第6章 高分子材料的表面改性方法
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。
材料表界面 第六章 高分子材料的表面张力
6.3 表面张力与相对分子质量的关系
特例
聚乙二醇分子端基上的羟基之间发生氢键缔合作用，结果 使低聚物的性能变得像相对分子质量无穷大一样。
6.4 表面张力与分子结构的关系
等张比容经验公式：
摩尔体积
(P /V )4
等张比容
等张比容是与物质的分子结构密切有关的量，摩尔体积与物 质的密度有关，因而也与温度有关。因此，影响表面张力的两个 重要因素是温度和分子结构。
6.1 表面张力与温度的关系
利用表面张力与温度的线性关系，可间接地测试固态聚合物的 表面张力。--------第一种得到表面张力的方法
缺点： （1）没有考虑相 变的影响 （2）测试结果不 准确
6.1 表面张力与温度的关系
Macleod （麦克劳德）方程：
0 n log n log A
材料表界面课程主要内容
材料表界面
一、绪论
二、液体界面
三、固体表面 四、固液界面
表界面基础知识
五、表面活性剂
六、高分子材料的表面张力
七、聚合物的表面改性
八、金属材料的表面
九、无机非金属材料的表界面
十、复合材料的界面
第六章 高分子材料的表面张力
什么是高分子材料？
高分子材料：以高分子化合物为基础的材料。
包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶材料在国民经济中的地位
高分子材料占飞机总重的65％。
（即使采用最轻铝/钛合金，其比重也大于2.7，而高分子材料的比重为1.5左右）
高分子材料的重要性
高分子材料表界面特性
高分子材料表界面特性
合成纤维 表面的染色
塑料表面 的喷金
高聚物对 其他材料 的粘接
如果使高聚物熔体在具有不同表 面能的表面上冷却，可得到结晶 度不同的表面，这类表面具有不 同的表面张力。
第6章-高分子材料的表面改性方法
12
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。
• 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。
16
6.3 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。
• 表面张力与分子结构的关系 • 表面张力与内聚能密度
• 共聚、共混对表面张力的影响
2
• Good-Girifalco方程
• 固体的临界表面张力等于与该固体上接触角恰好为零的液体的表面张力 • 由Young方程，Good-Girifalco方程和Zisman的临界表面张力可导出
状态方程：
3
引言
• 聚合物表面：表面能低、化学惰性、表面被污染以 及存在弱边界层等问题。
一些化学键的键能为：（eV）
C-H 4.3
C=O 8.0 C-N 2.9
涂层材料表面改性技术及其在高分子材料中的应用
涂层材料表面改性技术及其在高分子材料中的应用随着科技的发展和人们对生活品质的不断提高，人们开始对涂层材料进行更多的探索和改造。
涂层材料表面改性技术作为近年来新兴的材料改性技术，得到了越来越多的关注。
涂层材料表面改性技术可以改变涂层材料的表面性质，使其具有很好的抗酸碱、耐高温、耐磨损等特性，提高其使用寿命及使用效率。
本文将着重探讨涂层材料表面改性技术及其在高分子材料中的应用。
一、表面改性技术表面改性技术是指对材料表面进行一系列处理，如物理、化学、生物学等方法，以获得所需要的表面性质。
常用的表面改性方法包括溶液法、等离子体处理、离子注入、真空蒸发、溅射法、化学气相沉积等。
其中，溶液法是衣物染色工艺的一种，它可以给涂层表面提供很好的耐高温、耐酸碱、抗腐蚀等特性。
等离子体处理则是将涂层材料置于低压放电等离子体之中，通过碰撞分子的电离而改变表面状态。
离子注入法是最早采用的表面改性技术之一，它可将高能离子注入涂层表面，因此能显著改善涂层材料的耐磨损性。
