多孔材料按组成可分为无机多孔材料和有机多孔材料,按孔径大小可分为大孔(d>50nm)、介孔(d=2~50nm)和微孔(d<2nm=材料3种,其孔道结构规则而均匀,应用领域广泛,在化工行业和高新技术领域起着越来越重要的作用。尤其微孔和介孔材料具有高性能,可作为优良的催化剂、高选择性吸附分离剂、传感器件、储氢或储甲烷材料等。另外,它们也是合成其它特定官能团的优异基体材料。

随着研究方法、技术的发展和深入,多孔材料种类的增加,应用领域的拓宽,对多孔材料的性能要求越来越高,各种改性技术应运而生,以求改善其表面化学性质,控制界面物性,如亲水性、表面能、黏着性、渗透性等,提高其工作性能和效率。其改性方法归结起来可分为物理改性法、化学改性法以及生物改性法。其中物理法主要包括表面分子涂覆(或吸附)处理、表面挤压、热处理、等离子体物理处理、激光表面处理、臭氧以及紫外线处理等。化学法主要包括表面氧化、酸蚀处理、碱液处理、低温等离子体化学处理、聚乙二醇(PEG)化学法、硅烷化学法、单分子层自组装法(SAM)等。在众多改性方法中,等离子体处理是近年发展最快,研究最热门的技术之一。目前,在材料、化工领域等应用较多的是低温等离子体处理技术。

低温等离子体改性原理

低温等离子体撞击材料表面时,不仅可以发生物理撞击作用,还可以对材料表面进行化学侵蚀。材料的表面改性是通过断开或激活材料表面的旧化学键并形成新的化学键才能实现,这首先需要低温等离子体中的各类粒子具有足够的能量以断开材料表面的旧化学键。低温等离子体的粒子能量参数范围如表1所示。表2为各类材料中一些常见化学键的键能。对比可知,除离子外,低温等离子体中绝大多数粒子的能量均高于这些化学键的键能。这表明,利用低温等离子体完全可以破坏材料表面的旧化学键继而形成新键,从而赋予材料表面新的特性。

低温等离子体对多孔材料的表面改性方法通常有等离子体处理、等离子体(沉积)聚合和等离子体引发的接枝聚合等。等离子体处理是指非聚合性气体(非反应性气体如He、Ar等和反应性气体如O2、CO2、NH3等)的等离子体对材料表面的物理的或化学的作用过程。处理中,等离子中的自由基、电子等高能态粒子与材料的表面作用,通过刻蚀与沉积作用发生降解和交联等反应,在材料表面产生极性基团、自由基等活性基团,从而可实现材料的亲水化等处理。等离子体聚合是将材料暴露于聚合性气体中,表面沉积一层较薄的聚合物膜。与通常的化学聚合相比,等离子体聚合膜在结构上能形成高度交联的网状结构,成膜均匀致密,与基体结合牢固,赋予材料表面新的功能,如热稳定性、化学稳定性、力学强度、膜透过性、生物相容性等。等离子体接枝聚合是先对材料进行等离子体处理,利用表面产生的活性自由基引发烯类单体在材料表面进行接枝聚合。相比材料表面引入的单官能团,接枝链化学性质稳定,可使材料表面具有永久性的亲水性。接枝速率与等离子体处理功率、处理时间、单体浓度、接枝时间、溶剂性质等因素有关。

低温等离子体改性优势

低温等离子体改性主要具有以下优点:①属干式工艺,满足节能和环保的要求;②作用时间短(几秒到几分钟),效率高,效果好;③改性一般只发生在表面层(几个到几百个纳米),在改善材料表面性能的同时,不改变基体固有性能;④对所处理的材料具有普遍适应性,可处理形状较复杂的材料;⑤反应环境温度低,工艺简单,操作方便,无污染或污染小等。所以说该技术具有较好的应用效果,较传统的改性技术有了明显提高。