等離子體親水處理聚烯烴合成紙的研究

[研究論文●等離子體●等離子體親水處理聚烯烴合成紙的研究陳均志劉希夷尤艷雪李楠(陜西科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，陜西西安，710021)摘要: 重點(diǎn)研究了等離子體處理對紙張親水性能的影響，發(fā)現在等離子體放電功率30 W.放電時(shí)間3 min 處理壓強40 Pa時(shí)紙張的親水性有很大提高;并通過(guò)接觸角測定、掃捕電鏡、紅外光譜圖對接枝樣品的表面進(jìn)行了表征。關(guān)鍵調:等離子體;親水性;聚蠕烴合成紙國中圈分類(lèi)號: TS76文獻標識碼: A文章編號: 0254-50808-0006-04等離子體改性是一種1.2 實(shí)驗方法氣固相干法處理聚合物的采用等離子體氣體發(fā)生器對經(jīng)手工抄片成形的紙作者簡(jiǎn)介:陳均志先生，新方式，具有快速、高效、樣進(jìn)行親水化處理。將紙樣置于等離子體發(fā)生器的氣教授;主要從事輕化工材無(wú)污染、操作簡(jiǎn)單、節省室中,啟動(dòng)真空泵，將氣室中的真空度降到- -定程度，料、助劑的開(kāi)發(fā)和研究工能源等優(yōu)點(diǎn)，反應僅涉及通人工作氣體并控制- -定的流量， 同時(shí)啟動(dòng)電源，激作。纖維100nm內的淺表面，發(fā)等離子體，對紙樣進(jìn)行處理。關(guān)閉電源,取出樣品。不改變聚合物的性能而可賦予聚合物新的特性。但等把處理后的紙樣放人一定溫度、一定濃度的丙烯酸水離子體處理需要在真空狀態(tài)下進(jìn)行，因此要求相當大溶液中反應，取出紙樣,用水洗去殘余的丙烯酸，再的真空裝置，這提高了設備的投資,但對- -些高性能 、用沸水煮3h,最后在60心的烘箱中烘干備用。特殊使用要求的材料進(jìn)行處理，仍是- -種有效的方法。1.3檢測方法等離子體對纖維的表面處理主要發(fā)生3種作用:蝕吸堿率、電解液保留率(簡(jiǎn)稱(chēng)保留率)和吸堿高刻、表面交聯(lián)和引入極性基團。等離子體通常含有高度的測定見(jiàn)參考文獻[5]。能態(tài)的粒子，當這些高能態(tài)粒子作用到聚烯烴纖維上吸水率的測定方法:準卻稱(chēng)取上述改性纖維以及時(shí)，會(huì )產(chǎn)生加熱、刻蝕以及自由基反應"。通過(guò)這些未改性纖維各0.2g.攤鋪于表面皿上，放人濕度為作用可引入暫時(shí)性親水性基團，但是這些親水性基團95%以上的養護室內, 24 h后取出，迅速稱(chēng)量，計算容易消失，為了長(cháng)久保持紙張的親水性能，常采用在吸水率。吸水率=100% x(吸水后纖維質(zhì)量-干燥纖等離子體處理之后,將具有親水性的單體(如丙烯酸)維質(zhì)量)y千燥纖維質(zhì)量。接枝到紙張纖維上24。本研究重點(diǎn)探討了氬等離子2結果與討論體親水化處理聚烯烴合成紙。由于氬氣是非反應性氣體,該氣體原子不直接進(jìn)人高聚物材料表面的大分子2.1等離子體處理對紙張性能的影響鏈中,不會(huì )對高分子主體的性質(zhì)產(chǎn)生本質(zhì)的影響。(1)等離子體放電功率對紙張性能的影響不同等離子體放電功率對紙張性能的影響如圖1。1實(shí)驗由圖1可知，隨著(zhù)放電功率的增大,聚烯烴合成紙的1.1實(shí)驗原料及儀器吸收性能增大到一定值后開(kāi)始減小。這是因為增大放實(shí)驗原料: PP( 聚丙烯纖維)與ES(聚乙烯1聚丙電功率,紙表面被活化的自由基越來(lái)越多，在-定的烯)雙組分纖維復配的合成紙;丙烯酸為化學(xué)純。反應溫度下，它引發(fā)丙烯酸對聚烯烴合成紙的接枝實(shí)驗儀器:等離子體發(fā)生器(功率發(fā)射源為SY率增中國煤化工氧基團，這些基團跟型300 W射頻功率源，中科院微電子中心);抗張強水分MYHCNMH G冰的接觸角變小(如度測定儀; JC2000 接觸角測定儀;多媒體光學(xué)顯微鏡; ESCALABMKII型光電子能譜儀;日本JEOL公司JSM-35C型掃描電子顯微鏡。