第七章高分子材料的表面改性PPT课件
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电晕的危害：1. 输电线上如果有电晕发生，则会有电晕电流，引起电力损耗； 2. 电晕放电具有脉冲的性质，会对广播电视产生干扰；3. 强的电磁场会对人体健 康产生影响，可能引起血压和脉搏的变动、心脏无节律波动、易于激动和疲劳等。
● 这些高能粒子与聚合物表面作用，使聚合物表面产生 自由基和离子，在空气中氧的作用下，聚合物表面可 形成各种极性基团，因而改善了聚合物的粘接性和润 湿性。电晕处理可使薄膜的润湿性提高，对印刷油墨 的附着力显著改善。
等等
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7.1 电晕放电处理
● 聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃是非极性材料，有高度的结晶性，其表面的 印刷、粘接、涂层非常困难。电晕放电因简便易行，处理效果好，是 聚烯烃薄膜中最常用的表面处理方法。
● 电晕放电装置示意图如图7-1。
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当施加高压电时，局部发光放电，产生电子、正 离子、负离子。结果在阳极和阴极之间产生电晕。
EkhEB
Ek为光电子动能；hν为激发光能量； EB为固体中电子结合能；Φ为逸出功
7
内能级结合能及其强度（谱峰面积）可分别作为元素 识别和原子相对浓度的测定。
C1s=~285eV; N1s=399~400eV; O1s=~533.0eV
单色化AlKα射线激发的聚苯氧基膦嗪的XPS谱来
自《聚合物表面分析》，[英]，D 布里格斯 著
Photoelectron Spectroscopy，ESCA, Electron Spectroscopy for Chemical Analysis）； ● 表面处理效果：性能的改进（粘结强度，印刷性、染色性 等）
6
XPS简单介绍：
通过用X射线辐照样品，激发样品表面除H、He以 外所有元素中至少一个内能级的光电子发射，并对产生 的光电子能量进行分析，以研究样品表面的元素和含量。
8
9
● 电晕放电处理: 氧化
Hale Waihona Puke Baidu
● 火焰处理: 氧化
表
● 化学改性: 氧化, 粗糙化表面
面
● 等离子体改性: 交联,引入官能团等
改
● 辐照改性: 引入不同的聚合物链
性 的
● 光化学改性: 引入不同的聚合物链
方
● 力化学改性: 引入不同基团或聚合物链
法
● 偶联剂改性: 引入不同基团
● 溶剂洗涤: 清洁, 粗糙化表面
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概况三
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第7章 聚合物的表面改性
3
改性原因： 聚合物表面（1）表面能低（2）化学惰性（3）表面污染
及存在弱边界层等原因，往往难以润湿和粘合。因此，常常要 对聚合物进行表面处理。
除了润湿和粘合性能，还包括:涂膜性、可染性、抗静电性、 印刷性、防雾滴性能、生物相容性等许多方面。
12
电晕放电处理方式
1. 在薄膜的生产线上进行，即通常所说的热膜处理。 优点：处理效果好； 限制性：适用于处理完就使用的场合，比如马上用于印刷、 涂布或复合；
2. 在薄膜的再加工线上进行，及通常所说的冷膜处理。 限制性：处理效果与薄膜存放时间有关。处理完后就应用。
3. 进行两次处理。 既在生产线上处理，又在再加工线上处理，为了保证使用前 的表面质量
计算：失水山梨醇单月桂酯（月桂酸为12C酸）的HLB值。 解1： 亲水基=3*0.5+1.3+6.8=9.6
憎水基=12-1+6=17 17*0.475=8.075 HLB=7+9.6-8.075=8.53
解2：亲水部分：
O C H 2 C H -C H 2-O H
H O -C H C H -O H CH
● 聚合物表面经火焰处理处理后，粘接性和可润湿性得到改善。
● 火焰处理的原理：火焰中含有许多激活的自由基、离子、电子和中子， 如处于激发态的O、NO、OH和NH等。这些基团能夺取聚合物表面 的氢，随后按自由基机理进行表面氧化反应，使聚合物表面生成羰 基、羧基、羟基等含氧活性基团和不饱和双键，从而提高聚合物的 表面活性。
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120s
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71.1
一般，讨论聚合物的表面改性，往往涉及表面能增大方面。 但事实上，也还有从表面能减小的方向进行改性，以达到具有 防污性的目的。
