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高气压脉冲DBD等离子体合成功能材料及其性能研究

汤文杰  
【摘要】: 低温等离子体表面处理技术由于具有工艺简单、操作简便、易于控制、对环境无污染等优点,正受到越来越广泛的应用。用等离子体方法制备的聚合膜连续、无针孔、与衬底粘附性好、产物交联度高、具有稳定的化学性能。当在进行材料接枝改性时,它对材料表面的作用深度仅数十纳米,不会影响基体材料的性质,几乎适用于任何材料。 脉冲放电模式是指在每个周期都发生Ton和Toff,其中在Ton是指等离子体处于作用状态,产生电子、离子和各种活性反应粒子;在Toff时放电熄灭,各类粒子发生聚合(主要为自由基聚合)反应。因此采用脉冲放电进行聚合有机薄膜可以减少薄膜中被俘获的自由基,降低沉积薄膜的温度,减少高能离子的轰击,同时保留单体的功能团的密度,对所沉积薄膜的化学性质具有良好的选择控制性。 脉冲等离子体如果控制得当,可兼具接枝与聚合的双重效果,在被改性材料表面形成需要厚度极薄的功能性涂层,而且可以控制涂层的物理形态为无针孔的光滑薄膜或多孔的粗糙薄膜。 针对脉冲等离子体聚合的优点,本文采用脉冲代替连续放电,以丙烯酸和马来酸酐为单体,实现快速高效聚合,制备高羧基含量的功能薄膜。通过材料的合成和性能检测分析,对制备薄膜的合成工艺进行了研究,并对相关的合成机理做了初步的探讨。得到如下结论: 1.采用脉冲DBD等离子体,讨论不同的气压、占空比、频率、极板间距和基片位置对放电沉积薄膜的影响。得出气压、占空比、频率是影响聚合羧基薄膜结构、性能的主要因素,而极板间距和基片的位置对薄膜成分影响不大; 2.采用不同的单体丙烯酸和马来酸酐制备羧基薄膜,所制备的聚丙烯酸薄膜中羧酸含量大于聚马来酸酐中的羧基含量,但聚马来酸酐的稳定性优于聚丙烯酸。两种单体所制备的薄膜表面均一、致密、连续、水接触角最小可降低到3o,具有超级亲水的表面性能; 3.对聚合的薄膜进行稳定性实验,得出薄膜的稳定性与其羧基的保留率是相互矛盾的:欲提高薄膜的稳定性,则必须增大薄膜中的交联程度,减少功能团密度的含量。通过提高放电的功率密度来增加电子对薄膜表面的轰击,可以提高薄膜的稳定性,但这又加大了电子对单体官能团的破坏,导致羧基保留率的降低; 4.观察放电的电流一电压曲线,得出在气压变化的过程中放电较为稳定,气压在300Pa的时候,放电较为均匀,接近辉光放电,同时随着气压的升高,产生“过零放电”; 5.对脉冲DBD在氩气下的放电进行光谱诊断,得出等离子体中的电子温度在0.65eV左右。


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