聚四氟乙烯 (PTFE) 是一种具有优异综合性能的特种工程塑料, 有“塑料王”的美誉。聚四氟乙烯结构式为CF2CF2 , 在聚四氟乙烯分子中, CF2单元按锯齿形状排列, 由于氟原子的范德瓦尔斯半径比氢原子稍大, 原子之间范德瓦尔斯作用力较大, 产生较强的排斥力, 所以相邻的单元不能完全按反式交叉取向, 而是形成一个螺旋状的构象, 由于氟原子具有合适的原子半径, 使每一个氟原子恰好能与间隔的碳原子上的氟原子紧靠, 这样的构象使氟原子能包围在碳-碳主链周围, 形成一个低表面能的保护层。氟原子保护着易受侵蚀的碳原子链, 使聚四氟乙烯具有各种优异的性能:宽广使用温度 (长期使用温度-180~250 ℃) , 高度的化学稳定性, 卓越的电绝缘性, 理想的防粘性, 优秀的自润滑性, 长期的耐大气老化性, 良好的不燃性和适中的机械强度等。目前, 聚四氟乙烯材料已广泛应用于航空航天、国防军备、石油化工、电子电器、交通运输、机械、能源、建筑、纺织、食品、医药等诸多领域。
虽然PTFE有诸多的优点, 但是由于该材料分子结构高度对称, 结晶度高且不含活性基团, 导致其表面能很低 (19 dyns/cm) , 表面疏水性极高 (与水接触角超过100 °) 。这种极低的表面活性严重影响了PTFE在粘接、印染、生物相容等方面的应用, 特别是限制了PTFE薄膜与其他材料的复合。
为了提高PTFE的表面活性, 使之可与其他材料粘接、复合, 需要对其进行表面改性。目前, PTFE表面处理常用的方法是湿化学处理法, 即萘-钠、氨-钠溶液处理法, 该法是利用腐蚀液除去PTFE表面的氟原子来提高材料表面活性。这种方法有很多缺点:
(1) 处理后PTFE表面明显变暗、变黑, 影响材料外观； (2) 处理后PTFE在高温时的表面电阻率下降, 长期暴露在阳光下, 材料粘接性能会严重降低; (3) 处理过程会产生大量的有害废液, 既严重污染环境, 又增加企业的处理成本, 不符合环保政策。随着社会的发展, 各地的环保法规政策日趋严厉, 在这一背景下, 低温等离子表面改性技术受到了越来越多的关注。
低温等离子表面改性机理给物质施加高温或通过加速电子、加速离子等方式给物质提供能量, 中性的物质被电离成大量带电粒子 (电子、离子) 和中性粒子组成的混合状态称为等离子体。等离子体整体呈电中性, 它是除固态、液态、气态外的物质第四种状态。
在所产生的等离子体中, 当电子温度与离子温度及气体温度相等时, 该等离子体称为平衡等离子体或高温等离子体;当电子温度远高于离子温度和气体温度时, 该等离子体为非平衡等离子体或低温等离子体。目前, 用于材料表面改性的主要是低温等离子体。
在材料表面改性中, 主要是利用低温等离子体轰击材料表面, 使材料表面分子的化学键被打开, 并与等离子体中的自由基结合, 在材料表面形成极性基团。由于表面增加了大量的极性基团, 从而能显著地提高材料表面的粘接性能、印刷性能、染色性能等。低温等离子体的能量一般为几到几十电子伏特 (电子0~20 eV, 离子0~2 eV, 亚稳态离子0~20 eV, 紫外光/可见光3~40 eV) , 而PTFE中C-F键键能为4.4 eV, C-C键键能为3.4 eV。由此可见, 低温等离子体的能量高于这些化学键的能量, 足以使PTFE表面的分子键断裂, 发生刻蚀、交联、接枝等一系列物理化学反应。