真空蒸发法指的是利用真空蒸气在涂层材料上形成薄膜，主要改善表面硬度、透光率等方面。
溅射技术是在高温、高真空的条件下，利用离子轰击打掉炭凝物，将溅射出的原子沉积在物品表面。
化学气相沉积则是指利用半导体工艺原理，在反应室中将反应气体置于高真空下进行反应，最后形成覆盖物。
这些表面改性技术均最终实现了改善涂层材料的表面性质，提高了其使用寿命和效率。
二、高分子材料中的应用高分子材料广泛应用于塑料、橡胶、纤维、涂料等行业。
高分子材料的分子量大、降解缓慢、强度高、使用寿命长等特点，使它成为现代工业中不可或缺的材料之一。
然而，高分子材料因其表面活性差、粘附性弱等缺陷，常常限制了其应用和发展。
因此，将表面改性技术应用于高分子材料的研究和开发，对改进这些物质的缺陷和提高其性能，具有重要的意义。
1. 亲水性改性高分子材料的亲水性是指其表面的接触角可以小于90度，即水在其表面是可以自由流动的。
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。
高分子材料的界面调控与改性
高分子材料的界面调控与改性高分子材料是一种重要的功能性材料，具有广泛的应用领域。
然而，传统的高分子材料在一些特定的应用中存在一些问题，比如界面性能不佳、机械性能不足等。
因此，对高分子材料进行界面调控与改性成为了一个研究的热点课题。
界面是高分子材料中不可忽视的因素之一，它直接影响了材料的性能和应用。
通过对高分子材料界面的调控，可以改善材料的耐候性、热稳定性、机械性能等。
常用的方法包括界面改性剂的添加、界面的表面修饰和界面的微观结构调控等。
界面改性剂的添加是一种简单有效的方法。
通过添加一定量的改性剂，可以改善高分子材料与其他材料的相容性，降低相间界面的张力，从而提高材料的强度和韧性。
例如，聚合物材料中添加的表面活性剂可以改善其与填料的相容性，增强材料的耐磨性和耐腐蚀性。
表面修饰是另一种常用的界面调控方法。
通过对高分子材料表面进行物理或化学处理，可以改变其表面性质，从而提高界面的粘接性和稳定性。
常用的表面修饰方法包括等离子体处理、溶胶凝胶涂覆、化学修饰等。
例如，通过等离子体处理可以增加材料表面的粗糙度，提高界面的机械锚固效果，从而增强材料的黏结强度。
界面的微观结构调控是一种较为复杂的方法。
通过控制高分子材料的分子排布、晶体结构、分子链的取向等，可以调控材料的微观结构，从而改善界面性能。
例如，通过高分子材料的取向调控，可提高材料的导电性能和热导性能。
除了界面调控外，高分子材料的改性也是提高其性能的重要手段。
材料的改性通常包括增强改性和功能改性两种方式。
增强改性主要是通过添加增强剂，如纤维增强剂、填充剂等，来提高材料的机械强度和刚性。
功能改性主要是通过添加功能性填料、有机合成改性剂等，来赋予材料特定的性能，如导电性、吸附性等。
高分子材料的界面调控与改性在实际应用中有着广泛的用途。
例如，在汽车制造行业中，通过界面的调控与改性可以提高材料与涂层的粘接性能，增加涂层的附着力，提高汽车的耐候性和抗腐蚀性。
在电子器件制造行业中，通过界面的调控与改性可以增加材料的导电性能，提高器件的稳定性和可靠性。
高分子材料的改性与改性实验
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汇报人：
目录 /目录
01
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04
高分子材料改 性的实验流程
02
高分子材料改 性的重要性
05
高分子材料改 性实验的注意 事项
03
高分子材料改 性的方法
06
高分子材料改 性实验的应用 前景
实验材料：详细列出实验所需的材料和 设备
实验步骤：详细描述实验的操作步骤和 过程
实验分析：对实验结果进行分析和解释
实验结论：总结实验结果，提出结论和 建议
06
高分子材料改性实验的 应用前景
在工业生产中的应用
高分子材料改性实验在电子 工业中的应用
