泛应用。其主要材料成分是聚丙烯胺烷类材料由于其材料结构的特殊性，导致在温度的变化下，这两种结构内力可以发生相互转换，并且在材料表面还会有颜色的改变来提示温度的高低，应用在建筑上就会发现建筑会变颜色，也是成为吸引住户购买的卖点之一。在颜色转化的过程中也能改变对环境热量的吸收，能够起到冬暖夏凉的功效，这就是智能高分子材料的优势。

3 低温等离子技术在高分子材料工程中的应用

3.1 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。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[3]。

3.2 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。

3.3 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。

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。