探析低溫等離子技術在高分子材料工程中的應用

陳宇

【摘 要】從上世紀六十年代以來，在高分子材料工程中越來越多的引入了低溫等離子技術，其加工簡便、綠色環保、低成本的特點，使其在改善高分子材料表面特性中應用廣泛。筆者結合等離子技術的特征，重點分析了低溫等離子技術在塑料、生物應用材料、多孔材料以及改善荒漠化等方面的應用和研究進展。

【關鍵詞】高分子材料；低溫等離子；應用研究

引言：現階段，人們對于環境保護的重視上升到了全新的高度，相關專家對于污染物治理的研究邁入了全新的階段，并涌現出大量的環保技術。材料工程的研究對于環境保護有促進作用。1979年，等離子的概念由WilliamGrouches以來，引起了有機化學領域眾多學者的關注。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品功能相關。而低溫等離子技術在高分子材料表面改性方面應用價值廣泛，可提升高分子材料的附加價值。

1低溫等離子技術及其特征

1.1低溫等離子技術概述

等離子體是游離于固態、氣態、液態之外的物質，可以將其稱之為全新的物質形態，其組成部分為正負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，根據帶電粒子帶電不同，可以將其分為正帶電離子和負帶電離子，并且二者帶電的總量是相同的，同時在宏觀尺度內正負帶電離子都會轉變為電中性；其次，帶電離子間不會產生凈庫侖力；再次，等離子體具有良好的導電性能，相關學者已經利用其導電特征實現環保發電；最后，熱效應是電離氣體的專有特性。按照熱力學平衡狀態，可以將等離子體分為兩種形式：一是平衡態等離子；二是非平衡態等離子體。平衡態等離子體的最高溫度大于10000℃，因此，專家又將平衡態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低溫等離子技術特征

等離子體通常被稱作是“物質的第四種狀態”，根據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熱核聚變等離子體和恒星等，后者是本文討論的重點，主要包括電暈風電等離子體、稀薄低壓輝光放電等離子體和DBD介質阻礙放電等離子體。一般在實驗室環境下，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介質阻礙放電等。低溫等離子技術是一個橫跨物理、化學、生物、環境科學的交叉學科，該技術兼具了物理效應、化學效應和生物效應，具有效率高、能耗低、綠色無污染的特點。其反應具有如下幾個特點：第一，反應溫度低。通常反應溫度接近于常溫，不會給高分子材料內部造成破壞；第二，反應速度快。在氣體放電的瞬間即可完成等離子反應。第三，能量高。由于等離子體為化學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生聚合反應等。第四，適用范圍廣。等離子體的應用范圍廣闊，對于多種高分子材料都可以實現對其表面性能的改善。第五，綠色環保低成本。由于等離子體的反應僅涉及氣態和固態，因而不會造成水資源的浪費，同時反應裝置簡單，可連續運行，反應產物無殘留，不會造成額外的環境負擔[2]。

2高分子材料工程中低溫等離子技術的應用

2.1低溫等離子技術在塑料中的應用

當前，低溫等離子技術在塑料改性中的應用較為廣泛，主要涉及的高分子材料包括聚乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯等。塑料制品的化學性質穩定，耐酸堿，耐低溫，被廣泛應用于制作家庭用品當中。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對塑料進行處理和接枝改性，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的聚合碳膜，可以有效提高塑料制品的極限氧指數，同時延長點燃時間，降低了塑料制品的應用風險[3]。在親水性方面，通過低溫等離子技術對聚四氟乙烯材料的表面進行處理，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低溫等離子技術在多孔材料中的應用

多孔材料中很多由碳基結構構成的，局尊孔道結構均勻，迷宮系數大，可以作為反應中優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。可以通過引入含氟碳化物等離子體對泡沫碳表面進行改性，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韌性。

2.3低溫等離子技術在生物醫用材料中的應用

應用低溫等離子技術，可以對生物醫學中的高分子材料進行表面鍍膜、聚合、改性和修飾等，從而改善生物醫用材料的親水性、透氣性等，通過優化人造移植材料的性能，推動醫療技術的發展。例如，在晶狀體移植手術中，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胞接觸，將造成角膜的永久性損傷。而通過低溫等離子技術中的沉積方法，能夠將親水性的單體如N-乙烯基吡咯烷酮等沉積到PMMA的表面，從而降低角膜細胞的損傷[4]。通過動物實驗發現，利用低溫等離子沉積技術處理后的PMMA進行晶狀體移植，最低可以將復合表面的細胞損傷控制在10%以下。此外，低溫等離子技術還可以用于制作人工血管壁、血液透析薄膜等醫用材料，對于現有醫療技術的提升和醫治效果的改善具有積極的推動作用。

2.4低溫等離子技術在改善荒漠化中的應用

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改性后的高分子被覆層后，層下的土壤化學性質有所改善，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根據荒漠土地菌落分布接種微生物，提升生菌群的多樣性，同時促進綠化層的穩定性，幫助生態系統的恢復[5]。在育種方面，采用低溫等離子技術聚合進行種子的包衣處理，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低溫等離子技術在高分子材料工程中的其他應用

除了上述幾種典型的應用方式外，低溫等離子技術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、醫療、環保、航天、能源等，并且還在持續迸發出強大的生命力。

結語

總體上看，低溫等離子改性技術具有反應效率高、能量大、適用范圍廣、綠色環保的特點，雖然也存在著處理過程中形成的基團復雜，壽命短，機理研究困難等問題，但隨著分析手段的豐富，和高分子材料工程對該技術應用需求的增強，可以斷定低溫等離子技術的未來發展空間非常廣闊。

參考文獻：

[1]袁協堯，楊洋，陳萍，劉衛平.復合材料膠接表面的等離子處理技術[J].玻璃鋼/復合材料，2016（05）：94-100.

[2]安紅玉，楊建忠，郭昌盛.低溫等離子體技術在紡織中的應用[J].成都紡織高等專科學校學報，2016，33（02）：154-157.

[3]王曉娜，任煜.低溫等離子體技術在非織造材料表面改性中的應用[J].合成纖維工業，2015，38（06）：53-57.

[4]黃玉中.淺談等離子體在紡織材料表面改性中的應用進展[J].科學大眾（科學教育），2014（12）：39.

[5]王正剛，王強，張衛強，張養柱，盛曉曄.低溫等離子體對光纜護套表面處理后印字效果淺析[J].現代傳輸，2014（01）：71-75.