聚合物高分子材料表面改性的方法及其裝置的製作方法
2023-10-24 02:35:32 1
專利名稱：聚合物高分子材料表面改性的方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及聚合物高分子材料表面改性的方法及其裝置。
背景技術：
聚合物高分子材料如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙稀(PVC)、尼龍、聚酯等在醫療、衛生、包裝等領域應用廣泛。然而，高分子材料本身存在一些缺陷，導致其使用效果受到影響。其一為材料老化問題，即在加工或使用過程中，受到光、熱、空氣、潮溼、腐蝕性氣體等綜合因素的影響，材料會逐步失去原有的優良性能，以致最後不能使用；其二為高分子薄膜材料的低阻隔性能，導致在包裝等應用領域中密封效果差、被包裝物保存期短等問題；等等。通過改善聚合物高分子化合物的結構、改進它們的聚合和加工工藝以及注意使用的環境和條件，可以提高聚合物高分子的性能，減少或延遲老化。通過多層高分子薄膜的接枝、複合，可以提高密封性。一般而言，傳統聚合物高分子表面改性技術的工藝較為複雜、效果不夠理想。
將幾類不同性質的材料通過複合工藝組合而成的新型材料，既能保留其原組分材料各自的主要優勢，又能通過複合效應獲得原組分所不具備的性能，還可以通過合理的材料設計使各組分的性能彼此補充、互相關聯，進而獲得更優越的綜合性能。
類金剛石(DLC)薄膜具有極佳的水、氣封閉性能和耐酸鹼、抗侵蝕能力，同時其材料的半導體帶隙較寬，可以有效隔離紫外線，因而早已獲得廣泛應用。將DLC薄膜塗覆於聚合物高分子材料表面形成的膜/基結構，可以簡化工藝、提高改性效果。
然而，通常無機材料薄膜的沉積溫度至少在200℃以上，而在此溫度下一般聚合物高分子材料無法耐受。因此，如何在聚合物高分子材料表面低溫(甚至常溫)有效沉積DLC薄膜，便成為此項技術的關鍵。
發明內容
本發明的目的是提供一種通過低溫塗覆類金剛石(DLC)薄膜對聚合物高分子材料進行表面改性的方法及其裝置。
本發明採用脈衝激發等離子體化學氣相沉積方法，在＜100℃溫度下，在聚合物高分子材料表面塗覆膜/基良好附著的DLC薄膜。
本發明提供的聚合物高分子材料表面改性的方法，其步驟如下
1)以清潔後的聚合物高分子材料為襯底，將其置於脈衝激發等離子體化學氣相沉積裝置的反應室中，並固定在反應室的上下平行電極之間；2)反應室抽真空至本底真空3×10-3Pa，通入純氬氣和氫氣，襯底保持室溫或加熱至50-100℃，開啟脈衝激發電源，電源的電壓為1-3kV，產生等離子體轟擊襯底，對聚合物高分子材料表面進行活化處理；3)再通入純乙烯氣體，控制氣體流量比為氬氣∶氫氣∶乙烯＝5∶1-2.0∶0.2-0.6，調整反應壓強至100-500Pa，調整脈衝激發電源的電壓為5-30kV，頻率為1.2-2.0kHz，在襯底上沉積類金剛石薄膜。
本發明中，所說的聚合物高分子材料為聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙稀、尼龍或聚酯。
通常，在襯底上沉積類金剛石薄膜的沉積速率約20-60nm/min，脈衝激發電源的脈衝電壓上升沿＜1μs。
用於聚合物高分子材料表面改性的脈衝激發等離子體化學氣相沉積裝置，包括絕緣材料制的反應室，反應室的頂部具有杯口朝向大氣的石英玻璃介質杯體，緊貼杯底置有一板式上電極，反應室中設有與上電極平行的下電極，下電極固定在加熱器上，上電極與等離子體激發脈衝電源相連，下電極接地，加熱器與反應室外的加熱溫控裝置相連，化學氣相沉積的供氣系統及真空系統分別通過閥門與反應室相連通，供氣管的噴嘴位於兩上下平行的電極之間。
本發明的有益效果在於1)將類金剛石(DLC)薄膜塗覆在聚合物高分子材料表面，大大提高了聚合物高分子材料的抗紫外線照射和水、氣密封性等綜合性能。
2)採用本發明的脈衝激發等離子體化學氣相沉積裝置可以在＜100℃溫度下，在聚合物高分子材料表面塗覆DLC薄膜。薄膜的沉積速度快(可達20-60nm/min)，膜基結合牢固(最大膜基結合力達到40N)，且工藝簡單、成本低、可操作性強。
圖1為用於聚合物高分子材料表面改性的裝置。
具體實施例方式