收稿日期: 20.03-14(修改稿)China Pulp & Paper Vol.26, No.8, 2007.6.研究論文}表1所示)。隨著(zhù)放電功率的進(jìn)-一步增大,紙張吸收升高。這是因為起初活化作用占據主導，使纖維表面性能反而減小，這可能是由于帶電粒子能量增大,等引人了大量的極性基團，降低了聚烯烴合成紙與水的離子體對紙表面的交聯(lián)刻蝕作用占據了主導，導致活接觸角。此后延長(cháng)放電時(shí)間，降低了丙烯酸對纖維表性基團數量下降,結果造成聚烯烴合成紙的吸收性能面的接枝率，降低紙張吸收性能。但隨著(zhù)處理時(shí)間的先升后降的變化趨勢。吸堿高度也是吸堿速率的一個(gè)繼續增加， 吸收性能又有所提高,這是由于此時(shí)等離反映，而吸堿速率是親水性能好壞的另一個(gè)重要指標子體主要發(fā)生刻蝕作用，但是繼續延長(cháng)時(shí)間，交聯(lián)刻(67]。電解液保留率越高,說(shuō)明越有能力吸收足夠的電蝕占據主導，活性基團數量下降,處理效果會(huì )隨著(zhù)時(shí)解液。吸收電解液后形成微孔很細的隔膜，同時(shí)分布間的推移而變差[89。因此，對紙張吸收性能來(lái)說(shuō)，均勻，有利于防止形成穿透隔膜的電子電導通路。同在適當的放電功率下，最佳放電時(shí)間為3 min。時(shí)吸收電解液可防止電池隔膜的干涸，增加電池的循(3)等離子體處理壓強對紙張性能的影響環(huán)壽命。綜合考慮認為,較佳的等離子體放電功率為不同等離子體處理壓強對紙張性能的影響如圖3。30W。從圖3氬等離子體處理壓強對紙張吸收性能的變化曲線(xiàn)可以看出，紙張的吸收性能隨處理壓強增大也呈現+吸水率(%) +保留率(%)先增大后減小的變化趨勢。在起初氬氣分子數目相對35十吸堿率(%)一吸堿高度140120較少，從而帶電粒子的數量也有限，活化效果明顯[10,300100售因此，紙張的吸收性能隨丙烯酸接枝率的增加而迅速8060昌增加。當繼續增大處理壓強時(shí)，氬氣分子數目增多,但由于功率- -定， 體系的能量- -定，工作氣體壓力的1000進(jìn)一步增加會(huì )導致各粒子平均能量降低，真正被電離5的活性粒子數目減少，影響了活化效果，導致紙張吸-1001020304050607080放電功率/ W收性能下降。因此，對紙張吸收性能來(lái)說(shuō)，在此功率注氫氣壓強40 Pa, 放電時(shí)間3 min.丙烯酸溶液濃度及放電時(shí)間條件下，最佳處理壓強為40 Pa。20%，溫度60，接枝時(shí)間1 h。+吸堿率(%) +保留率(%)圖1 等離子體放電功率對紙張性能的影響50fr吸水率(%)。+吸堿高度11401207300| .表1等離子體放電功率對紙張接觸角的影響: 250放電功事/W203C4S607520060接觸角/°)132(852B150-100f50 t(2)等離子體放電時(shí)間對紙張性能的影響0.20406080100不同等離子體放電時(shí)間對紙張性能的影響如圖2。處理壓強/Pa從圖2可以看出，在起初3 min,紙張吸收性能明顯注放電功率30w, 放電時(shí)間3 min,丙烯酸溶液濃度20%，溫度60氣，接枝時(shí)間1 h。，吸堿事(%)十你%)圖3等離子體放電壓強 對紙張性能的影響002.2 等離子體處理后丙烯酸接枝對紙張性能的影響250100色(1)丙烯酸接枝時(shí)間對紙張性能的影響至2001s0圖4為丙烯酸接枝時(shí)間對紙張性能的影響。由圖( 604可知，紙張的吸收性能隨反應時(shí)間的延長(cháng)而逐漸增440大，而后趨王鴰寧可以1相角_ 反應時(shí)間延長(cháng)到一定.0123放電時(shí)間/min45678程度中國煤化工顯著(zhù)，引起自由基E氬氣壓強40 Pa, 放電功率30 W,丙烯酸溶液濃的濃YHCNMHG直體發(fā)生均聚所產(chǎn)生度20%，溫度60C,接枝時(shí)間1 h。