高分子材料改性实验在汽车 工业中的应用
高分子材料改性实验在建筑 材料工业中的应用
05
高分子材料改性实验的 注意事项
安全问题
实验过程中必须穿 戴防护设备，如手 套、口罩、护目镜 等
实验过程中应避免 接触高温、高压、 有毒有害物质
实验过程中应遵守 实验室安全规定， 如禁止吸烟、饮食 等
实验结束后应妥善 处理废弃物，避免 环境污染
实验设备与试剂管理
实验设备：选择合适的设备，如搅拌器、加热器等，确保实验顺利进行。 试剂管理：妥善保管各种试剂，避免污染和变质，确保实验结果的准确性。 实验环境：保持实验室清洁、通风，避免外界因素对实验结果的影响。 安全防护：遵守实验室安全规定，穿戴防护设备，确保实验人员的安全。
降低成本
改性可以使材料更加环保， 减少废弃物的产生，降低环 保成本
通过改性，可以提高材料的 性能，降低生产成本
改性可以使材料更加耐用， 减少维修和更换成本
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。
生物医用材料系列6-生物医用材料表面改性
目录
• 生物医用材料表面改性的重要性 • 生物医用材料表面改性的方法 • 生物医用材料表面改性的应用 • 生物医用材料表面改性的未来发展
01
生物医用材料表面改性的重要性
改善生物相容性
生物相容性是指材料与生物体之间相互作用后产生的适应性 反应。通过表面改性，可以改善生物医用材料与人体组织和 细胞的相容性，降低排异反应和炎症反应，提高材料的生物 安全性。
经过表面改性的牙科种植体可以缩短骨结合时间，提高种植体的稳定性和长期成功 率。
药物载体
药物载体是一种用于输送药物到病变部位的医疗器械。表面改性技术可 以提高药物载体的靶向性和释药性能。
常用的表面改性方法包括化学偶联、物理吸附、涂层技术等，这些技术 可以改变药物载体表面的性质，使其更易于与药物结合并输送到病变部
03
生物医用材料表面改性的应用
人工关节
人工关节置换是一种常见的手术，用于治疗严重的关节疾 病。表面改性技术可以提高人工关节的耐磨性和生物相容 性，减少植入后并发症的发生。
常用的表面改性方法包括涂层技术、离子注入、等离子喷 涂等，这些技术可以改变人工关节表面的物理和化学性质， 提高其与人体组织的相容性。
表面氧化还原反应
通过氧化或还原反应改变 材料表面的化学状态和性 质。
生物化学方法
生物固定化
利用生物分子的特异性结合，将 生物分子或细胞固定在材料表面，
提高材料的生物相容性和功能。
酶固定化
将酶固定在材料表面，利用酶的生 物催化作用改善材料的性能。
生长因子固定化
将生长因子固定在材料表面，促进 细胞生长和组织再生。
新型涂层材料
采用新型涂层材料可以提高表面改性的持久性和稳定性，如采用具有优异耐久性和稳定性的生物活性 涂层材料，这些涂层能够与生物医用材料紧密结合，提高材料的耐久性和稳定性。
高分子材料改性综述
高分子材料改性综述在当今的社会中, 材料是人类赖以生存和发展的重要物质, 是现代工业和高科技发展的基础和关键。
由于材料单体的种类有限, 而且材料单体的单一的某的些性能比较差, 不符合人们所求, 所以要对其材料经行改性。
所谓的改性是通过物理, 机械和化学等作用使搞分子材料原有的性能得到改善。
高分子材料的改性即可能是物理变化也可能是化学变化在终多的改性方法中, 共混改性是最简单的也是最直接的方法。
他可以在各种加工设备中完成, 通过共混改性可以使高分子材料得到比较好的性能上的提升。
并且是现在应用最广的改性方法之一。
化学改性可以赋予高分子材料更好的物理化学和力学性能, 现在常用的有无轨共聚, 交替共聚, 嵌段共聚, 接枝共聚, 交联和互穿聚合物网络等技术, 化学改性能得更高的性能比物理改性, 但化学改性比物理改性的成本一般会更高, 而且工艺过程更复杂, 设备的要求更高。
还有填充与纤维增强改性, 表面改性, 共挤出复合改性, 对于公挤出复合改性一般用于管材等应用会比较多一高分子的共混改性高分子共混改性的目的和作用有: 1可以从各高分子组分的性能中取长补短, 获得更优越的性能的材料, 2还可以改善其高分子的加工性能。
