高分子材料的表面改性
高分子材料的表面改性与性能
高分子材料的表面改性与性能在当今科技飞速发展的时代，高分子材料凭借其优异的性能和广泛的应用领域，已经成为材料科学领域的重要组成部分。
然而，高分子材料的表面性能往往限制了其在某些特定场合的应用。
为了拓展高分子材料的应用范围，提高其性能，表面改性技术应运而生。
高分子材料的表面改性是指在不改变材料本体性能的前提下，通过物理、化学或生物等方法对材料表面的化学组成、微观结构和物理性能进行调整和优化。
其目的是改善高分子材料的表面润湿性、黏附性、耐磨性、耐腐蚀性、生物相容性等性能，以满足不同领域的应用需求。
物理改性方法是表面改性中较为常见的一类。
其中，等离子体处理是一种高效的技术手段。
等离子体中的高能粒子能够与高分子材料表面发生碰撞和反应，引入新的官能团，增加表面粗糙度，从而改善表面的亲水性和黏附性。
例如，经过等离子体处理的聚乙烯薄膜，其表面能显著提高，与油墨、涂料的结合力增强，印刷和涂装效果得到明显改善。
另一种物理改性方法是离子束注入。
通过将高能离子注入到高分子材料表面，可以改变表面的化学组成和结构，进而改善其性能。
比如，将氮离子注入到聚四氟乙烯表面，可以显著提高其耐磨性和耐腐蚀性。
化学改性方法在高分子材料表面改性中也具有重要地位。
化学接枝是一种常用的化学改性手段。
通过在高分子材料表面引入活性基团，然后与其他单体进行接枝反应，可以在表面形成一层具有特定性能的接枝聚合物层。
例如，将丙烯酸接枝到聚丙烯表面，可以使其具有良好的亲水性和生物相容性。
表面涂层也是一种常见的化学改性方法。
在高分子材料表面涂覆一层具有特定性能的涂层材料，如金属涂层、陶瓷涂层或聚合物涂层，可以显著改善其表面性能。
比如，在塑料表面涂覆一层金属涂层，可以赋予其良好的导电性和电磁屏蔽性能。
除了物理和化学改性方法，生物改性方法在近年来也受到了广泛关注。
生物改性主要是通过在高分子材料表面固定生物活性分子，如蛋白质、酶、抗体等，赋予材料特定的生物功能。
高分子材料改性技术
高分子材料的几种常用改性技术，如化学改性、共混改性、填充改性、纤维增强改性、表面改性技术。
化学改性是通过化学反应改变聚合物的物理、化学性质的方法。
如聚苯乙烯的硬链段刚性太强，可引进聚乙烯软链段，增加韧性；尼龙、聚酯等聚合物的端基(氨基、羧基、羟基等)，可用一元酸(苯甲酸或乙酸酐)、一元醇(环己醇、丁醇或苯甲醇等)进行端基封闭；由多元醇与多元酸缩聚而成的醇酸聚酯耐水性及韧性差，加入脂肪酸进行改性后可以显著提高它的耐湿性和耐水性，弹性也相应提高。
共混是指共同混合，是一种物理方法，使几种材料均匀混合，以提高材料性能的方法，工业上用炼胶机将不同橡胶或橡胶与塑料，均匀地混炼成胶料是典型的例子，也可以在聚合物中加入某些特殊性能的成分以改变聚合物的性能如导电性能等。
在塑料成型加工过程中加入无机或有机填料的过程称为填充改性。
是在塑料基体（母体）中加入模量高得多的非纤维类的材料（一般为微粒状）。
通常认为填充改性是为了降低成本而进行的，实际上很多塑料制品如果没有填充助剂的加入，很难得到符合满意的应用效果。
高分子材料的表面修饰和性能控制
高分子材料的表面修饰和性能控制高分子材料是一类重要的材料，在各个领域都有广泛的应用。
然而，由于其特殊的结构和性质，高分子材料的表面往往具有一定的缺陷和不稳定性，这限制了其在某些领域的应用。
为了改善高分子材料的性能，科学家们进行了大量的研究，发展了各种表面修饰和性能控制的方法。
一种常见的表面修饰方法是物理方法，如等离子体处理和激光刻蚀。
等离子体处理是利用等离子体的化学反应和能量转移来改变高分子材料表面的化学组成和形貌。
通过等离子体处理，可以在高分子材料表面形成一层致密的氧化层，从而提高其耐热性和耐腐蚀性。
激光刻蚀则是利用激光的高能量和高浓度来刻蚀高分子材料表面，从而改变其形貌和表面粗糙度。
这种方法可以用于制备具有特殊形貌和表面结构的高分子材料，如微纳米结构和光学薄膜。
另一种常见的表面修饰方法是化学方法，如表面改性和涂覆。
表面改性是通过在高分子材料表面引入新的化学基团，改变其表面性质和化学活性。
常用的表面改性方法包括化学修饰、原子层沉积和化学吸附等。
化学修饰是在高分子材料表面引入新的官能团，从而改变其表面化学性质和亲水性。
原子层沉积是利用化学气相沉积技术在高分子材料表面沉积一层原子尺度的薄膜，从而改变其表面结构和电学性能。
化学吸附是利用高分子材料表面的化学反应活性吸附特定的分子，从而改变其表面性质和分子识别能力。
涂覆是将一层特定的材料涂覆在高分子材料表面，从而改变其表面性质和功能。
常用的涂覆材料包括聚合物、金属和陶瓷等。
通过涂覆，可以在高分子材料表面形成一层致密的保护层，从而提高其耐磨性和耐腐蚀性。
除了表面修饰，高分子材料的性能控制也是一个重要的研究方向。
高分子材料的性能主要包括力学性能、热学性能和电学性能等。
力学性能是指高分子材料的强度、韧性和硬度等。
热学性能是指高分子材料的热稳定性、导热性和热膨胀系数等。
电学性能是指高分子材料的导电性、介电性和电化学性能等。
为了控制高分子材料的性能，科学家们采用了多种方法，如添加剂改性、共聚物合成和纳米填料增强等。
高分子材料表面改性技术考核试卷
标准答案
一、单项选择题
1. C
2. B
3. A
4. D
5. A
6. C
7. B
8. C
9. C
10. B
11. A
12. D
13. D
14. C
15. C
16. A
17. C
18. A
19. B
20. B
二、多选题
