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疏水高分子材料表面的化學性質獨特,主要體現在以下幾個方面:

(1) 表面化學“惰性”顯著,這意味著它們不易與其他物質發生化學反應,即使在高溫或高壓的極端條件下也能保持穩定的化學性質。這一特性源于疏水高分子內部的高能化學鍵,這些鍵難以被打斷,從而確保了材料在多種環境下的化學穩定性。

(2) 從電子排布的角度來看,疏水高分子表面的原子已經達到了它們最穩定的電子排布狀態,因此它們形成新化學鍵的能力相對較弱。這種穩定的電子排布使得材料表面不易釋放電子或形成新的化學鍵,進一步增強了其化學穩定性。

疏水高分子材料表面的物理性質,主要體現在以下幾個方面:

(1) 這些材料表面具有較低的表面能,這導致水分子難以在其表面均勻鋪展和浸潤。宏觀上表現為,當測量表面的靜態接觸角時,其值會大于90度,這明顯展示了材料表面的疏水性特點。

(2) 由于表面具有低粘附力,當嘗試在表面粘附其他功能團分子時,這些分子與表面的粘附力會相對較弱。這一特性使得對疏水高分子材料表面進行功能化修飾變得更加具有挑戰性。

疏水性高分子材料親水改性技術路線

當前,高分子材料表面修飾的研究主要聚焦于親水表面(極性)的修飾,這是因為親水表面含有豐富的表面官能團,易于通過化學方法進行精確調控和修飾。這些官能團為材料表面修飾提供了便利,使得在親水表面(極性)的高分子材料上引入特定功能基團成為可能,進而實現材料的功能化,以滿足不同領域的應用需求。

疏水(非極性)高分子材料表面與親水(極性)高分子材料表面的區別顯著,主要體現于疏水表面缺乏極性官能團,這使得其表面修飾相較于親水表面更具挑戰性。因此,實現疏水高分子材料表面修飾的首要步驟是對其惰性表面進行“活化”,即通過一系列化學或物理手段引入反應性基團,賦予其類似于親水表面的化學性質。一旦疏水表面被成功活化,后續的化學修飾和物理修飾就變得相對容易,從而可以引入具有特定功能的基團。

疏水性材料等離子親水改性原理

等離子體是一種由自由電子、離子、自由基以及中性粒子(包括原子和分子)組成的部分電離氣體狀態。當等離子體照射材料表面時,其高能沖擊會導致表面化學鍵的斷裂,這一過程伴隨著電子的釋放(即蝕刻現象)和自由基的生成。

表面物理作用——刻蝕作用：

等離子體中的高能粒子（如離子、電子等）與材料表面發生碰撞，具有足夠能量的粒子能夠將材料表面的原子或分子擊出，從而在材料表面形成微觀的粗糙結構。這種粗糙化的表面增加了材料的比表面積，根據表面熱力學原理，比表面積的增加有利于提高表面與液體的接觸面積，從而增強親水性。

表面化學作用——引入極性基團：

等離子體中的活性粒子能夠與材料表面的原子或分子發生化學反應，在材料表面引入各種極性基團，如羥基（-OH）、羧基（-COOH）、羰基（-C=O）等。這些極性基團具有很強的親水性，能夠與水分子形成氫鍵或其他化學鍵，從而顯著提高材料表面的親水性。化學鍵斷裂與重組：等離子體的能量可以使材料表面的化學鍵斷裂，產生新的活性位點。這些活性位點可以與周圍的氣體分子或等離子體中的活性粒子發生反應，形成新的化學鍵，從而改變材料表面的化學組成和結構，使其更具親水性。

材料的親水性與表面能密切相關。一般來說，表面能較高的材料具有較好的親水性。等離子體處理可以改變材料表面的化學組成和物理結構，從而提高材料的表面能。表面能的提高使得材料表面與水分子之間的相互作用力增強，促使水分子更容易在材料表面鋪展，表現出更好的親水性。