3或者还可以制备新型的高分子材料, 聚烯烃与壳聚糖共混可以获得抗菌功能的材料。
4还可以使一些材料原本比较贵, 通过改性在不降低其原有的材料性能上可以使材料的成本更低。
在高分子的改性中遇到的一个难题就是两种或者多种不同的材料共混时他们的相容性, , 两种高分子能否相容就取决他们共混工程的自由能的变化, △Gm=△Hm-T△Sm≤0由于高分子的相对分子质量很大, 共混的过程熵变化很小, 如果高分子之间不存在特殊的相互作用, 共混过程通常是吸热过程, 也就是△Hm＞0,因此绝大多的高分子共混时不能达到分子水平的共混,因此要他们自由相容是很困难的,这样我们就要借助其他方法来使他们相容,如增容剂.增溶剂是能使不相容的两种高分子结合在一起,从而形成稳定的共混物.增容剂大体可以分为反应型和非反应型的.反应型指共混时伴随化学反应与共混组分生成化学键,而非反应型只是起到乳化剂的分散作用,可以降低其相界面的张力,从而达到增容的目的.非反应型的有A-X-B,A-C.D-B.C-D等其中A-X-B具有A,B两种链段的嵌物, A-X-B型可以对多种共聚物增容.对于非反应型的增容剂: 1嵌段共聚物比接枝共聚物更有效2,二嵌段共聚物优于三段的.3接枝共聚物增容效果优于星型和三嵌段.4当共聚物的链段的相对分子质量大于或等于其均聚物的相对分子质量,效果比较好,反应型增容剂,有高分子和低分子两种,对于所有的低分子都是反应型,而高分子有反应型和非反应型增容剂.反应型增容剂主要是有一些可以与共混组分反应的官能团的共聚物,他们适合相容性差的又带有反应官能团的高分子之间的增容.反应增容剂对于他们参加反应的类型不同可以分为, 1反应性曾容剂与共混高分子组分反应而增容, 2使共混高分子先有官能团在凭借他们相互反应而增容。
生物医用材料系列6--生物医用材料表面改性
24
共价接枝方法能使材料表面形成的白蛋白层与基
体之间有很高的结合能力。可以使材料表面血小板 的粘附量下降3个数量级，甚至可以达到无血小板 粘附，且白质白层的稳定性远大于物理吸附。 伽马辐射可以促进白蛋白在材料表面的共价接 枝。
25
(III)聚氧化乙烯表面接枝 理论依据：
有报道指出，材料表面具有一端悬挂的长链结 构是其具有良好血液相容性的一个条件。这种结构 可以维持血液中血浆蛋白的正常构象。
30
3.等离子体表面改性
等离子是一种全部或部分电离的气态物质，含
有亚稳态和激发态的原子、分子、离子。 等离子体中的电子、原子、分子、离子都具有 一定能量，可与材料表面相互作用，产生表面反 应，使表面发生物理化学变化而实现表面改性。
31
等离子体表面改性有三种类型：
•等离子体表面聚合
•等离子体表面处理 •等离子体表面接枝
47
金属材料（如不锈钢、钴铬钼合金、钛合金等） 主要是作为承受载荷的硬组织替代材料。它们长期与
肌体的体液接触，并承受周期性机械载荷作用，容易
出现金属腐蚀、磨损、疲劳等问题。
48
•不锈钢矫形器件埋入体内曾发生腐蚀失效问题； •钛合金人工关节与超高分子聚乙烯髌配付，经
100万次人步行载荷后将产生3.8mg的磨屑，这些 磨屑与组织接触将产生感染、组织坏死，而使植
有很高化学活性
氢原子、自由 基衍生单体等
在主链随机位 置产生自由基
支化、交联
高度交联的网 状结构聚合膜
34
表面修饰方法(肖）
1、基底金属
不锈钢317L、
NiTi记忆合金 2、单体乙烯 硫酸二甲酯、 亚磷酸二甲酯 通过放电形成有机聚合膜（含C、H、O） 。
PTFE表面改性处理方法
PTFE表面改性处理方法1、PTFE表面改性处理方法:低温等离子体处理法低温等离子体是指低气压放电（辉光、电晕、高频、微波）产生的电离气体。
在电场作用下，气体中的自由电子从电场中获得能量，成为高能电子，这些高能量电子与气体中的原子、分子碰撞，如果电子的能量大于分子或原子的激发能，就能产生激发分子和激发原子、自由基、离子和具有不同能量的射线。