1. ABCD
2. ABCD
3. AB
4. ABC
5. ABC
2.等离子体处理通过高能粒子轰击材料表面，产生活性位点，增强表面化学反应性，用于清洗、活化、交联等改性过程，提高材料表面性能。
3.化学气相沉积（CVD）技术在制备涂层中的应用包括热CVD、等离子体增强CVD等，通过气相反应在材料表面沉积薄膜，改变其表面特性。
4.表面改性在生物医学领域的应用如改善植入材料的生物兼容性，通过引入生物活性分子（如羟基、胺基等）减少蛋白质吸附和细胞粘附，降低炎症反应。
B.光刻技术
C.化学腐蚀
D.热压贴合
19.以下哪些改性剂常用于高分子材料表面的化学改性？（）
A.酰化剂
B.磺化剂
C.硅烷偶联剂
D.表面活性剂
20.以下哪些技术可以用于高分子材料表面的功能性涂层制备？（）
A.化学气相沉积
B.等离子体增强化学气相沉积
C.溶液涂层
D.热喷涂
三、填空题（本题共10小题，每小题2分，共20分，请将正确答案填到题目空白处）
8.以下哪些情况下需要高分子材料表面改性？（）
A.提高粘接强度
B.改善抗污染性
C.减少表面缺陷
D.提高导电性
9.在进行高分子材料表面改性时，哪些因素需要重点考虑？（）
高分子材料的表面改性
注入样品剂量：2×1016 ions／cm2
图3 氮离子注入后PTFE表面的EDX谱
1.2 离子注入改性的机理
图2表明，氮离子注入后PTFE表面有新键产生 （678cm-1）,图3表明，氮离子注入后的样品，表现 出脱氟和氧化现象。 （4）离子注入不只产生断链和交联，而且产生导致 新化学键形成的微合金。X射线衍射分析表明，离子 束合金导致化学交联，未饱和的强共价结合和随机 分布类金刚石四方结合，导致产生坚固表面的三维 刚性梯状结构。
2.1 等离子体作用原理
反应气氛 反应气体 非反应气体
氧气、氮气
Ar、He
a.与原子氧反应：
2.1 等离子体作用原理
b.与分子氧反应：
c.与过氧化自由基反应：
可见，等离子体表面氧化反应是自由基连锁反应， 反应不仅引入了大量的含氧基团，如羰基及羟基， 而且对材料表面有刻蚀作用。
2.1 等离子体作用原理
化学健的键
C=O 8.0
2.1 等离子体作用原理
等离子体对高分子材料表面的作用有许多理论 解释，如表面分子链降解理论、氧化理论、氢键理 论、交联理论、臭氧化理论以及表面介电体理论等， 但其对聚合物表面发生反应机理可概括为三步。
自由基 表层形成致密的交联层
高压电场
高动能
空气中电子
加速 撞击分子
激态分子
1.1
离子注入的特点
(6)离子注入功率消耗低，以表面合金代替整体合金， 节约大量稀缺金属和贵重金属，而且没有毒性，利 于环保。 (7)离子注入工艺的缺点是设备一次性投资大，注入 时间长、注入深度浅、视线加工等缺点，不适合复 杂形态构件改性。
第七章--高分子材料的表面改性
● 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。
● 表面化学组成：X射线光电子谱（XPS, X-ray 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）
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。
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。
7.5.2 等离子体处理对聚合物表面的改性效果
（1）表面交联
CH2 CH 2 + He 2 ( CH 2 CH ) CH 2 CH + H .
+
高分子材料表面润湿性改性研究
高分子材料表面润湿性改性研究一、引言高分子材料广泛应用于现代化工、制造、医学等领域，但其表面润湿性常常不足以满足特定需求。
因此，科学家需要改性高分子材料表面润湿性以满足特殊的应用需要。
这篇文章着重从不同角度探讨改性高分子材料表面润湿性的研究进展。
二、润湿性概述表面润湿性是润滑剂、颜料、胶粘剂、涂料、聚合物等材料应用中至关重要的性质，是基于表面形态、表面能量和液体表面张力的互作用原理。
通过表面张力的影响，液体能够黏附在具有亲和力的表面上，从而使材料表现出润湿性。
表面润湿性对于许多应用非常关键，包括生物学、生物医学、纳米技术、涂料等多个领域，因此，高分子材料表面润湿性的改性研究越来越受到重视。
三、改性方法目前，有许多途径来改性高分子材料表面润湿性，除了物理和化学方法之外，在材料平台上，活性涂层、多功能纳米材料和基于生物特征的改性方法受到越来越多的关注。
1. 物理方法物理方法是通过对高分子材料表面进行局部调整改变其润湿性。
典型的方法包括激光纹理加工、电化学阳极氧化、热处理和等离子体处理。
激光纹理加工能够形成非常细致的结构和形态，在改善高分子材料表面润湿性方面具有很大的潜力。
电化学阳极氧化是利用电化学氧化法对金属、高分子等表面进行改性。
热处理包括热压和退火是一种简单有效的方法，通过调节温度和时间来改善润湿性。
等离子体处理可通过工艺参数调节得到不同的表面化学键和化学成分，从而改变表面润湿性。
2. 化学方法化学方法是通过对高分子材料表面进行化学修饰使其具有良好的润湿性。
在化学方法中，活性涂层和多功能纳米材料是当前广受关注的领域。
活性涂层可以在材料表面上形成功能性化合物层，从而获得所需的表面润湿性、切削和摩擦性能。
活性涂层的目的是选择单一或混合高分子材料，利用活性化合物集成表面上的亲水、疏水性，太阳能吸收、电化学、光学、生物响应等。
