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聚丙烯纖維具有的機械性能好、耐彎折、耐化學(xué)品性和抗腐蝕等優(yōu)點,使其廣泛用于索網(wǎng)、坐墊、填充材料、瀝青改性劑、造紙用氈的增強材料等多種領(lǐng)域。同時聚丙烯纖維所具有的易洗性的特性,又很適合做化學(xué)工業(yè)用的防護服。此外,聚丙烯纖維還可作為混凝土、石灰等的填充材料,目的是提高混凝土的抗破壞性、張力穩(wěn)定性、防水性和隔熱性。

聚丙烯纖維的化學(xué)式為(C3H6)n,結(jié)構(gòu)如圖1.1所示:從結(jié)構(gòu)上看,聚丙烯纖維是一種純粹的碳氫高聚物,大分子上既沒有極性基團,又不含化學(xué)活性基團,且與極性聚合物不易相容，所以聚丙烯纖維的化學(xué)穩(wěn)定性及疏水性極強，需要選用的合適手段對其表面進行改性。

圖1.1  聚丙烯纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu) 

PP聚丙烯纖維膜等離子體改性處理原理

大氣壓等離子體改性技術(shù)作為非接觸式的表面改性方法,可以通過調(diào)節(jié)平板的尺寸實現(xiàn)大尺寸纖維膜的處理,具有低成本、綠色環(huán)保的顯著優(yōu)勢。這種方法能在高能狀態(tài)下將空氣轉(zhuǎn)化為等離子體,且產(chǎn)生的電子溫度較低。在保障不損傷低熔點PP纖維膜的同時,短時間內(nèi)將含氧活性官能團均勻地載入纖維膜表面,且不會影響膜基材的性能。

聚丙烯纖維膜表面等離子體的作用機制

等離子體中的各種活性粒子撞擊材料表面并誘發(fā)能量交換,導(dǎo)致許多物理和化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生,實現(xiàn)針對聚丙烯纖維膜的表面改性。等離子體與聚丙烯纖維膜表面的相互作用機理如下圖2所示,根據(jù)反應(yīng)類型可細分為以下四類:

圖2 等離子體改性纖維膜作用機制示意圖

清洗作用

通常有機材料在加工過程中會使用一定的填料或添加劑,導(dǎo)致材料表面堆積形成表面雜質(zhì)層,等離子體處理可以有效去除纖維表面的雜質(zhì)。等離子體對聚丙烯纖維膜的清洗作用是通過熱效應(yīng)、刻蝕作用以及電子、離子和自由基引起的化學(xué)反應(yīng)協(xié)同實現(xiàn)的。由于等離子體中處理纖維膜表面會受到電子、離子轟擊和等離子體輻射的加熱,刻蝕作用可去除表面的懸浮顆粒,對纖維膜的清潔起到主要作用。另外,等離子體產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)在纖維膜的表面吸附和解吸,從而通過化學(xué)反應(yīng)清潔纖維表面。作為干法去除雜質(zhì)的方法,處理過程中不會產(chǎn)生廢液,不會造成環(huán)境污染.

表面功能化

低溫等離子體處理使用等離子體氣體來修飾纖維表面,經(jīng)電場傳遞能量后的氣體電子被加速與中性氣體分子或原子碰撞,碰撞會產(chǎn)生大量具有極高能量和活化作用的自由基,進而反應(yīng)氣體被激發(fā)產(chǎn)生活性粒子。等離子體產(chǎn)生高能量的離子和光子提供高于共價C-C或C-H鍵能的能量,然后轟擊破壞了聚丙烯纖維膜表面的C-C或C-H鍵,導(dǎo)致C自由基的形成。當(dāng)選用不同的處理氣氛,可以在纖維表面引入不同類型的反應(yīng)基團。

采用含F(xiàn)、Si或Cl的氣體或化學(xué)試劑蒸氣作為反應(yīng)物,與非反應(yīng)性載氣混合進行放電,可在纖維表面引入疏水基團。當(dāng)纖維膜被非反應(yīng)性氣體(N2、Ar和He)或反應(yīng)性氣體(O2和NH3)產(chǎn)生的等離子體處理時,纖維表面可以引入一些反應(yīng)性基團導(dǎo)致呈現(xiàn)親水性。

刻蝕作用

隨著等離子體處理時間的增加,聚丙烯纖維表面的弱邊界往往被等離子體中的塊狀粒子的轟擊和濺射去除。此時,纖維表面形貌發(fā)生變化,表面粗糙度增大,可以依據(jù)SEM圖像直觀觀察到纖維膜表面出現(xiàn)了許多明顯的縫隙。因此,為避免對纖維膜基底的損傷,通常選用較低的電壓或氣體消耗下進行。當(dāng)?shù)入x子體處理時間過長時,間隙深度達到數(shù)十至數(shù)百納米。

接枝聚合

通過等離子體預(yù)活化聚丙烯纖維膜表面,可在原納米纖維表面接枝聚合材料以形成新的表面。具體包括以下步驟:氣相中的有機前體活化,將所得反應(yīng)性成膜物質(zhì)傳輸?shù)交谋砻?以及表面上的聚合物生長。需要注意的是,聚合過程總是與蝕刻效應(yīng)相伴隨。事實上,它們是同時發(fā)生的兩個競爭過程。

綜上所述：等離子體由帶電粒子(電子和離子)、激發(fā)原子(自由基,亞穩(wěn)態(tài)分子)和光子的混合物組成,離子、電子、激發(fā)原子等物質(zhì)會對聚丙烯纖維膜表面進行轟擊,在聚丙烯纖維膜表面產(chǎn)生物理和化學(xué)反應(yīng),起到表面清潔、表面刻蝕、表面活化等作用。