低温等离子体中的活性粒子具有的能量一般接近或超过碳―碳或其他含碳键的键能，因而能与导入系统的气体或固体表面发生化学或物理的相互作用。
如果采用反应型的氧等离子体，则能与高分子表面发生化学反应而引入大量的含氧基团，使其表面分子链上产生极性，表面张力明显提高，改变其表面活性，即使是采用非反应型的Ar等离子体，也能通过表面的交联和蚀刻作用引起的表面物理变化而明显地改善聚合物表面的接触角和表面能。
刘学恕对低温等离子体处理氟塑料进行了长期的研究工作，取得了很好的效果，处理后的氟塑料接触角平均降低20º~30º，粘接剪切强度提高2~10倍。
2、PTFE表面改性处理方法:新型粘接剂用于PTFE粘接的粘接剂主要有两类：无氟粘接剂和含氟粘接剂。
无氟粘接剂有粘接效果不太理想的聚丙烯酸酯类粘接剂和环氧树脂类粘接剂，以及粘接效果较好的硅树脂类粘接剂，如国产的F-4S、F-4D、FS-203、CJ-91等牌号。
含氟粘接剂是由偏二氟乙烯类聚合物制备的溶剂型粘接剂，如国产的F-2、F-5、SG-506、T530等牌号和美国Raychem公司生产的氟树脂粘接剂等。
下面介绍几种性能优良的粘接剂。
J-2012型环氧树脂粘接剂[6] J-2012为双组分、无溶剂改性环氧树脂粘接剂，可室温或加热固化，不仅适用于氟塑料与金属，还适用于金属与其它非金属材料的粘接与修补。
表2列出了J-2012胶粘剂配方及固化性能。
含氟聚合物F粘接剂[7] 因为一般的含氟聚合物不具有熔溶性，在高温下也不能熔融产生流动，难以满足作为粘接剂所必须具备的流动性。
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。
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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。
理大型或结构复杂的制品比较困难，高温下稍有不慎
，制品易发生变形。
15
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 )
• 表面张力与分子结构的关系 • 表面张力与内聚能密度 • 共聚、共混对表面张力的影响
2
• Good-Girifalco方程
• •
固体的临界表面张力等于与该固体上接触角恰好为零的液体的表面张力 由Young方程，Good-Girifalco方程和Zisman的临界表面张力可导出状 态方程：
3
引 言
28
等离子体表面改性
5. 其他作用
• 等离子体处理可引起聚合物表面的链裂解作用，裂 解的小分子产物被蒸发除去，引起聚合物失重，聚 合物表面变得粗糙，或形成了小坑，对粘结性可能 有利。
• 裂解产物中的降解聚合物，与未降解比分子量降低 ，玻璃化温度和粘度较低，因此可通过界面的流动 性和相互扩散改善可粘结性。
11
6.2
●
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。
• 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。
16
6.3
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
14
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。
• 火焰处理和热处理的优点是设备要求不高，工艺简单
，处理成本低，处理效果好，工业上应用较广。但处
此外，若被处理聚合物结构中含有氧，则等离子体轰击 使大分子链断裂分解产生活性氧，其效果类似于氧等离
子处理。如果材料本身不含氧，则惰性等离子处理后的
新生自由基，其半衰期可达2-3天，能与空气中氧作用
，导致氧结合到大分子链上。
23
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 .
