疏水性有机高分子材料表面润湿性的研究.docx

疏水性有机高分子材料表面润湿性的研究 有机高材料可广泛应用于纺织、医药、建筑等行业，受到人们的高度重视。在实际工作中,疏水性有机高分子材料由于表面的非极性,致使其与水溶液的润湿不理想,从而给材料的用途带来许多局限,例如:用于纺织工业中的绦纶纤维由于材料表面的疏水性导致其织品不能吸收人体的汗液,不利于做衣物;用做隐形眼镜的硅橡胶材料若不能与人眼中水溶液很好的亲和,将无法实际应用。由此可见,改善疏水性有机高分子材料的表面亲水性与人们生活密切相关,已成为人们长期关注的课题。人们研究发现:表面、界面结构与状态的改善可以改变材料的某些性能和适用性,通过对疏水性有机高分子材料表面化学和物理处理,改善材料的亲水性能,使其更好地为人类所用。 1 表面能s-g 通常材料表面与水溶液之间存在润湿过程,可以用扬氏方程表示: γs-g=γs-l+γl-gcosθ (1) 其中γs-g、γs-l、γl-g分别表示固体与气体、固体与液体及液体与气体表面张力(表面能),θ为接触角,表示为固、气、液三相平衡时,从三相交界点O处取单位长度微元沿液-气界面作切线,其与固液界面的夹角(夹有液体),如图(1)所示: 从方程(1)可见:表面能γs-g高的固体容易与水溶液发生润湿。由此,要想提高材料的亲水性,就要提高材料的表面能。 大多数有机高分子材料的表面为非极性官能团,表面能低,表现为疏水材料,可对这些材料进行改性来提高表面能,以达到提高亲水性的目的。 2 高分子材料的改性方法 长期以来人们在理论与实践中已找到了诸多改善疏水性有机高分子材料的方法,从其改性方法上,可分为化学方法和物理方法两种。其中化学方法有表面氧化法、接枝改性法、共聚法、表面活性剂法;物理方法有共混法、高能辐射法等。 2.1 化学改性法 2.1.1 氧化剂的选择 表面氧化法也可称为液相化学法,即通过具有强氧化性的溶液在疏水材料表面发生化学反应,从而改变材料表面的分子结构,在其表面层生成极性亲水基团,提高材料表面的表面能,改善材料的亲水性。常用的氧化剂有硝酸、硫酸、高锰酸钾、氯酸钠、次氯酸钠、重铬酸钾、重铬酸钠、过硫酸铵等。其中最有特点的实例是将聚丙烯中空纤维表面用一定比例重铬酸钾与硫酸进行化学处理,在其表面形成羟基、羧基等极性基团,从而使聚丙烯表面容易被水溶液润湿。 2.1.2 接枝改性对有机材料表面润湿度的影响 接枝改性法是在一定外部激发条件下,将具有亲水性的单体或聚合物作为支链引入疏水性高分子有机材料表面发生聚合的过程,接枝改性可使材料表面的表面能大大提高,从而加大与水溶液的润湿度。 产生接枝聚合的外部激发条件有很多种,如化学接枝法、电解聚合法、等离子接枝聚合法、氧化接枝法和紫外线与高能电晕放电方法等。 2.1.3 子聚合物的制备 共聚改性法是将疏水性高分子材料与其它高分子聚合物通过化学反应聚合,从而改善其与水的亲和性。比如分别将4-乙基吡啶与丙烯腈、苯乙烯共聚,以改善丙烯腈、苯乙烯的亲水性。 2.1.4 材料表面的亲水性 应用表面活性剂“双亲”(既亲水又亲油)的特点,用化学手段将疏水性有机材料与其亲油基相联,而将亲水基暴露在表面,使材料的表面显示出亲水性。这种改性方法的应用很多,其关键技术在于表面活性剂的选择,通常可根据各种疏水性有机高分子材料的性质确定表面活性剂的选用。常用的表面活性剂有:十二烷基硫酸钠(S.D.S)、溴化十六烷基三甲基铵(CTAB)、壬烷基酚聚氯化烯醚(Oπ-10)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇辛基醚(OP乳化剂)、十八醇等。 2.2 物理方法 2.2.1 高分子有机材料 一般来说,共混法是采用机械方法将疏水性高分子材料与其它亲水性材料在软化或熔融状态下混合,经过物理方法(如挤压)成型,形成表面能高的高分子有机材料,以提高疏水材料的亲水性。如在膜材料的应用中,憎水性的PVC膜材料与聚异丁烯-马来酸酐共聚物(IB-co-MH)共混以改善PVC的亲水性。 2.2.2 辐射改性法制备聚合物材料 利用等离子、α射线、γ射线、紫外线等高能源对疏水性有机高分子材料表面进行辐射改性的方法称为高能辐射法。一般高能辐射改性法可分为三种:①依靠非聚合性气体的高能照射;②采用聚合性气体形成聚合膜;③依靠高能照射。通常改性分两个阶段:第一阶段使基础材料生成活性点,第二阶段使材料照射后与单体接触,发生接枝聚合,以此改善疏水有机高分子材料的表面亲水性。如Kuriaka等用N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)等离子体处理硅橡胶表面,在表面亲水性方面显示很好的结果。 3 实际应用 3.1 pvdf膜的制备 随着膜技术的发展,人们对膜材料的要求越来越高,膜分离过程既要有高的渗透性又要有高的选择性,通常可通过膜材料的表面改性来控制膜与渗透物间的亲和性,从而达到渗透性与选择性的统一。目前常用的膜材料有C