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