一種聚合物高分子材料等離子體表面改性工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料科學(xué)領(lǐng)域,具體是指一種聚合物高分子材料等離子體表面改性工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]聚合物高分子材料作為與鋼鐵和玻璃陶瓷并列的重要基礎(chǔ)材料,與人們的日常生活密切相關(guān)。大多數(shù)機(jī)電產(chǎn)品及其支撐材料等都是由聚合物制作的,聚合物材料獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和易改性、易加工特點(diǎn),使其具有其他材料不可比擬、不可取代的優(yōu)異性能,從而廣泛用于科學(xué)技術(shù)、國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域,并已成為現(xiàn)代社會(huì)生活中衣食住行用各個(gè)方面不可缺少的材料。聚合物材料是由相對(duì)分子質(zhì)量較高的化合物構(gòu)成的材料,包括橡膠、塑料、纖維、涂料、膠粘劑和聚合物基復(fù)合材料等。聚合物產(chǎn)品的性能和使用壽命取決于聚合物材料的性能好壞,聚合物高分子材料的結(jié)構(gòu)決定其性能,對(duì)結(jié)構(gòu)的控制和改性,可獲得不同特性的聚合物材料。
[0003]在聚合物材料改性及加工中,等離子體技術(shù)是一種符合環(huán)保要求的新型工藝,越來越受到人們的重視。等離子體處理高分子材料可以改善其表面性能、機(jī)械性能、印染性能等。如等離子體處理可使PP、PET、PBT纖維織物具有高親水性;等離子體的部分凈化和激活作用可提高涂層劑粘合力;常壓等離子體處理不會(huì)影響織物的原有色澤和表面粗糙度坐寸ο
[0004]等離子體是一種全部或部分電離的氣體狀態(tài)物質(zhì),含有原子、分子、離子亞穩(wěn)態(tài)和激發(fā)態(tài),并且電子正離子與負(fù)離子的含量大致相等,物質(zhì)能量較高,易與其他物質(zhì)起物理、化學(xué)和生理反應(yīng)。等離子體中的粒子類型較多且各種粒子的性能也不一樣。等離子體中絕大部分粒子的能量均略高于化學(xué)鍵能,因此等離子體完全有足夠的能量引起聚合物內(nèi)的各種化學(xué)健發(fā)生斷裂或重新組合。等離子體對(duì)高聚物表面的作用有許多理論解釋,如表面分子鏈降解理論、氧化理論、氫鍵理論、交聯(lián)理論、臭氧化理論以及表面介電體理論等,但其對(duì)聚合物表面發(fā)生反應(yīng)機(jī)理可概括為3步:
1)空氣中的少數(shù)自由電子在高電壓電場(chǎng)中被加速而獲得較高動(dòng)能,在運(yùn)動(dòng)時(shí)必然會(huì)撞擊到空間中的其他分子。被撞擊的分子同時(shí)接收到部分能量,成為激發(fā)態(tài)分子而具有活性;
2)激發(fā)態(tài)分子不穩(wěn)定,又分解成自由基消耗吸收的能量,也可能離解成離子或保留其能量而停留于亞穩(wěn)態(tài);
3)自由基或離子在高分子表面反應(yīng)時(shí),可形成致密的交聯(lián)層,等離子體與存在的氣體或單體發(fā)生聚合反應(yīng),沉積在聚合物表面形成具有可設(shè)計(jì)的涂層;等離子體與表面自由基或離子發(fā)生反應(yīng)形成改性層。
[0005]利用非聚合性氣體(如Ar、N2、C0、NH3、02、H2等)等離子體與聚合物材料表面相互作用,使在表面上形成新的官能團(tuán)和改變聚合物鏈結(jié)構(gòu),以改善親(疏)水性、粘接性、表面電學(xué)性能、光學(xué)性能以及生物相容性等,從而達(dá)到表面改性的目的。利用等離子體對(duì)聚合物材料表面進(jìn)行改性有許多優(yōu)點(diǎn):(I)利用等離子體反應(yīng)的特點(diǎn)賦予改性的表面各種優(yōu)異的性能;(2)表面改性層厚度極薄(從幾到數(shù)百納米)基體的整體性質(zhì)不變;(3)可制得超薄、均勻、連續(xù)和無孔的高功能薄膜,且該膜在底基上有強(qiáng)的粘著力,便于各種底料的表面成膜。
