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低溫等離子體具有反應(yīng)溫度低、操作簡單方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、效率高、無污染等優(yōu)點(diǎn)，更為重要的是利用低溫等離子體處理的效果僅僅局限于材料的表面而不會影響基體的物理化學(xué)性能。自上世紀(jì)60年代后期，等離子體技術(shù)在高分子領(lǐng)域的應(yīng)用集中于等離子體聚合、等離子體引發(fā)聚合和高分子材料的等離子體表面修飾與處理三大主要領(lǐng)域。

等離子體聚合

等離子體聚合(plasma polymerization)是等離子體技術(shù)在高分子領(lǐng)域的主要應(yīng)用之一，是利用放電把有機(jī)類氣態(tài)單體等離子化，使其產(chǎn)生各種活性種，由這些活性種之間或活性種與單體間進(jìn)行加成反應(yīng)從而形成聚合物膜，是單體處于等離子體狀態(tài)時(shí)進(jìn)行的聚合反應(yīng)，是沉積高聚物薄膜的一種新方法，該過程又稱為等離子體氣相沉積技術(shù)(PPCVD)。

等離子體聚合存在以下幾個問題：

1．等離子體聚合過程中的基本反應(yīng)極其復(fù)雜，聚合機(jī)理并不清楚。

2．等離子體聚合產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)分析困難。對可溶/熔的油狀或粉狀產(chǎn)物測試，其結(jié)果將于薄膜的結(jié)構(gòu)有很大的差異。

3．等離子體聚合產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和性能嚴(yán)重依賴反應(yīng)裝置的形式和聚合工藝條件。

等離子體聚合具有如下特點(diǎn)：

(1) 等離子體聚合不要求單體含有不飽和單元，同時(shí)也不要求含有兩個或者兩個以上的官能團(tuán)。即使在常規(guī)情況下不能進(jìn)行或者非常難進(jìn)行的反應(yīng)，在等離子體聚合體系中可以方便簡單順利地進(jìn)行，所以大大拓展物質(zhì)的種類和應(yīng)用范圍。

(2) 允許所得的聚合物不含有重復(fù)結(jié)構(gòu)單元，可以僅僅具有支鏈和高密度的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、支化度可控。

(3) 等離子體聚合作為一種“干式”工藝技術(shù)，運(yùn)作起來簡單、方便、靈活、高效，能夠得到常規(guī)方法難以得到聚合產(chǎn)物。

(4) 等離子體聚合裝置可以是輝光放電、電暈放電或者其他類型的放電方式。但是都存在一個限制條件——不能使生成的高聚物因?yàn)楦吣芊烹妼?dǎo)致分解。由于等離子體在放電過程中形成的主要形態(tài)是電子，同時(shí)能量分布、電子密度決定了電子的狀態(tài)。當(dāng)電子與附著在固體表面的分子或者氣相中存在的分子相遇并發(fā)生碰撞，能夠形成活性基團(tuán)，像激發(fā)態(tài)原子、自由基、分子、離子等等。目前關(guān)于等離子體聚合反應(yīng)的機(jī)理代表性的主要有五種：自由基機(jī)理、離子聚合機(jī)理、RSGP-逐步增長模型、CAP-聚合與消融競爭模型和AGM-活化增長模型。

等離子體引發(fā)聚合

等離子體引發(fā)聚合(plasma initiated polymerization)是把等離子體作為能源對不同單體作短時(shí)間的照射（數(shù)秒到數(shù)分鐘），低溫等離子體技術(shù)則以單體蒸汽發(fā)生氣相反應(yīng)形成活性中心，然后放置在適當(dāng)溫度下引發(fā)單體聚合的，是一種不需要引發(fā)劑的新聚合法。