4
前保险杆
汽车的前后保险杆
后保险杆
聚乙烯手提袋的印刷
5
聚合物在表面改性后，其表面化学、物理结构发生了变化， 表面改性的效果往往由材料使用性能评估。
● 表面物理性能：接触角，表面张力的测试； ● 表面形貌：电子显微镜观察； ● 表面化学组成：X射线光电子谱（XPS, X-ray
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7.3 化学改性
● 化学处理是使用化学试剂浸渍聚合物，使其表面发生化学的和物理的 变化。
7.3.1 含氟聚合物 含氟聚合物，具有优良的耐热性、化学稳定性、电性能以及抗水气
的穿透性能，在化学、电子工业和医学方面有广泛应用。但含氟聚合物 的表面能很低，是润湿性最差粘结最难的聚合物，使其应用受到限制。 因此必须表面改性。
对含氟聚合物表面进行化学处理，广泛使用的是钠萘或钠氨溶液， 可提高其表面张力和可润湿性，改善其与其他材料的粘结性。
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表4-1 钠－萘处理FEP的表面性能
表面张力/(mN/m)
粘附功
σd
σp
σ
（×10-7J/cm2)
FEP（未处理） 19.6
0.4
20.0
48.4
处理后
10S
35.4
5.3
40.7
O -C -C 11H 23 O
失水山梨醇：C6H11O4，分子量： 72+11+64=147； 整个分子量： C6H11O4 +C12H23O2=147+144+23+32=346 HLB=147/346*100/5=8.50
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整体概述
概况一
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概况二
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7.2 火焰处理和热处理
● 火焰处理是用可燃性气体的热氧化焰对聚合物表面进行瞬间高温燃 烧，使其表面发生氧化反应而达到处理的目的。
可燃性气体通常采用焦炉煤气、甲烷、丙烷、丁烷、天然气和一定比例 的空气或氧气；
瞬间：0.01~0.1s内；高温：1000~2700 ℃； 氧化过程按自由基机理进行，表面可被氧化引入含氧基团，并随着发生 断链反应。
● 这些高能粒子与聚合物表面作用，使聚合物表面产生 自由基和离子，在空气中氧的作用下，聚合物表面可 形成各种极性基团，因而改善了聚合物的粘接性和润 湿性。电晕处理可使薄膜的润湿性提高，对印刷油墨 的附着力显著改善。
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7.1 电晕放电处理
● 聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃是非极性材料，有高度的结晶性，其表面的 印刷、粘接、涂层非常困难。电晕放电因简便易行，处理效果好，是 聚烯烃薄膜中最常用的表面处理方法。
● 电晕放电装置示意图如图7-1。
11
当施加高压电时，局部发光放电，产生电子、正 离子、负离子。结果在阳极和阴极之间产生电晕。
EkhEB
Ek为光电子动能；hν为激发光能量； EB为固体中电子结合能；Φ为逸出功
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内能级结合能及其强度（谱峰面积）可分别作为元素 识别和原子相对浓度的测定。
C1s=~285eV; N1s=399~400eV; O1s=~533.0eV
单色化AlKα射线激发的聚苯氧基膦嗪的XPS谱来
自《聚合物表面分析》，[英]，D 布里格斯 著
Photoelectron Spectroscopy，ESCA, Electron Spectroscopy for Chemical Analysis）； ● 表面处理效果：性能的改进（粘结强度，印刷性、染色性 等）
6
XPS简单介绍：
通过用X射线辐照样品，激发样品表面除H、He以 外所有元素中至少一个内能级的光电子发射，并对产生 的光电子能量进行分析，以研究样品表面的元素和含量。
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● 电晕放电处理: 氧化
Hale Waihona Puke Baidu
● 火焰处理: 氧化
表
● 化学改性: 氧化, 粗糙化表面
面
● 等离子体改性: 交联,引入官能团等
改
● 辐照改性: 引入不同的聚合物链
性 的
● 光化学改性: 引入不同的聚合物链
方
● 力化学改性: 引入不同基团或聚合物链
法
● 偶联剂改性: 引入不同基团
● 溶剂洗涤: 清洁, 粗糙化表面