[0006]等離子體對(duì)高聚物表面的刻蝕使材料表面產(chǎn)生起伏,變得粗糙,并有鍵的斷裂,因此刻蝕對(duì)提高高聚物材料的粘附性、吸濕性等均有明顯作用。但是過度刻蝕會(huì)使基體材料的力學(xué)性能等受到破壞。因此應(yīng)該選擇能能量合適且最好可調(diào)的等離子體進(jìn)行刻蝕。等離子體中的高能粒子通過轟擊或化學(xué)反應(yīng),使高聚物材料表面的C-H、C-C等鍵斷裂形成自由基。自由基之間重新鍵合,在材料表面形成網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu),使材料的力學(xué)性能、表面性能等得到改善。
[0007]在等離子體改性過程中,等離子體對(duì)聚合物表面進(jìn)行處理時(shí),影響因素是很復(fù)雜的。一個(gè)較重要的影響因素是真空度,真空度過低,等離子體難于到達(dá)基材表面,同時(shí)雜質(zhì)氣體過多,影響處理效果;真空度過高,一方面,在基材表面生成極性基團(tuán)所需要的氣體分子的量不足,難以達(dá)到改性的目的;另一方面,作用粒子數(shù)減少,粒子對(duì)基材表面的碰撞幾率減小,刻蝕作用減弱。因此,提高高分子產(chǎn)品表面的等離子體通量和密度,以及離子的能量的有效控制對(duì)改善等離子體改性效果至關(guān)重要。但是由于高分子的絕緣性,在等離子體處理過程中只能依賴于離子源效率及腔體內(nèi)的氛圍,通過工藝參數(shù)來控制,不確定因數(shù)很多,效果不理想。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)和不足,而提供一種聚合物高分子材料等離子體表面改性工藝,通過真空鍍膜結(jié)合等離子體處理的方法,提高了高分子產(chǎn)品的等離子處理效果,同時(shí)可以提供更多種工藝可能性。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明的技術(shù)方案是包括以下工序:
(1)將聚合物高分子材料產(chǎn)品洗凈,送入配備了鍍膜部件及離子源的八角形真空室內(nèi),抽真空,并預(yù)加熱到100-200度,待真空度到達(dá)7*10e-3的時(shí)候,通入激發(fā)氣體0.l_2Pa之間,開離子源對(duì)聚合物高分子材料產(chǎn)品表面進(jìn)行活化及改性處理,處理時(shí)間5-10分鐘;
(2)將離子源關(guān)閉,將工作氣體氬氣壓強(qiáng)調(diào)整為0.1-1Pa之間,開啟鍍膜部件,所述的鍍膜部件為裝備了金屬靶材的磁控濺射陰極或者精細(xì)離子鍍弧源,在聚合物高分子材料產(chǎn)品的表面沉積導(dǎo)電膜層,鍍膜時(shí)間為5-30分鐘,鍍膜結(jié)束后,開啟脈沖疊加直流偏壓10-20kV,占空比 10%-90% ;
(3)停止鍍膜,通入工作氣體激發(fā)氣體,調(diào)節(jié)壓強(qiáng)在0.l_2Pa之間,開啟離子源激發(fā)過程,及等離子體加速過程,聚合物高分子材料產(chǎn)品接通脈沖疊加直流偏壓10-20kV,占空比10%-90%,對(duì)等離子體進(jìn)行能量調(diào)制;
(4 )等離子處理半個(gè)小時(shí)后,重復(fù)過程(2 )和(3 )至少I次,等離子體處理結(jié)束后,降溫到50度時(shí)候,關(guān)閉真空閥門,通入空氣,打開真空室門,取出處理后的聚合物高分子材料產(chǎn)品O
[0010]進(jìn)一步設(shè)置是所述的導(dǎo)電膜層為Cr、Al、T1、Cu或不銹鋼,或者是成分可調(diào)的T1、Al、Zr、Cu、Cr、Mo、W的金屬氮化物、氮化物或碳氮化物;或者是碳膜涂層。
[0011]進(jìn)一步設(shè)置是所述的離子源為陽(yáng)極層離子源、霍爾離子源、潘寧離子源、空心陰極離子源和考夫曼離子源一種或多種組合,所述的激發(fā)氣體為Ar、N2、CO、NH3、O2、H2—種或多種氣體組合。
[0012]本發(fā)明有益效果是:
1.高分子產(chǎn)品表面的導(dǎo)電膜層提高了產(chǎn)品的導(dǎo)電性,使得電場(chǎng)可以加載在聚合物高分子材料產(chǎn)品上面,對(duì)等離子體進(jìn)行調(diào)制處理。
[0013]2.采用鍍膜和等離子體復(fù)合處理工藝,提高了高分子產(chǎn)品的處理效果,提