高分子材料改性课程论文

高分子材料改性课程论文

专 业： 材料科学与工程 学生姓名： 徐 敏 学 号： 1205101032 导 师： 张 腾

聚丙烯的亲水性改善研究

摘要：聚丙烯(PP)作为通用塑料，以产量大、应用面广以及物美价廉而著称，但聚丙烯具有非极性

和结晶性，其与极性聚合物、无机填料及增强材料等相容性差，其染色性、粘接性、抗静电性、亲水性也较差，这些缺点制约了聚丙烯的进一步推广应用。本文利用聚丙烯固相接枝丙烯酸(AA)、聚丙烯与乙烯-丙烯酸共聚物(EAA)共混和聚丙烯中空纤维膜的表面活性剂浸渍处理，三个途径分别对聚丙烯进行亲水改性研究。

关键词：聚丙烯； 亲水性； 接触角； 共混改性；

因为PP不含任何极性基团而难以和金属\玻璃粘结，难以和其他许多高聚物\无机填料相容; 也难于进行印刷染色等!这些缺点限制了聚丙烯在某些领域中的应用!表面接枝法可以将强极性的亲水基团引入薄膜的表面，并且由于接枝链与基体薄膜以化学键相联! 改性后的表面具有极性和亲水性，从根本上改变现有的塑料薄膜印刷技术!PP接枝改性产物还可经压膜\磺化\碱洗等工艺制得亲水性较好的离子交换膜，与亲水性差的膜相比具有容量大\高洗脱率\高再生率的特征!

聚丙烯 (PP) 材料作为第三大通用塑料，具有机械性能、耐腐蚀性及电绝缘性优良，无毒性、易加工及价格低廉等优点，受到广大学者及工业领域的极大青睐。其薄膜、纤维、非织造布、片材及各种制品在日常生活中被大量应用。其中，聚丙烯微孔膜主要用于锂离子电池隔离膜、废水处理、气体分离等领域。但是由于聚丙烯表面没有极性基团，其表面能很小，临界表面张力只有 ( 31 ～ 34) ×10–5 N/ cm，所以它的表面润湿性和亲水性很差，这不仅导致聚丙烯微孔膜的水通量小，而且导致其表面和溶质:之间存在憎水性相互作用，进一步导致膜污染现象。膜污染将导致在水处理过程中膜清洗的次数和维护费用增加，甚至会产生不可逆的破坏，降低膜的使用寿命，从而限制了其在工业中的应用。聚丙烯纤维 ( 丙纶) ，具有质地轻、强力高、弹性好、耐腐蚀、不起球等优点，其原料丙烯来源丰富，生产成本较低。但由于聚丙烯分子结构中没有亲水性基团，且结晶度很高，这些特性使印墨、胶黏剂、涂饰剂在其 表面因接触角大而不能充分润湿，从而难以染色等，所以在纺

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织领域的应用受到限制。聚丙烯的低表面能也使其与极性聚合物、无机填料及增强材料等相 容性差，这些缺点大大制约了聚丙烯的进一步推广应用。另外，聚丙烯非织造布是非织造布行业中发展最快的品种之一，其具有良好的透气性，极低的回潮率，且抗张强度、抗弯曲强度、耐磨损等性能好等优点。目前广泛应用于医疗卫生材料、土工布、工业过滤材料等领域，这些都对材料的亲水性能有相应的要求。通过对聚丙烯进行亲水改性，可以得到抗污染、抗静电以及易染色的薄膜、纤维或者相容性较好的复合材料等。因而设法提高聚丙烯的亲水性，在实际工业应用中有着重要意义，也就自然成为现在的研究重点。本文综述了目前对聚丙烯亲水改性的主要方法。 1 聚丙烯亲水性测试方法

1. 1 接触角：表征亲水性最常用的方法就是测定其表面的液体 ( 可以是水或有机溶剂) 的接触角，接触角包括静态接触角和动态接触角。在静止液体的前沿形成的角称为静态接触角，在移动着的液体的前沿形成的角称为动态接触角。静态接触角可由界面能量的平衡测得，而动态接触角则由界面推动力和黏滞力之间的平衡测得。

1. 2 表面张力：由于可逆地生成固体高聚物的表面很困难，所以固体高聚物的表面张力不能直接测定。其中非直接方法主要包括液体同系物法 (与摩尔质量有关) ，高聚物熔融法 (与温度有关) ，状态方程法，调和平均法，临界表面张力以及其他方法。

1. 3 X 射线光电子能谱： ( XPS) XPS 是以软性X射线作激发源的光电子光谱分析法，能够进行最外层表面区域(数埃)的分析，能够进行除 H 和 He 以外的全体元素分析，还能得到与化学键状态有关的信息，并且具有灵敏度高，分析快的优点，是一种高分子表面的重要分析方法。利用这种方法可以根据改性后材料表面的极性亲水基团数量的变化来表征材料的亲水性能变化。