多功能纳米材料的目标是，通过合成具有多种作用的复合材料，实现材料的优化性质。
多功能纳米材料有多种结构和形态，因此，它们有不同的性质，如增强材料的机械性能、抗氧化和防腐等。
高分子材料表面界面改性研究
高分子材料表面界面改性研究高分子材料是现代材料科学中的热门和重要研究领域之一，是指其分子量可在数十万到数百万之间的材料。
由于高分子材料的优良特性，其广泛应用于医药、食品、电子、建筑、汽车等方面。
但高分子材料表面的性质和特性限制了其应用的范围和效果。
因此，人们对高分子材料表面界面改性的研究日益引起了关注。
高分子材料的表面性质与其它材料不同。
它的表面能较低，比如对于聚合物材料，它的表面能通常只有25-40mJ/m2，比水和玻璃低得多。
这使得其表面易於被污染和附着不易去除的污垢，从而影响材料的物化状态。
通过改善材料表面的可湿性和润湿性，可以提高材料的性能和降低使用过程中的故障率。
高分子材料表面界面改性涉及很多方面。
其中一种方法是物理方法，如可高能离子轰击和激光辐照。
这些方法可提高表面能，增加表面活性，改变材料表面形貌以及介电性和机械性能。
另一种比较重要的方法是应用化学方法，包括化学沉积、电沉积、离子交换以及化学修饰等。
化学修饰是一种采用化学方法改变材料表面的化学性质的方法。
通过表面处理或修饰，可以形成新的化学键，改变其表面化学性质，从而实现高分子材料的表面性能的控制和调整。
这些表面修饰分为随机修饰和定向修饰两种。
随机修饰方法是改变表面化学性质的最基本方法之一。
他们通过改变材料表面的化学特性，来自地址材料的特殊要求。
通常采用的方法包括辐射接枝、等离子体聚合、交联及改性等技术，这些技术可形成随即的化学功能分子，本质上是将化学功能分子或聚合物链接到基体材料表面。
一种比较典型的随机修饰方法是离子交换。
离子交换材料（IEM）是具有正离子交换组分的高分子材料，其中的正离子置换了材料的原子基。
离子交换的机理是通过离子与基体中的离子进行交换，从而改变表面性质。
例如，切尔西蓝（chelseablue）离子能够与聚乙烯亚胺（PEI）的氮原子进行电荷转移，产生基础上的化学反应，并与PEI交换，从而改变了材料的表面性质。
定向修饰方法是一种更为高级的表面修饰方法，通过修饰材料表面的化学键制备定向功能材料。
高分子材料的界面改性及应用研究
高分子材料的界面改性及应用研究一、介绍高分子材料是一种重要的工程材料，在工业生产、医疗卫生、能源领域等方面都有广泛的应用。
然而，由于高分子材料表面的缺陷和自由基等缺陷，使其在使用过程中容易出现劣化、老化以及化学反应等问题。
所以界面改性技术的应用升级已变得越发重要。
二、高分子材料界面改性的方法界面改性技术是通过在高分子材料表面附加一种或多种化学物质的方式，改变高分子材料表面的化学和物理性质以及结构，从而达到优化物体性能的目的。
界面改性主要有以下几种方法：1.表面包覆法表面包覆法是在高分子粒子表面生成一层包裹。
主要应用于高分子材料的稳定性和物理力学性能的提高以及抗氧化性能的改善。
常见的包覆材料有硅酸盐、钛酸盐等。
2.气相沉积法气相沉积法是把目标材料的气体原子或分子通过蒸发、溅射等方式冲击到高分子材料表面上去。
它可用于制备高分子涂层、表面修饰。
3.表面活性改性法表面活性改性法是通过在高分子材料表面改变表面活性基团的方式，从而改变其物理和化学性质的方法。
常见的表面活性基团有羟基、胺基、羰基等。
4.离子注入法离子注入法是利用加速器将目标离子加速到高速度，在高分子材料表面形成一层薄层，从而实现界面改性的方法。
常见的离子有氮、氩等。
三、高分子材料界面改性的应用研究界面改性技术对高分子材料性质的改善，使其在各种领域得到广泛应用。
下面以几个示例介绍其应用研究：1.在医疗方面，通过界面改性技术，增加了不同颜色的荧光纳米包被物质的吸附能力，使比色比荧光更具选择性信号，有望在癌症早期筛查和诊断中得到广泛应用。
2.在电力行业，通过界面改性技术，制备出耐高温、防辐照的电线、电缆等，提升了电线电缆的使用寿命。
3.在机械工程方面，通过界面改性技术，可以制备出具有耐磨、耐冲击、抗静电等特性的高分子材料，从而提高机械设备的使用寿命和安全性。
四、结论高分子材料界面改性技术作为先进的表面改性技术，在材料科学与技术领域具有重要的应用前景。
高分子材料的表面性质与性能优化研究探讨
高分子材料的表面性质与性能优化研究探讨在现代材料科学的领域中，高分子材料凭借其独特的性能和广泛的应用，已经成为了不可或缺的一部分。
高分子材料的表面性质对于其在实际应用中的性能表现有着至关重要的影响。
因此，深入研究高分子材料的表面性质，并探索有效的性能优化方法，具有重要的科学意义和实际应用价值。
高分子材料的表面性质是一个复杂而多样的概念，它涵盖了多个方面的特性。
首先，表面能是一个关键因素。
表面能的大小决定了材料表面与其他物质之间的相互作用强度，例如粘附性、润湿性等。
低表面能的高分子材料通常表现出良好的防水、防油性能，而高表面能的材料则更容易与其他物质发生相互作用。
表面粗糙度也是影响高分子材料表面性质的重要因素之一。
粗糙的表面往往会增加材料的表面积，从而影响其与外界环境的接触和相互作用。
在某些应用中，如需要增强摩擦力的场合，较高的表面粗糙度是有益的；而在需要减少阻力或提高光洁度的情况下，则需要降低表面粗糙度。
此外，表面化学组成同样对高分子材料的性能有着显著影响。
通过在材料表面引入特定的官能团，可以改变其化学性质，从而赋予材料新的功能。
例如，引入亲水官能团可以提高材料的亲水性，使其在生物医学领域有更好的应用前景；引入抗菌官能团则可以使材料具有抗菌性能。