等離子體引發(fā)聚合的優(yōu)勢之一，就是可以簡單高效方便地生成分子量超過1000000的純凈聚合物，而常規(guī)的自由基引發(fā)聚合難以做到該點(diǎn)，比如甲基丙烯酸甲酯(MMA)經(jīng)輝光等離子體放電一定時(shí)間后，在恒溫水浴(25℃)中避光使之聚合反應(yīng)數(shù)天，在轉(zhuǎn)化率達(dá)到百分之二十時(shí)，可生成分子量為2.7×107的聚合物聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，且PMMA的分子量隨單體轉(zhuǎn)化率的升高而逐漸增大。

等離子體引發(fā)聚合(PIP)的主要特點(diǎn)如下：

第一：與常規(guī)的自由基聚合方法相比，等離子體引發(fā)聚合采用等離子體為能源，無需外加引發(fā)劑，便可以制備得到對生物體無害、環(huán)境友好型、高質(zhì)高效的產(chǎn)物。

第二：PIP方法對單體有較高的選擇性目前能進(jìn)行等離子體引發(fā)聚合的單體僅限于三種類型：水溶性烯類化合物、苯乙烯及苯乙烯衍生物和環(huán)狀化合物。單體自身的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)對單體能否進(jìn)行等離子體引發(fā)聚合影響極大。

第三：反應(yīng)過程中只有鏈引發(fā)過程發(fā)生在等離子體的氣相，其它的基元反應(yīng)都發(fā)生在凝聚相。得到的聚合產(chǎn)物一般情況下為線性的超高分子量聚合物，保持了單體的結(jié)構(gòu)，且高聚物性能優(yōu)良穩(wěn)定。

第四：聚合機(jī)理獨(dú)特

雖然在一般情況下，等離子體引發(fā)聚合認(rèn)為是自由基歷程，但是在聚合過程中出現(xiàn)的某些現(xiàn)象，例如較強(qiáng)的溶劑效應(yīng)、對單體極高的選擇性和苛刻性、超高分子量聚合物復(fù)合材料的生成等等，所有這些都是自由基聚合機(jī)理所無法自圓其說和詳細(xì)說明的。

第五：溶劑對等離子體引發(fā)聚合的過程影響極大，因?yàn)榇嬖谌軇┗?yīng)的緣故。在等離子體中，固態(tài)單體難以直接引發(fā)聚合，但是通過特定條件的等離子體輻射后，單體上存在的自由基活性點(diǎn)可以保存很長的時(shí)間，加溶劑水后會極快地發(fā)生聚合反應(yīng)，得到超高分子量聚合物材料。

第六：聚合過程以活性聚合為主要特征，其產(chǎn)生的活性點(diǎn)可持續(xù)數(shù)周甚至數(shù)月。

等離子體表面改性

等離子體具有高效、清潔、省時(shí)、環(huán)保、不破壞材料基體性質(zhì)的特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于各種材料的表面改性領(lǐng)域，低溫等離子體(low temperature plasma)對聚合物材料的表面改性無論是在反應(yīng)性氣體還是在非反應(yīng)性氣體的氣氛中都可順利進(jìn)行。

低溫等離子體中粒子的能量一般為幾eV至幾十eV,大于聚合物材料的結(jié)合鍵能(幾eV至十幾eV),完全可以破裂有機(jī)大分子的化學(xué)鍵而形成新鍵;但其能量又遠(yuǎn)低于高能放射性射線,因而只涉及材料表面,不影響基體的性能。利用低溫等離子體這一特點(diǎn),可進(jìn)行材料的表面改性。通過低溫等離子體表面處理,材料表面發(fā)生多重的物理、化學(xué)變化,或產(chǎn)生刻蝕而粗糙,或形成致密的交聯(lián)層,或引入含氧極性基團(tuán),使親水性、粘結(jié)性、可染色性、生物相容性及電性能分別得到改善。由于低溫等離子體技術(shù)具有工藝簡單、操作方便、加工速度快、處理效果好、環(huán)境污染小、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn),低溫等離子體在材料表面改性中的研究與應(yīng)用近年來顯示出強(qiáng)大的生命力,正處于蓬勃發(fā)展的時(shí)期。