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概况三
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第7章 聚合物的表面改性
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改性原因： 聚合物表面（1）表面能低（2）化学惰性（3）表面污染
及存在弱边界层等原因，往往难以润湿和粘合。因此，常常要 对聚合物进行表面处理。
除了润湿和粘合性能，还包括:涂膜性、可染性、抗静电性、 印刷性、防雾滴性能、生物相容性等许多方面。
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电晕放电处理方式
1. 在薄膜的生产线上进行，即通常所说的热膜处理。 优点：处理效果好； 限制性：适用于处理完就使用的场合，比如马上用于印刷、 涂布或复合；
2. 在薄膜的再加工线上进行，及通常所说的冷膜处理。 限制性：处理效果与薄膜存放时间有关。处理完后就应用。
3. 进行两次处理。 既在生产线上处理，又在再加工线上处理，为了保证使用前 的表面质量
计算：失水山梨醇单月桂酯（月桂酸为12C酸）的HLB值。 解1： 亲水基=3*0.5+1.3+6.8=9.6
憎水基=12-1+6=17 17*0.475=8.075 HLB=7+9.6-8.075=8.53
解2：亲水部分：
O C H 2 C H -C H 2-O H
H O -C H C H -O H CH
● 聚合物表面经火焰处理处理后，粘接性和可润湿性得到改善。
● 火焰处理的原理：火焰中含有许多激活的自由基、离子、电子和中子， 如处于激发态的O、NO、OH和NH等。这些基团能夺取聚合物表面 的氢，随后按自由基机理进行表面氧化反应，使聚合物表面生成羰 基、羧基、羟基等含氧活性基团和不饱和双键，从而提高聚合物的 表面活性。
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71.1
一般，讨论聚合物的表面改性，往往涉及表面能增大方面。 但事实上，也还有从表面能减小的方向进行改性，以达到具有 防污性的目的。
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前保险杆
汽车的前后保险杆
后保险杆
聚乙烯手提袋的印刷
5
聚合物在表面改性后，其表面化学、物理结构发生了变化， 表面改性的效果往往由材料使用性能评估。
● 表面物理性能：接触角，表面张力的测试； ● 表面形貌：电子显微镜观察； ● 表面化学组成：X射线光电子谱（XPS, X-ray
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7.3 化学改性
● 化学处理是使用化学试剂浸渍聚合物，使其表面发生化学的和物理的 变化。
7.3.1 含氟聚合物 含氟聚合物，具有优良的耐热性、化学稳定性、电性能以及抗水气
的穿透性能，在化学、电子工业和医学方面有广泛应用。但含氟聚合物 的表面能很低，是润湿性最差粘结最难的聚合物，使其应用受到限制。 因此必须表面改性。
对含氟聚合物表面进行化学处理，广泛使用的是钠萘或钠氨溶液， 可提高其表面张力和可润湿性，改善其与其他材料的粘结性。
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表4-1 钠－萘处理FEP的表面性能
表面张力/(mN/m)
粘附功
σd
σp
σ
（×10-7J/cm2)
FEP（未处理） 19.6
0.4
20.0
48.4
处理后
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35.4
5.3
40.7
O -C -C 11H 23 O
失水山梨醇：C6H11O4，分子量： 72+11+64=147； 整个分子量： C6H11O4 +C12H23O2=147+144+23+32=346 HLB=147/346*100/5=8.50
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整体概述
概况一
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概况二
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7.2 火焰处理和热处理
● 火焰处理是用可燃性气体的热氧化焰对聚合物表面进行瞬间高温燃 烧，使其表面发生氧化反应而达到处理的目的。
可燃性气体通常采用焦炉煤气、甲烷、丙烷、丁烷、天然气和一定比例 的空气或氧气；
瞬间：0.01~0.1s内；高温：1000~2700 ℃； 氧化过程按自由基机理进行，表面可被氧化引入含氧基团，并随着发生 断链反应。