了解了高分子材料的表面性质后，我们来探讨一下如何对其性能进行优化。
表面改性是一种常用的方法。
物理改性包括等离子体处理、激光处理等。
等离子体处理可以在材料表面引入极性基团，从而改变其表面能和化学性质。
激光处理则可以通过精确控制激光的能量和作用区域，实现对表面粗糙度的调控。
化学改性也是优化高分子材料表面性能的重要手段。
例如，通过表面接枝反应，可以在材料表面引入特定的聚合物链，从而改变其表面性质。
这种方法具有较高的改性效率和针对性，可以根据实际需求精确地调整材料的性能。
除了表面改性，表面涂层技术也是一种有效的性能优化方法。
在高分子材料表面涂覆一层具有特定性能的涂层，可以显著改善其表面性能。
第6章-高分子材料的表面改性方法
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汽车的前后保险杆
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
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火焰处理和热处理
• 聚合物中常常加有抗氧剂，抗氧剂对火焰氧化没有影响， 对热氧化却有很大影响。
• 热氧化是按自由基机理进行的，引发阶段是通过热活化慢 速产生高分子自由基：
RH 热活化 R H (或R1 R2)
• 抗氧剂可消除热氧化产生的聚合物自由基而使整个氧化反 应淬灭，因而阻止热氧化的进行
1
复习
• 表面张力与温度的关系 • 表面张力与分子量的关系
• 表面张力与表面形态的关系:晶态的表面张力高于非晶态;高聚
物熔体固化时，通常表面生成非晶态高聚物，本体富集晶态高聚物高聚物;熔 体在具有不同成核活性（或不同表面能）的表面上冷却，可得到结晶度不同的 表面。
• 表面张力与分子结构的关系 • 表面张力与内聚能密度
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等离子体表面改性
2.极性基团的引入
等离子体处理可在聚合物表面引进各 种极性基团。如NH3等离子体或N2与O2 混合的等离子体处理可在高分子表面 引入胺基、亚胺基或腈基等； 氩等离子由于产生长寿命的自由基， 可与氧反应形成羰基、羧基和羟基等； 空气和氧的等离子体可引起大范围的 表面氧化，引入丰富的极性基团。
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火焰处理和热处理
• 热处理是把聚合物暴露在热空气中进行氧化反应，使 其表面被引进羰基、羧基以及某些胺基和过氧化物， 从而获得可润湿性和粘结性。热处理的温度只有几百 度（<500℃），远低于火焰处理的温度，因而处理时 间较长。
高分子材料加工及表面改性技术
高分子材料加工及表面改性技术高分子材料，其实就是具有很高分子量的化合物。
这种材料具有比较高的强度和韧性，可以应用在很多领域中，例如工业、医学、电子等等方面，而高分子材料加工及表面改性技术，则是围绕着这种材料的处理技术而展开的研究和实践。
在这篇文章中，我将针对高分子材料的加工和表面改性技术进行探讨。
一、高分子材料加工技术高分子材料的加工技术，主要包括成型加工、加工工艺以及加工装备等三个方面。
1. 成型加工成型加工，是指将高分子材料加工成所需形状和尺寸的工艺过程。
其中，最常见的成型加工方法，便是注塑成型。
注塑成型是一种通过芯棒将熔化的高分子塑料注入模具中冷却成型的方法。
该方法在整个加工处理过程中，需要用到注塑机、机械手等设备。
此外，还有挤出成型、吹塑成型、压缩成型等不同的成型加工方法。
这些方法，适用于不同的高分子材料以及不同的加工需求。
2. 加工工艺加工工艺，则是指通过调节加工参数，使高分子材料达到最佳加工状态。
对于不同的高分子材料，其加工参数也会有所不同。
举例来说，在进行注塑加工处理时，需要考虑高分子材料的注塑温度、注塑压力、注塑速度、模具温度等因素。
3. 加工装备高分子材料加工中，加工装备则是重要的辅助性因素。
相应的，加工装备的维护保养，以及开展相应的技术培训，也是加工成功的关键之一。
二、高分子材料表面改性技术除了高分子材料加工技术以外，改善高分子材料表面性能的技术也受到了广泛的关注。
表面改性技术，可以通过物理、化学、生物等多种途径，将高分子材料的表面性能得到改进。
1. 物理方法物理方法，指的是通过物理手段来进行表面改性。
例如，通过使用阳极氧化、喷砂处理以及激光加工等方法，对高分子材料的表面进行改良。
在这些方法中，激光加工则属于一种比较高效的表面处理技术。
通过使用激光加工设备，可以在材料表面形成微米级别的表面结构和纳米级别的结晶区域，从而达到更好的表面改性。
2. 化学方法化学方法，指的是在高分子材料表面添加化学物质，从而起到改性的作用。
高分子材料的表面改性与功能化
高分子材料的表面改性与功能化高分子材料是一类重要的材料，广泛应用于许多领域。
然而，由于其特殊的性质和结构，其表面常常具有一些不足，如亲水性差、耐磨性差等问题。
为了克服这些问题，提高高分子材料的性能，人们提出了表面改性和功能化的方法。
本文将介绍高分子材料的表面改性与功能化的基本概念、方法和应用。
一、表面改性的概念和方法表面改性是指对高分子材料表面进行一系列化学或物理处理，改变其表面性质的过程。
常见的表面改性方法包括：1. 化学改性：通过在高分子材料表面引入新的官能团，改变其表面性质。