的均聚物濃度也越來(lái)越高，此時(shí)擴散作用成為接枝反圖2 等離子體放電時(shí)間對紙張性能的影響應的控制步驟,將引起接枝率增加的趨勢有所下降,《中國造紙》2007年第26卷第8期.7.研究論文吸堿率(%) + -保留率(%)+ - 吸堿率(%) +保留率(%)-吸水率(%) 工吸堿高度'→吸水率(%) + -吸堿高度38000”160340120340-| 140t 100， 280-80.100號50號220 :80 昌11660區40館4000200oto).5 1.0 1.52.0 2:0接枝時(shí)間h丙烯酸濃度/%注氬氣壓強40Pa, 放電功率30W,處理時(shí)間主氬氣壓強40Pa, 放電功率30 w,處理時(shí)間3 min,3min,丙烯酸溶液濃度20%，溫度60C。丙烯酸接枝溫度80C,接枝時(shí)間2 h。圖4 丙烯酸接枝時(shí)間對紙張性能的影響圖6丙烯酸溶液濃度對紙張性能的影響導致紙張吸收性能增加的趨勢也下降，直至趨于穩定。2.3氬等離 子體處理接枝丙烯酸后的纖維表面因此，在本實(shí)驗條件下，最佳接枝時(shí)間為2h。2.3.1掃描電鏡(2)丙烯酸接枝溫度對紙張性能的影響由圖7可以看出，接枝后纖維表面有刻蝕痕跡、由圖5的丙烯酸接枝溫度對紙張性能的影響可知,粗糙、遍布凹坑、鼓泡和粒狀突起，且出現許多分布60C以前，紙張吸收性能隨接枝溫度的升高迅速增大，不均勻、 不規則的白色團狀聚集體，這些聚集體在聚60公后紙張吸收性能增大的幅度提高，到80C時(shí)達到烯烴合成紙纖維表面呈島狀結構，并沒(méi)有完全覆蓋聚最大值。這說(shuō)明在80C以前，接枝共聚的反應速度超合物表面，這說(shuō)明纖維表面各部位被處理的程度不過(guò)均聚反應速度，繼續升高溫度，不但大量地引發(fā)接.同，處理后的纖維表面大分子鏈上并不是均勻地產(chǎn)生枝共聚反應，均聚反應的競爭也開(kāi)始加劇，所以導致活性點(diǎn)，接枝增長(cháng)鏈在這些部位不斷地增長(cháng)，由于增接枝率降低,以至于使紙張的吸收性能降低。因此，長(cháng)速度不同，出現了圖中所示的情況。這也進(jìn)-步證適宜的接枝溫度為80C。明了聚烯烴纖維表面已被刻蝕并接枝上了丙烯酸親水基團。380_一吸堿率(%) 十保留率(%)一吸水率(%)220二100oL)406080 100接枝溫度/C注氬氣壓強40 Pa, 放電功率30 w,處理時(shí)間3 min,丙烯酸溶液依度20%，接枝時(shí)間2 h。a未處理紙張纖維圖5丙烯酸接 枝溫度對紙張性能的影響(3)丙烯酸溶液濃度對紙張性能的影響圖6反映了丙烯酸溶液濃度對紙張性能的影響。在低濃度時(shí)，接枝共聚反應占主導,接枝率隨丙烯酸溶液濃度增大而增加，而隨單體濃度的增加，均聚反應幾率增加，均聚物增多，過(guò)多的勻聚物和接枝鏈覆中國煤化工蓋在試樣表面，降低了試樣的接枝率,從而降低紙張YHCNMHG核枝的吸收性能。由圖6可知，丙烯酸溶液濃度為30%時(shí)內烯成后的紙張纖維接枝率出現最大值,超過(guò)30%后接枝率又有下降趨勢。圖7 聚烯烴合成紙的掃描電鏡觀(guān)察圖China Pulp & Paper Vol. 26, No.8, 2007研究論文2.3.2紅外光譜圖3.2等離子體處理引發(fā)丙烯酸接枝到聚烯烴合 成紙上的聚烯烴合成紙纖維與丙烯酸接枝后紙纖維的紅外最佳工藝為:等離子體放電功率30 W、放電時(shí)間3 min、光譜分析結果如圖8。比較圖8中的a、b可以發(fā)現，處理壓強40 Pa,丙烯酸接枝溫度80C、接枝時(shí)間2h、接枝物的紅外光譜圖上除了保留聚烯烴的特征吸收峰丙烯酸濃度30%。外，也出現了羰基的特征吸收峰1720 cm^',說(shuō)明接枝參考文獻丙烯酸后的聚烯烴纖維中已經(jīng)帶上了所需要的羰基官能團，表明丙烯酸已經(jīng)接枝到聚丙烯的分子鏈上。[1] 盧記軍,曾憲森,程向東.低溫離子體處理技術(shù)在化學(xué)纖維改性中的應用[].國際紡織導報, 2005(12):141002] 肖為維.合成纖維改性原理和方法[M].成都:成都科技大學(xué)出版社, 199295+n。3] 萬(wàn)曉霞,鄒毓俊.