纳米多孔聚乙烯薄膜是一种通过物理或化学方法在聚乙烯(PE)基体中引入纳米级孔隙结构的材料,其孔径通常介于50-1000nm之间,具有高孔隙率和高比表面积。这类薄膜不仅保留了聚烯烃材料化学稳定性和柔韧性的优异性能,还因其独特的纳米多孔结构而展现出新的如高透气性和选择性吸附能力等功能特性。纳米多孔聚烯烃薄膜对红外光具有较高的透过率,同时由于孔径尺寸可散射可见光,薄膜总体呈现可见光不透明的特性,这些特点使其在服用纺织品领域具有潜在应用价值。

纳米多孔聚乙烯薄膜凭借其卓越的物理化学性能和多功能优势,在多个领域具有重要的应用潜力。然而由于其表面能较低,表现出较强的疏水性,在一定程度上限制了其在特定场景中的应用。通过表面改性技术可以扩大纳米多孔聚乙烯薄膜在各个领域的应用潜力。

等离子体处理技术

低温等离子体处理技术通过电场激发气体分子电离形成等离子体,利用其物理刻蚀和化学接枝对材料表面进行改性。通过在材料表面引入功能基团或改变其化学组成,精准引入羧基、羟基或氨基等亲水官能团,显著提高薄膜的亲水性和化学反应活性。用低温空气等离子体处理技术对纳米多孔聚烯烃薄膜薄膜进行亲水处理,可以在提高薄膜亲水性的同时很好地保留薄膜的多孔结构,避免薄膜结构特性的损失。

为在不破坏薄膜纳米多孔结构的前提下实现亲水化处理,采用低温等离子体技术对薄膜进行改性,如图1-1所示,是一种节能、无污染且干燥的表面改性工艺,可在聚合物表面引入大量亲水性含氧官能团的同时很好地保留薄膜的多孔结构。

图1-1 低温等离子体处理nanoPE7薄膜表面亲水机理

为了探究低温等离子体(LTP)处理技术对纳米多孔聚乙烯薄膜表面亲水性的影响,设置了不同处理时间来探究其接触角变化。如图2-1所示,处理3min后nanoPE的接触角显著降低,其亲水性大大增强。nanoPE由线性或支化的碳氢链构成,分子链较为柔性,在等离子体处理过程中更容易发生断裂或重组,从而形成更多的活性位点和极性基团从而使表面的亲水性得到显著提高。

图2--1 等离子处理前后纳米多孔聚乙烯薄膜表面亲水性的变化

图3-1a展示了低温等离子体(LTP)处理前后nanoPE7薄膜的红外光谱图。未处理的nanoPE7薄膜在2913cm^-1和2850cm^-1处分别表现出C-H键的不对称和对称伸缩振动峰,反映了其碳氢骨架结构;1463cm^-1处的对称弯曲振动峰进一步证实了C-H键的存在,而720cm^-1处的C-H摇摆振动峰则是聚乙烯长链结构的特征峰。经过LTP处理后,光谱图中在1714cm^-1处出现了一个新的吸收峰,对应于亲水性C=O基团,表明LTP技术成功将含氧官能团引入nanoPE7表面,赋予其亲水性。如图3-1b所示,LTP处理后的薄膜表面粗糙度增加,利于亲水性的提升,同时基本保留了原有的纳米多孔结构,能够有效存储吸湿溶液,为水分子根据温度变化蒸发和吸收提供便利。低温等离子体技术处理后的薄膜不仅亲水性极大提升,而且保留了nanoPE7薄膜的纳米多孔结构,这有利于水分子根据温度变化从MAnanoPE多孔结构中蒸发和吸收,而不会产生影响。

图3-1 LTPnanoPE与nanoPE7的ATR-FTIR光谱图,(b).LTPnanoPE与nanoPE7的扫描电 镜图

如图4-1a所示,低温等离子体处理前,nanoPE7薄膜表现出疏水性,水接触角为120.12°;处理后,水接触角降至33.27°,亲水性得到显著提升。将nanoPE7薄膜与LTPnanoPE薄膜浸入去离子水中,如图4-1b所示,未处理的nanoPE7因疏水性,水分子无法进入孔隙,而经过亲水处理的LTPnanoPE薄膜则允许水分子通过毛细效应进入孔隙内部,使薄膜呈现半透明状态。

图4-1 LTP处理前后的接触角,(b).LTPnanoPE与nanoPE7浸泡水溶液的对比