1. 4 吸水率：在一定温度和湿度条件下，测定改性后材料吸水量与时间的关系。可以测定其吸水速率和其基线吸水 能力用以表征其亲水性。

1. 5 其他方法：以上几种是表征亲水性的主要方法，还有一些文献报道了一些其他的表征方法，如对于与乙烯丙烯酸 ( EAA) 共混的共混体系，由于 EAA 常用作黏合剂，也有文献测定其黏结强度，以表征其极性，也可作为表征亲水性的一个辅助手段。 2 聚丙烯亲水改性方法

2. 1 本体改性：本体改性是通过在本体聚合过程中加入亲水性极性单体达到改性的目的。国外 Targo 公司和 BASF、 Amoco 等公司都已经生产出茂金属聚丙烯用于纤维和非织造领域，制得的产品线密度更小、微孔更小，因此有很好的吸湿透气性。

2. 2 表面处理法：表面处理法主要包括表面化学氧化处理和等离子体表面处理方法。化学氧化处理法指用具有氧化性的化学试剂或气体对聚丙烯进行处理，增加聚丙烯表面的粗糙程度，从而提高表面极性，达到改善其表面亲水性能的目的。秦卫龙等采用氯酸钾、氯酸钠、高锰酸钾、重铬酸钾、重铬酸钠和次氯酸钠等氧化剂对PP进行了表面处理，结果表明亲水化处理可使接触角降低约 30%。用光学显微镜观察，发现处理后的表面粗糙度增大。此种方法简单，成本较低，但是改性以改变表面粗糙度为主，极性基团被引入较少，改性效果一般。低温等离子体改性是一种“干式化学”技术，在保持其本体性能的同时，能显著改善材料的表面性质。等离子体的性质直接影响材料的改性效果。 它不仅与等离子体产生的功率、气体类型、工作压强等工艺参数有关，也与所用的设备结构、频率、电极 的排布方式等设备参数有关。当用等离子体处理聚丙烯材料时，将聚丙烯材料暴露于非聚合性气体等离子体中，利用等离子体中的活性离子轰击聚丙烯材料表面，使聚丙烯材料表面分子结构发生变化，在材料表面形成—COOH、—NH2等极性基团的作用机理来提高聚丙烯的亲水性。利用低温等离子体技术改善聚丙烯的亲水性已取得了一些重要的研究成果。唐丽华等利用常压介质阻挡放电 ( APDBD) 和低压辉光放电 ( LPGD) 等离子体分别对聚丙烯非织造布进行亲水改性。研究分析了气体种类、压强、放电频率、电压、处理时间以及非织造布物理结构等因素对亲水改性的影响

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规律。结果表明: 氧气等离子体能够比氩气等离子体更有效地提高非织造布的吸水率和吸水速率; 增大放电频率和电压以及适当延长处理时间，均可显著提高材料的亲水改性效果; 样品的比表面积越大，体积密度越小，材料的吸水能力越高。在低温下聚丙烯用NH3等离子体处理进行表面改性，测试结果显示水接触角有明显降低，且纯水通量在处理时间为1 min 时达到最大值，BSA 吸 附测试也表明处理 1 min 后的膜经水洗和酸洗后，纯水通量分别恢复了51. 1%和60. 7%。

2. 3 接枝改性：接枝改性的方法是在非极性聚合物分子链上引入极性官能团，使聚合物表面上生长出一层新的有特殊性能的接枝层，从而达到显著的表面改性效果，对聚丙烯的表面接枝改性方法主要包括光引发法、等离子体辐射法及化学试剂引发法等。常用的接枝单有: 马来酸酐、丙烯酸、丙烯酰胺、甲基丙烯酸甲酯以及氮氮亚甲基双丙烯酰胺等。光引发接枝改性通常需要两步，先经光还原把引发基团引入材料表面，然后再将材料放入单体溶液中，在光或热活化下进行接枝聚合。Yu等

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通过光引发将丙烯酰胺接枝到聚丙烯中空纤维膜表面进行亲水改性，测试结果表明，当接枝率为

278. 4%时，水接触角仅为34. 9°，比未经接枝的膜的水接触角几乎 要低94°，且水通量也有提高。Yang

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等通过在光引发下在聚丙烯微孔膜表面接枝2－胺乙基甲基丙烯 酸来固定右旋糖苷，测试

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结果也表明水接触角有明显降低。Yang等采用紫外线辐射引发在聚丙烯表面接枝两性聚合物聚磺基甜菜碱丙烯酸甲酯来改善聚丙烯膜的亲水性，从而提高膜的抗生物污染性能。实验发现改性后的膜亲水性有很大的提高，接触角从145°降低到15°，并且水通量也提高了4 倍。采用等离子体技术处理聚丙烯表面，然后进行接枝改性的方法已得到大量研究。周爱军等采用 离子体技术对聚丙烯材料进行表面处理，并利用熔融挤出接枝马来酸酐的方法对其进行亲水改性。结果表明: 通过等离子体处理后接枝马来酸酐的方法，聚丙烯接触角可以降至 58. 9°，进一步用等离子体表面处理，可以使材料接触角降至 45. 6°，但时效性仍然存在。Kou等在氮气等离子体处理下，在聚丙烯微孔膜表面进行了α－烯丙基葡糖苷接枝亲水改性，测试表明随着接枝量从0到3. 46%，水接触角从 120°

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