例如，通过表面引入羟基、氨基等官能团，可以增强高分子材料的亲水性；2. 物理改性：利用物理方法改变高分子材料的表面形貌和性质。
例如，利用等离子体处理可以使高分子材料表面形成更为平整的结构，增加其耐磨性；3. 界面改性：在高分子材料表面形成一层致密的界面层，提高其与其他材料的相容性。
例如，通过溶液法将一层介于高分子材料与其他材料之间的化合物涂覆在其表面，形成稳定的界面。
二、功能化的概念和方法功能化是指在高分子材料的表面上引入具有特定功能的官能团或化合物，赋予其新的性能和应用功能。
常见的功能化方法包括：1. 生物功能化：在高分子材料的表面引入生物活性分子，使其具有生物相容性、抗菌性等功能。
例如，通过将低分子量的抗菌剂共聚合到高分子材料表面，可以使其具有良好的抗菌性；2. 光学功能化：在高分子材料表面引入光学活性分子，使其具有光学透明性、光泽等功能。
例如，通过将含有特定荧光基团的物质接枝到高分子材料表面，可以使其具有荧光效应；3. 电化学功能化：在高分子材料表面引入具有良好电导性的分子，使其具有电容、电解质传感器等功能。
例如，通过在高分子材料表面修饰金属氧化物纳米颗粒，可以增加其电导性和储能性能。
三、高分子材料的表面改性与功能化的应用高分子材料的表面改性与功能化可以赋予其新的应用领域和性能。
以下举例说明：1. 表面亲水改性的应用：将表面亲水改性的高分子材料广泛应用于涂层、纺织品等领域，提高其耐水性和易清洁性；2. 生物功能化的应用：将生物活性分子功能化的高分子材料应用于医疗领域，如人工骨骼、药物缓释系统等；3. 光学功能化的应用：将具有光学功能的高分子材料应用于光学器件制造，如光纤、光学屏幕等；4. 电化学功能化的应用：将具有电化学功能的高分子材料应用于能源存储与传感器等领域，促进新能源技术的发展。
高分子材料的改性与应用
高分子材料的改性与应用高分子材料作为重要的化工材料，在目前的现代工业生产中拥有着广泛的应用，并且随着科技的发展，高分子材料的种类和性能也得到了不断的提高和完善。
但是，高分子材料的性能也是存在短板的，如机械强度、耐热性、耐候性等方面都存在着不足，因此，为了拓展其应用领域和提高其性能，在其制备过程中进行改性处理，成为当今高分子材料研究的热点之一。
本文就高分子材料的改性以及其在实际应用中的一些情况进行探讨。
一、高分子材料的改性1. 界面改性在高分子制备过程中，高分子和填充剂或增强剂等之间相互作用形成的界面可以影响后期材料的性能。
为了改善其性能，可以通过在高分子颗粒表面进行化学修饰的方式来增强材料的结合力，提高材料的机械强度。
界面改性的典型案例就是纳米复合材料，由于纳米颗粒的尺寸小于材料的层间距，所以可以提高材料的结晶度，同时可以使高分子颗粒和纳米颗粒之间产生更强的相互作用，这些相互作用可以减轻高分子链之间的摩擦，进一步提升了材料的机械性能和耐热性。
2. 摩擦学改性摩擦学是指材料在不同的摩擦条件下的性能变化，包括摩擦系数、磨损率等方面。
进行摩擦学改性的目的就是为了提高高分子材料在不同工作条件下的耐磨性，减小其摩擦系数，进而提高其机械强度和耐热性。
主要的摩擦学改性方法有增加摩擦剂、添加润滑剂等，这些改性方式都是在高分子材料表面形成独立的分子层，使外部的力和高分子分子之间的作用力相互减弱，从而达到改善材料摩擦学性能的目的。
3. 功能改性高分子材料还可以通过功能改性的方式提高其特殊性能。
这里的功能指的是材料在特定环境下应展现出的某些性质，涉及到化学、热学、电学、磁学等方面。
其中电学改性就是指在高分子中添加导电性材料，提高其导电率，可以用于生产柔性电子器件，半导体套件等领域。
热学改性是指在高分子中添加热敏媒质，当受到一定范围内的温度波动时，高分子材料的形态、构成和性质就会发生巨变，实现热力传感和调控。
二、高分子材料改性应用案例1. 导电性改性导电性改性主要应用于柔性电子器件的制备中，如智能手环、智能手表等。
高分子材料表面改性及其应用
高分子材料表面改性及其应用一、引言高分子材料具有重要的应用前景，可应用于医药、电子、光电子、动力等领域。
然而，由于高分子材料表面活性差、生物相容性差等缺点，限制了其应用。
因此，高分子材料表面改性技术的发展日益受到关注。
二、高分子材料表面改性的方法1. 物理改性物理改性是通过物理手段改变高分子材料表面的性质。
常用的物理改性方法包括等离子体处理、离子束辐照、紫外线照射、电子束辐照等。
其中，等离子体处理是一种获得高效率、高选择性表面改性的技术，可使高分子材料表面发生氧化、硝化、氟化等反应，提高材料表面的粘附性、亲水性。
2. 化学改性化学改性通过在高分子材料表面涂覆或共价修饰一些化学物质，改变材料表面的化学性质。
化学改性方法包括表面引入活性基团、表面覆盖生物活性分子等。
例如，利用羧基、氨基等活性基团修饰高分子表面，使材料表面具有更好的生物相容性，提高材料在医学领域的应用。
3. 生物改性生物改性是将高分子材料通过与生物体组织体液交互作用，使材料表面具有良好的生物相容性、生物功能等性质。
生物改性方法包括表面覆盖生物大分子、生物反应器改性、细胞培养等。
生物改性能够大幅提高高分子材料的生物相容性，为生物医药领域的高分子制品应用提供了关键技术。
三、高分子材料表面改性应用1. 医学领域高分子材料表面改性技术在医学领域中得到了广泛的应用，如制备生物相容性好的材料，用于修复组织损伤，支架修复等。
例如，聚氨酯、聚乳酸、聚己内酯、羟基磷灰石等高分子材料对人体组织具有较好的生物相容性和生物活性，可以制备成支架、细胞培养器等有益医疗材料。