參照圖1，用於聚合物高分子材料表面改性的脈衝激發等離子體化學氣相沉積裝置，包括絕緣材料制的反應室1，反應室的頂部具有杯口朝向大氣的石英玻璃介質杯體5，緊貼杯底置有一板式上電極6，反應室中設有與上電極平行的下電極7，下電極7固定在加熱器9上，上電極6與等離子體激發脈衝電源8相連，下電極7接地，加熱器與反應室外的加熱溫控裝置10相連，化學氣相沉積的供氣系統2及真空系統3分別通過閥門與反應室相連通，供氣管的噴嘴4位於兩上下平行的電極之間。
實施例11)以清潔後的聚乙烯為襯底，將其置於脈衝激發等離子體化學氣相沉積裝置的反應室中，並固定在上下平行的電極之間；2)反應室抽真空至本底真空3×10-3Pa，通入純氬氣和氫氣，襯底保持室溫，開啟脈衝激發電源，電源的電壓為3kV，產生等離子體轟擊襯底20分鐘，對聚乙烯表面進行活化處理；3)再通入純度為99.9％的乙烯氣體，控制氣體流量比為氬氣∶氫氣∶乙烯＝4∶1∶0.5，調整反應壓強至500Pa，調整脈衝激發電源的頻率1.2kHz、電壓10kV，在襯底上以50nm/min的速率沉積類金剛石薄膜。
所沉積薄膜經拉曼光譜分析，具有類金剛石的拉曼特徵峰，證明獲得類金剛石薄膜；膜基結合牢固沒有出現剝落現象，採用納米劃痕儀測定薄膜的膜基結合力為30N。
實施例21)以清潔後的聚酯為襯底，將其置於脈衝激發等離子體化學氣相沉積裝置的反應室中，並固定在上下平行的電極之間；2)反應室抽真空至本底真空3×10-3Pa，通入純氬氣和氫氣，襯底加熱至80℃，開啟脈衝激發電源，電源的電壓為3kV，產生等離子體轟擊襯底20分鐘，對聚酯表面進行活化處理；3)再通入純度為99.9％的乙烯氣體，控制氣體流量比為氬氣∶氫氣∶乙烯＝4∶0.5∶0.1，調整反應壓強至300Pa，調整脈衝激發電源的頻率2.0kHz、電壓20kV，在襯底上以60nm/min的速率沉積類金剛石薄膜。
所沉積薄膜經拉曼光譜分析，具有類金剛石的拉曼特徵峰，證明獲得類金剛石薄膜；膜基結合牢固沒有出現剝落現象，採用納米劃痕儀測定薄膜的膜基結合力為35N。
權利要求
1.聚合物高分子材料表面改性的方法，其特徵在於步驟如下1)以清潔後的聚合物高分子材料為襯底，將其置於脈衝激發等離子體化學氣相沉積裝置的反應室中，並固定在反應室的上、下平行電極之間；2)反應室抽真空至本底真空3×10-3Pa，通入純氬氣和氫氣，襯底保持室溫或加熱至50-100℃，開啟脈衝激發電源，電源的電壓為1-3kV，產生等離子體轟擊襯底，對聚合物高分子材料表面進行活化處理；3)再通入純乙烯氣體，控制氣體流量比為氬氣∶氫氣∶乙烯＝5∶1-2.0∶0.2-0.6，調整反應壓強至100-500Pa，調整脈衝激發電源的電壓為5-30kV，在襯底上沉積類金剛石薄膜。
2.根據權利要求1所述的聚合物高分子材料表面改性的方法，其特徵在於所說的聚合物高分子材料為聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙稀、尼龍或聚酯。
3.用於權利要求1所述的聚合物高分子材料表面改性的方法的裝置，其特徵是包括絕緣材料制的反應室(1)，反應室的頂部具有杯口朝向大氣的石英玻璃介質杯體(5)，緊貼杯底置有一板式上電極(6)，反應室中設有與上電極平行的下電極(7)，下電極(7)固定在加熱器(9)上，上電極(6)與等離子體激發脈衝電源(8)相連，下電極(7)接地，加熱器與反應室外的加熱溫控裝置(10)相連，化學氣相沉積的供氣系統(2)及真空系統(3)分別通過閥門與反應室相連通，供氣管的噴嘴(4)位於兩上下平行的電極之間。
全文摘要
本發明公開的聚合物高分子材料表面改性的方法，是以清潔後的聚合物高分子材料為襯底，將其置於脈衝激發等離子體化學氣相沉積裝置的反應室中，先向反應室通入氬氣和氫氣，用產生的等離子體對室溫或加熱至50－100℃的襯底進行活化處理；再通入純乙烯氣體，控制氣體流量比為氬氣∶氫氣∶乙烯＝5∶1－2.0∶0.2－0.6，在襯底上沉積類金剛石薄膜。採用本發明可以在＜100℃溫度下，在聚合物高分子材料表面塗覆DLC薄膜，工藝簡單，可操作性強。薄膜的沉積速度快(可達20－60nm/min)，膜基結合牢固(最大膜基結合力達到40N)，大大提高了聚合物高分子材料的抗紫外線照射和水、氣密封性等綜合性能。
文檔編號C08L23/12GK1978699SQ200610154950
公開日2007年6月13日 申請日期2006年11月30日 優先權日2006年11月30日
發明者張溪文, 李敏偉 申請人:浙江大學