25
等离子体表面改性
利用等离子处理产生的官能团，进行化学反 应改性。
26
等离子体表面改性
3.对润湿的影响
由于等离子处理引入极性 基团结合到聚合物表面上 ，因此改善了表面的润湿 性，使聚合物的表面张力
增大，接触角变小。
27
等离子体表面改性
4.对粘结性的影响
经等离子体处理的高聚物，由于表面引进了极性基团 ，使其与其他材料的粘接强度大大增强。 粘结性提高的机理： 1.极性基团的产生； 2.润湿性提高； 3.弱边界层强化； 4.界面间的相互作用、相 互扩散增加； 5.氢键的作用； 6.表面刻蚀的铆合作用等。
4
汽车的前后保险杆
5
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、TEM、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；
本体，因此表现出表面润湿性随时间的推迟而减弱。
改进方法？
31
6.4
化学处理
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。
6.4.1含氟高聚物的改性 6.4.2 化学含氟聚合物
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。
9
电晕放电处理
● 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。
10
电晕放电处理
图6-2
电晕处理可使薄膜的润湿性提高，对印刷油墨的附着力 显著提高。
21
等离子体表面改性
CO2，CO，H2O及其它含氧的气体在等离子状态
下也可分解为原子氧，也具有氧等离子作用。
氮等离子体中有N，N+，N-，N*等活性粒子,与聚合物 表面自由基反应,引入含氮的活性基团。
22
等离子体表面改性
非反应性气体有Ar，He等。这些惰性气体的原子不直接 与聚合物表面反应，结合到大分子链中，但是这些非反 应性气体等离子体中的高能粒子轰击聚合物表面，可使 材料表面产生大量自由基，使表面形成致密的交联结构 。
• 聚合物表面：表面能低、化学惰性、表面被污染以 及存在弱边界层等问题。 • 聚合物材料表面常常呈现出表面惰性和憎水性，比 如难于润湿和粘合。所以对聚合物表面常常需要进 行表面处理，以此来改变其表面化学组成，增加表 面能，改善结晶形态和表面形貌，除去污物，增加 弱边界层等，以提高聚合物表面的润湿性和黏结性 等。
12
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。
● 聚合物表面经火焰处理处理后，粘接性和可润
24
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。
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 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。
+
CH 2 CH CH 2 CH CH 2 CH CH2 CH
.
+ H . + He
.
.
+ H2
实验证明交联层的存在。把用等离子处理过和未处理过的聚乙烯加热 到熔点以上，未处理的试样熔融并流动，而处理过的试样仍保持方方 正正的形状。
研究还表明，聚乙烯经等离子处理后，其交联表面层厚度随处理时间 的平方根而增长。
湿性得到改善。
13
火焰处理和热处理
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。
冷等离子体：是在减压（1.33～1330Pa）和高频电场下发生辉光放 电，少量气体分子被电离产生高温的电子，穿梭在常温或接近常温 的气体中并发生碰撞，此时电子温度高达104～105K，而气体的离子 和分子的温度和环境相同，一般约102K，远远低于电子的温度，是 一种非平衡体系，也称为非平衡等离子体或低温等离子体。 混合等离子体：在常压或略低于常压下，使用5～50kV直流或交流高 阻抗的电源，在电极间发生电晕放电或臭氧发生器产生的等离子体 ，一般也将其归入低温等离子体范畴。
19
等离子体表面改性
低温等离子体中基本粒子的能量范围为：
电子 离子 0～20 eV 0～2 eV
亚稳态粒子
紫外光/可见光
0～20 eV
3～40 eV
一些化学键的键能为：（eV）
C-H 4.3 C=O 8.0 C-N 2.9
C-C 3.4
C-F 4.4
C-Cl 3.4
C≡C 8.4
C=C 6.1