2. 环保领域高分子材料表面改性技术也逐渐得到应用于环保领域。
例如，旋转切削颗粒床方法可通过表面氨基化修饰降解至少18种有机污染物，用于处理水体中存在的各种有机污染物。
3. 光电领域高分子材料表面改性技术在光电领域中也发挥了重要的作用，可制备光电材料，如发光二极管、太阳能电池等。
例如，聚苯胺是制备高效太阳能电池的重要材料之一，采用电子束辐照技术可制备固态电解质太阳能电池，其效率高于传统PbS/CQDs量子点太阳能电池。
高分子材料改性
高分子材料改性高分子材料改性是指在高分子材料的基础上，通过添加、改变成分或结构，以及进行物理、化学等处理的手段，来改善高分子材料的性能和特性的过程。
高分子材料广泛应用于塑料、橡胶、纤维等领域，但是其性能和特性常常无法满足特殊需求。
因此，对高分子材料进行改性是提高其综合性能的重要途径之一。
高分子材料改性的主要方法有以下几种：1.添加剂改性：通过添加具有特定性能的化学物质，如增塑剂、抗氧化剂、光稳定剂等，来改变高分子材料的性能和特性。
例如，添加增塑剂可以提高塑料的柔韧性和耐冲击性，添加抗氧化剂可以提高材料的耐候性和耐老化性。
2.共混改性：将两种或多种高分子材料按照一定的比例混合，并通过物理或化学交联的方式，以获得更好的性能和特性。
例如，将刚性高分子与柔韧高分子混合，可以获得同时具有刚性和柔韧性的材料。
3.表面改性：通过物理或化学方法对高分子材料的表面进行处理，改变其表面性质。
例如，通过增加表面粗糙度、引入功能基团或进行涂层等，可以增强高分子材料的润湿性、抗粘性、防腐蚀性等特性。
4.交联改性：通过加热、辐射或化学交联等方法，使高分子材料分子之间发生交联反应，从而改善材料的强度、硬度、尺寸稳定性等性能。
例如，通过辐射交联可以提高高密度聚乙烯的热稳定性和抗老化性。
5.成分改性：通过改变高分子材料的成分，如改变聚合物的组成、分子量分布等，来调控材料的结构和性能。
例如，通过引入共聚单体或插入均聚物等方法，可以改善聚合物的热稳定性、机械性能等。
高分子材料改性的目的是提高材料的性能和特性，使其能够满足特定的应用需求。
通过合理选用改性方法和改性剂，可以使高分子材料具有更好的强度、韧性、耐热性、耐腐蚀性、阻燃性等，从而广泛应用于汽车、电子、建筑、医疗等领域，并推动了现代工业的发展。
同时，高分子材料改性也带来了一些新的问题，如环境污染、资源浪费等，因此需要在改性过程中充分考虑环境和可持续发展的因素。
高分子材料的表面改性与涂层技术研究
高分子材料的表面改性与涂层技术研究高分子材料是一类应用广泛的材料，其特点是重量轻、性能优异、成本低廉等。
然而，高分子材料在使用过程中可能会受到外界环境的影响而导致性能下降，因此进行表面改性和涂层技术研究是非常重要的。
表面改性是指通过改变高分子材料表面的化学组成或物理结构，从而改变其表面性能的方法。
常见的表面改性方法有物理方法和化学方法两种。
物理方法主要包括等离子体处理、溶剂处理、热处理等。
等离子体处理是一种常用的表面改性方法，通过在高分子材料表面引入等离子体，使其表面发生物理和化学变化，从而实现对表面性能的改善。
溶剂处理则是通过将高分子材料浸泡在特定溶剂中，使其表面受到溶剂的溶解或浸润，从而改变表面能和粘附性能。
热处理则是通过升高材料温度，使其表面发生结构变化，从而改变表面物理性质。
化学方法主要包括接枝共聚、表面活化等。
接枝共聚是指通过在高分子材料表面引入可与高分子材料相容的单体，使其在高分子材料表面形成一层新的共聚物层，从而改变其表面性能。
表面活化则是通过给高分子材料表面引入活性官能团，使其表面具有更高的反应活性，从而实现对表面的改性。
而涂层技术是一种通过在高分子材料表面涂覆一层特殊的材料，以实现对高分子材料性能的改善和保护的方法。
涂层技术可以使高分子材料具有良好的抗氧化性、耐磨性、耐腐蚀性等性能，从而延长其使用寿命和提高其功能性。
涂层技术主要包括化学涂层方法和物理涂层方法。
化学涂层方法是指通过在高分子材料表面进行化学反应，形成一层化学键连接的涂层，从而改变其表面性能。
常见的化学涂层方法有浸渍法、喷涂法等。
物理涂层方法则是通过将特定材料以固体或气体的形态沉积在高分子材料表面，形成一层物理层，从而改变其表面性能。
常见的物理涂层方法有物理气相沉积法、磁控溅射法等。
表面改性和涂层技术的研究对于提高高分子材料的性能和功能具有重要意义。
通过对高分子材料表面进行改性和涂层，可以增加其表面粘附性和耐磨性，提高其抗氧化性和耐腐蚀性，从而增加其使用寿命和功能性。
高分子表面改性及其在材料制备中的应用
高分子表面改性及其在材料制备中的应用高分子材料是目前工业和生活中应用非常广泛的一类材料，拥有多种优良的性质，比如高耐久性、良好的绝缘性、可塑性强等。
但是在实际应用中，高分子材料的表面性质往往不尽人意，比如附着力不强、耐腐蚀性较差等。
基于这些不足，科学家们研究出了一种叫做高分子表面改性的技术，通过这种技术可以对高分子材料表面进行改变，使其在应用中具有更好的性能表现。
本文将简要介绍高分子表面改性的技术以及在材料制备中的应用。
一、高分子表面改性的技术高分子表面改性的技术可以分为物理方法和化学方法两类。
物理方法一般指的是通过物理手段对高分子材料表面进行处理，从而改变其表面性能。
常见的物理方法有紫外线辐射、等离子体处理、气相沉积等。
这些方法一般适用于简单的表面改性，比如增强附着力、提高耐腐蚀性等。
化学方法则是通过将某些化学物质与高分子材料表面反应，从而产生新的表面性能。
