大气压等离子体对BOPP薄膜表面结构调控研究

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BOPP(双向拉伸聚丙烯)薄膜材料由于具有无色、无味、无毒、高拉伸强度、冲击强度、强韧性及良好的透明性等优异性能,在包装和印刷领域已得到广泛应用。但是BOPP薄膜的表面能较低,比如BOPP表面无法印刷水性油墨及其生物相容性差等缺陷,阻碍了其在某些领域的应用深度。因此改善BOPP薄膜材料的表面亲水性能,实现BOPP材料的功能化是高分子薄膜材料领域的一个重要研究内容。低温等离子体技术对材料表面改性因不会对基体造成损伤,无需化学溶剂、干法改性等优势,在高分子材料表面改性方面得到广泛应用。但是传统低温等离子体需要昂贵的真空系统,无法应用在低附加值薄膜改性。此外,等离子体表面处理的时效性也限制了其在薄膜改性领域的应用广度。在本论文中,我们创新性的使用了大气压等离子体聚合改性及等离子体涂覆改性模式,实现了BOPP薄膜表面永久改性,有望在环保印刷和包装领域得到广泛应用。为了使BOPP薄膜达到亲水改性的目的,我们利用方法1:DBD等离子体对BOPP薄膜进行预处理,然后经混合涂层(PVA/SF/PEG)进行涂覆,最后经乙醇固化来对BOPP薄膜实现永久亲水改性的目的,并对改性后的BOPP薄膜进行亲水性探究和对水性油墨印刷效果的测试;方法2:通过Ar/O2和He/O2气氛的等离子体炬在BOPP薄膜材料表面聚合丙烯胺单体,探究聚合改性BOPP薄膜生物相容性。利用大气压介质阻挡放电等离子对BOPP薄膜表面进行预处理,在其表面成功引入了-COOH、-OH等极性官能团,大大提高了BOPP薄膜与表面改性混合涂层(聚乙烯醇/丝素溶液/聚乙二醇,即PVA/SF/PEG)之间的界面结合力,促进了改性涂层的稳定性。此外发现,BOPP薄膜经过DBD等离子体预处理后,其拉伸性能和光学性能基本保持原薄膜的优良性能。进一步经混合涂层进行涂覆后,经红外和接触角分析可知,O-C、N-C等官能团成功接枝在BOPP薄膜的表面上,表面自由能得到了明显的提高,改性BOPP接触角从105°降低到20°。混合涂层中加入丝素蛋白溶液(SF),涂覆后经60%乙醇处理后,丝素蛋白溶液由α螺旋到β折叠从而发生结构的转变,丝素蛋白加入使得BOPP薄膜表面的透光率达到几乎100%,混合涂层中的PEG,可以使BOPP薄膜表面具有更好的粘结作用和柔软特性。另一种是通过惰性气体等离子体炬聚合丙烯胺改性BOPP薄膜表面亲水性的方法,当惰性气体流量为0.4 m3·h-1、O2气体流量为0.1 m3·h-1时,Ar等离子体炬的聚合速率约为200nm·min-1,而He等离子体炬的聚合速率约为40 nm·min-1。同时,Ar等离子体炬沉积的丙烯胺聚合物薄膜的耐水性要优于He等离子体炬。等离子体炬沉积的丙烯胺聚合物薄膜是由大量的纳米结点组成,而聚合物薄膜纳米结点的尺寸大小和密度受放电气体种类(Ar/O2或He/O2)、载气气体流量等因素影响。在相同条件下,经Ar/O2/ALA等离子体炬聚合改性后的BOPP薄膜表面上C-N/C=N和N-C=O/C=O键含量分别为14.5%和17.3%,这些值均高于由He/O2/ALA等离子体处理的样品值,达到约2.8和1.7倍。这种研究结果归因于Ar/O2等离子体具有较高的离子密度会产生较高的ALA浓度,导致较高密度的羰基官能团被接枝到BOPP薄膜的表面上。细胞毒性及粘附实验分析发现,BOPP表面经改性后有大量的细胞粘附在其表面上,其中Ar/O2/ALA等离子体炬聚合改性后粘附的细胞数量比He/O2/ALA等离子体炬约多1.5×105/mm2。这不仅克服了原有BOPP薄膜粘附性较弱的问题,而且提高了其生物相容性。
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