印刷概論[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2000每904] 郭玉海,張建春,等.電暈放電處理對滌綸織物粘結性能的影響[].縮85化學(xué)與粘結, 200(1):225] 劉希夷,陳均志,任便利.聚烯烴纖維電池隔膜紙的研究[].中國造紙, 2007, 26(3): 156] 陳景貴.化學(xué)與物理電源.信息裝備的動(dòng)力之源M].北京:國防工4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500業(yè)出版社, 1999波數/em-'a-未親水化處理的紙張纖維; b- 氬等離子體處理接枝丙烯酸的紙張纖維7] 朱松然.蓄電池手冊[M]天津:天津大學(xué)出版社, 1998[8]劉曉洪, 崔衛綱，黃翠蓉.聚丙烯纖維與丙烯酸接枝共聚反應的研圖8聚烯烴合成紙的紅外光譜究[J].合成纖維工業(yè), 200):19[9]姚占海,饒 審,徐俊. 聚丙烯纖維與丙烯酸輻射接枝共聚反應3.結論的研究[].高分子材料科學(xué)與工程，1997(3): 16[10] Seong-Ho Choi, Hae-Jeong Kang, Eun-Nyoung Ryu, et al.3.1聚烯烴合 成紙經(jīng)過(guò)氬等離子體處理并接枝丙烯酸Electrochemical properties of polyolefin nonwoven fabric modified后，其親水性有很大程度的提高,在- -定程度上能滿(mǎn)with carboxylic acid group for battery separator[J]. Radiation Physics足電池隔膜紙的吸堿液性能。and Chemisty, 2001, 60 : 495Research on Hydrophilic Treatment of Polyolefin Synthetic Paper by PlasmaCHEN Jun-zhi* LIU Xi-yi YOU Yan-xue LI Nan(Collge of Chemistry and Chemical Eninering , Shaanxi University of Science and Technology, Xian ,Shaanxi Province, 710021 )(* E-mail:chenjz@sust.edu.cn)Asbstract: Plasma treatment is one of the focuses of hydrophilic modifcation of polyolefin synthetic paper used for battery separator paper at homeand abroad. The infuence of plasma treatment power, plasma treatment time and pessre on the hydrophilicity of the paper was studied. The resultshowed that the hydrophilicity of the polyolefin paper is improved significantly when discharge power is 30W, plasma discharge time is 3min,treatment pressure is 40 Pa. The surface of the treated sample was characterized by using contact angle, scanning electron microscopic observationand infrared spectnum.Key words: plasma; hyrobilcit; polyolefin synthetic paper CPP(責任編輯:關(guān)穎)中國煤化工CNMHG歡迎投稿歡迎訂閱歡迎刊登廣告《中國造紙》2007年第26卷第8期●9.