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多孔材料按組成可分為無機多孔材料和有機多孔材料,按孔徑大小可分為大孔(d>50nm)、介孔(d=2~50nm)和微孔(d<2nm=材料3種,其孔道結(jié)構(gòu)規(guī)則而均勻,應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,在化工行業(yè)和高新技術(shù)領(lǐng)域起著越來越重要的作用。尤其微孔和介孔材料具有高性能,可作為優(yōu)良的催化劑、高選擇性吸附分離劑、傳感器件、儲氫或儲甲烷材料等。另外,它們也是合成其它特定官能團的優(yōu)異基體材料。

隨著研究方法、技術(shù)的發(fā)展和深入,多孔材料種類的增加,應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬,對多孔材料的性能要求越來越高,各種改性技術(shù)應(yīng)運而生,以求改善其表面化學(xué)性質(zhì),控制界面物性,如親水性、表面能、黏著性、滲透性等,提高其工作性能和效率。其改性方法歸結(jié)起來可分為物理改性法、化學(xué)改性法以及生物改性法。其中物理法主要包括表面分子涂覆(或吸附)處理、表面擠壓、熱處理、等離子體物理處理、激光表面處理、臭氧以及紫外線處理等。化學(xué)法主要包括表面氧化、酸蝕處理、堿液處理、低溫等離子體化學(xué)處理、聚乙二醇(PEG)化學(xué)法、硅烷化學(xué)法、單分子層自組裝法(SAM)等。在眾多改性方法中,等離子體處理是近年發(fā)展最快,研究最熱門的技術(shù)之一。目前,在材料、化工領(lǐng)域等應(yīng)用較多的是低溫等離子體處理技術(shù)。

低溫等離子體改性原理

低溫等離子體撞擊材料表面時,不僅可以發(fā)生物理撞擊作用,還可以對材料表面進行化學(xué)侵蝕。材料的表面改性是通過斷開或激活材料表面的舊化學(xué)鍵并形成新的化學(xué)鍵才能實現(xiàn),這首先需要低溫等離子體中的各類粒子具有足夠的能量以斷開材料表面的舊化學(xué)鍵。低溫等離子體的粒子能量參數(shù)范圍如表1所示。表2為各類材料中一些常見化學(xué)鍵的鍵能。對比可知,除離子外,低溫等離子體中絕大多數(shù)粒子的能量均高于這些化學(xué)鍵的鍵能。這表明,利用低溫等離子體完全可以破壞材料表面的舊化學(xué)鍵繼而形成新鍵,從而賦予材料表面新的特性。

低溫等離子體對多孔材料的表面改性方法通常有等離子體處理、等離子體(沉積)聚合和等離子體引發(fā)的接枝聚合等。等離子體處理是指非聚合性氣體(非反應(yīng)性氣體如He、Ar等和反應(yīng)性氣體如O2、CO2、NH3等)的等離子體對材料表面的物理的或化學(xué)的作用過程。處理中,等離子中的自由基、電子等高能態(tài)粒子與材料的表面作用,通過刻蝕與沉積作用發(fā)生降解和交聯(lián)等反應(yīng),在材料表面產(chǎn)生極性基團、自由基等活性基團,從而可實現(xiàn)材料的親水化等處理。等離子體聚合是將材料暴露于聚合性氣體中,表面沉積一層較薄的聚合物膜。與通常的化學(xué)聚合相比,等離子體聚合膜在結(jié)構(gòu)上能形成高度交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),成膜均勻致密,與基體結(jié)合牢固,賦予材料表面新的功能,如熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、力學(xué)強度、膜透過性、生物相容性等。等離子體接枝聚合是先對材料進行等離子體處理,利用表面產(chǎn)生的活性自由基引發(fā)烯類單體在材料表面進行接枝聚合。相比材料表面引入的單官能團,接枝鏈化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,可使材料表面具有永久性的親水性。接枝速率與等離子體處理功率、處理時間、單體濃度、接枝時間、溶劑性質(zhì)等因素有關(guān)。

低溫等離子體改性優(yōu)勢

低溫等離子體改性主要具有以下優(yōu)點:①屬干式工藝,滿足節(jié)能和環(huán)保的要求;②作用時間短(幾秒到幾分鐘),效率高,效果好;③改性一般只發(fā)生在表面層(幾個到幾百個納米),在改善材料表面性能的同時,不改變基體固有性能;④對所處理的材料具有普遍適應(yīng)性,可處理形狀較復(fù)雜的材料;⑤反應(yīng)環(huán)境溫度低,工藝簡單,操作方便,無污染或污染小等。所以說該技術(shù)具有較好的應(yīng)用效果,較傳統(tǒng)的改性技術(shù)有了明顯提高。