化学方法一般需要配合表面处理剂，这些表面处理剂可以与高分子材料表面反应，形成一层覆盖层或者表面化学键，从而改变其表面性质。
常见的化学方法有溶液浸渍法、原子层沉积法、插层法等。
这些方法可以实现高精度的表面改性，比如制备高透明度的材料、增加防水性能等。
二、高分子表面改性的应用高分子表面改性技术在材料制备中的应用非常广泛，下面介绍几个常见的应用：1、生物材料高分子表面改性技术可以应用于生物医学领域中的材料制备，比如制备生物兼容性材料、药物携带材料等。
一些表面处理剂可以使材料在生物环境中更加稳定，降低毒性风险。
同时，在材料表面形成特定的化学键可以增加其与生物体的相容性。
2、光伏材料工业制备中的一些光伏材料表面常常存在着严重的光损失现象。
在通常情况下，光通过材料表面的时候会发生一定的反射和吸收，从而丧失掉一些能量。
高分子表面改性技术可以有效降低光损失，提高材料的光转换效率。
3、电子材料在研制高分子电子材料的过程中，高分子表面改性技术可以应用于提高电输运性能、增加耐久性等。
高分子材料的表面改性技术
高分子材料的表面改性技术高分子材料作为一类具有广泛应用价值的材料，拥有诸如重量轻、力学性能好、绝缘性能好等特点，广泛应用于电子、医疗、航空、汽车、建筑等领域。
然而，高分子材料本身也存在众所周知的问题，如容易老化、耐磨性能差等。
为了提高高分子材料的使用寿命及性能，表面改性技术应运而生。
一、表面改性技术简介表面改性技术是对材料表面进行物理、化学或生物改性，从而改变材料表面性质（如亲/疏水性、化学稳定性等），实现对材料性能的优化。
在高分子材料领域中，表面改性技术是一种有效的方法，可以改变高分子材料表面的化学、物理结构，提高高分子材料的性能。
二、表面改性技术的分类表面改性技术主要分为物理方法和化学方法两大类。
1.物理方法物理方法是利用外力来改变高分子材料表面性质的方法，包括光刻、电解、喷砂、电子束等。
其中，电子束法是一种常用的表面改性技术，它通过利用高能电子束照射高分子材料表面，使其表面产生化学和物理结构改变，改变表面性质，提高材料耐用性。
2.化学方法化学方法是指利用化学试剂对高分子材料表面进行改性的方法，包括化学清洗、化学修饰、浸渍基质改性、表面接枝等技术。
其中化学清洗是一种温和的表面改性技术，可以去除表面污染物、氧化皮层等物质，减少材料表面的异物，提高高分子材料的表面性质。
三、表面改性技术的应用表面改性技术的应用非常广泛，包括材料的吸附、催化、传感、分离等领域。
在高分子材料中，表面改性技术的应用同样非常重要。
例如，在高分子材料的表面上接枝特定的功能基团或者粘结一定的物质，从而改变其表面性质，提高其化学、力学等性能。
这些表面修饰后的高分子材料可以被应用于传感器、生物医学材料、纳米材料等多个领域。
四、表面改性技术的挑战与发展虽然表面改性技术在高分子材料领域中取得了许多重要进展，但是仍然存在一些挑战。
例如，现有的表面改性技术仍然存在一定的局限性，无法实现对高分子材料表面性质的精确调控。
此外，当前表面改性技术的成本较高，需要使用一定的化学试剂和条件，同时也存在环境问题。
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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。
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。
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。
● 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。
7.2 火焰处理和热处理
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。这些基团能从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。
聚乙烯、聚丙烯的薄膜、薄片，吹塑的瓶、罐、桶等 常用火焰处理来提高其表面的印刷性和粘结性。 研究表明，聚乙烯表面经火焰处理后，表面的含氧量 可达16.6％，且表面含氧量随火焰强度的增加而增 多。火焰的氧化深度大于12nm，火焰处理后表面出 现C－O，C＝O，COO－等基团，表面能增大，与水 的接触角减小，与环氧树脂的粘结强度从4.2MPa提 高到14.9MPa。
合物，使其应用受到限制。因此必须表面改性。
太阳能电池组件及背膜的结构示意图
背膜起着骨架和对晶体硅 的保护作用,耐老化、耐腐 蚀、耐溶剂、耐污疏水等 性能和聚酯优异的机械性 能、阻隔性能和低吸水性 。 以聚四氟乙烯（PTFE）浸 渍和涂层的高性能纤维 （HPF）取代了价格昂贵 的PVF薄膜
化学改性的方法是用钠氨或钠萘溶液处理含氟聚合物。以钠萘溶液为例，处 理液的配置是将23g金属钠加到含128g萘的四氢呋喃1L中，搅拌反应2 hr，至溶液完全变成暗棕色。将含氟聚合物浸泡在钠萘溶液中1~5 min， 使聚合物表面变黑，取出用丙酮洗，继之用蒸馏水洗，烘干即可。处理后含 氟聚合物的表面张力、极化度、可润湿性都显著提高。
XPS identifies the functional groups present on the composite surface. The chemical nature of fiber-polymer interface will influence its properties.
-C-C-
● 光化学改性: 引入不同的聚合物链
● 力化学改性: 引入不同基团或聚合物链 ● 偶联剂改性: 引入不同基团
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
● 聚乙烯和聚丙烯是大品种通用高分子材料，但他们的表面能低， 为提高聚烯烃的表面活性，通常需要他们进行表面改性。液态氧化 是聚烯烃的表面改性方法之一。 ● 铬酸液是最重要的液态氧化体系。除了铬酸系统外，其他氧化液 体系有硫酸铵-硫酸银溶液；双氧水，高锰酸钾-硝酸；氯磺酸； 王水等。 ● 经酸蚀后聚烯烃的可润湿性大大增加，其与各种液体的接触 角也明显减少（表7-3），粘接性能大大增加（图7-7）。
FEP经Na/NH3溶液处理:
1.光电子能谱显示的F1s峰已完全消失，出现了一个强O1s峰。说明表面处理的 深度达到5-10 nm，在此范围内氟已完全被除去并发生碳化作用;
2. 而C1s峰向低能方向移动，说明引进了大量的C=C双键以及羰基和羧基，为 乙烯基单体的接枝提供了活性点 。
7.3.2
聚烯烃的液态氧化处理
Woven carbon fiber composite
N(E)/E
-C-O -C=O
-300 -295 -290 Binding energy (eV) -285 -280
表面改性的方法
● 电晕放电处理: 氧化
● 火焰处理: 氧化 ● 化学改性: 氧化, 粗糙化表面 ● 等离子体改性: 交联,引入官能团等 ● 辐照改性: 引入不同的聚合物链
Ek h EB
内能级结合能及其强度可分别作为元素识别和原子相 对浓度的测定。
Why UHV for Surface Analysis?
Pressure Degree of Vacuum Torr
102 Low Vacuum
-110
Medium Vacuum High Vacuum
● 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。
经电晕处理后，O1s峰明显增高，C1s峰相应减小，表明经电
晕处理后，LDPE薄膜表面的含氧量增加，含碳量减少。
以等离子体存在的星系和星云
人造等离子体示例
地球上，等离子体的自然现象：如闪电、极光等； 人造等离子体，如霓虹灯、电弧等。
1 torr= 1 mmHg
XPS Characteristics and limitations
XPS limitations:
1. Inability to detect hydrogen (H) and Helium (He) 2. X-Ray beam diameter is wider (limit is about 150 microns) than that of electron beams
第 7章
聚合物的表面改性
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。 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。
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
XPS （X-ray photoelectron spectroscopy）
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。
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
汽车的前后保险杆
聚乙烯手提袋的印刷
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； ● 表面处理效果：性能的改进（粘结强度，印刷性、染 色性、表面电阻率等） ● 表面形貌：电子显微镜观察（SEM、AFM）； ● 表面化学组成：X射线光电子谱（X射线光电子能谱仪 XPS/ESCA，FTIR－ATR）；
7.5
等离子体表面改性
● 等离子体被称为是物质的第四态，其实质是电离的气体。 与普通气体不同，它是由电子、原子、分子、自由基、光子 等粒子组成的集合体，正负电荷数相等，体系为电中性。
● 等离子体中的电离气体都是发光，电中性的，由电晕放电、 高频电磁振荡、激光、高能辐射以及其他方法产生出来的。 ● 地球电离层外的整个宇宙中，绝大部分物质以天然等离子体 态存在，如太阳和所有恒星、星云都是等离子体。
热处理是把聚合物暴露在热空气中进行氧化反应，使其表面被
引进羰基、羧基以及某些胺基和过氧化物，从而获得可润温度，因而处理时间较长。
聚合物中常常加有抗氧剂，抗氧剂对火焰氧化没有影响，对热 氧化却有很大影响。抗氧剂可消除热氧化产生的聚合物自由基 而使整个氧化反应淬灭，因而阻止热氧化的进行；火焰氧化是 由存在于火焰中的自由基引发的，由于火焰中的自由基快速产 生，大量存在，聚合物自由基的产生已不是速度决定步骤，所 以抗氧剂对火焰氧化没有影响。
XPS Analysis of Pigment from Mummy Artwork
Egyptian Mummy 2nd Century AD World Heritage Museum University of Illinois
Pb3O4
PbO2
O
C
150
145
140
135
130
Binding Energy (eV)
10-4 10-8 10 -11
Ultra-High Vacuum
Ultrahigh vacuum (UHV) removes adsorbed gases from the sample. eliminates adsorption of contaminants on the sample. prevents arcing and high voltage breakdown. increases the mean free path for electrons, ions and photons发生器的价格低廉；
臭氧可以扩散到狭窄的间隙和细小的空穴中，用来处理 形状复杂的试样特别有效；
臭氧受紫外线照射会分解。若用臭氧和紫外线并用的技 术，常可取得更好的效果；
臭氧是对人有害的物质，0.01ppm浓度的臭氧就可被人 感知。美国劳动环境法规定臭氧的许可浓度是0.1ppm以 下。因此，采用臭氧处理时，必须采用严格措施防止臭 氧泄漏。