聚四氟乙烯 (PTFE) 是一種具有優異綜合性能的特種工程塑料, 有“塑料王”的美譽。聚四氟乙烯結構式為CF2CF2 , 在聚四氟乙烯分子中, CF2單元按鋸齒形狀排列, 由于氟原子的范德瓦爾斯半徑比氫原子稍大, 原子之間范德瓦爾斯作用力較大, 產生較強的排斥力, 所以相鄰的單元不能完全按反式交叉取向, 而是形成一個螺旋狀的構象, 由于氟原子具有合適的原子半徑, 使每一個氟原子恰好能與間隔的碳原子上的氟原子緊靠, 這樣的構象使氟原子能包圍在碳-碳主鏈周圍, 形成一個低表面能的保護層。氟原子保護著易受侵蝕的碳原子鏈, 使聚四氟乙烯具有各種優異的性能:寬廣使用溫度 (長期使用溫度-180~250 ℃) , 高度的化學穩定性, 卓越的電絕緣性, 理想的防粘性, 優秀的自潤滑性, 長期的耐大氣老化性, 良好的不燃性和適中的機械強度等。目前, 聚四氟乙烯材料已廣泛應用于航空航天、國防軍備、石油化工、電子電器、交通運輸、機械、能源、建筑、紡織、食品、醫藥等諸多領域。
雖然PTFE有諸多的優點, 但是由于該材料分子結構高度對稱, 結晶度高且不含活性基團, 導致其表面能很低 (19 dyns/cm) , 表面疏水性極高 (與水接觸角超過100 °) 。這種極低的表面活性嚴重影響了PTFE在粘接、印染、生物相容等方面的應用, 特別是限制了PTFE薄膜與其他材料的復合。
為了提高PTFE的表面活性, 使之可與其他材料粘接、復合, 需要對其進行表面改性。目前, PTFE表面處理常用的方法是濕化學處理法, 即萘-鈉、氨-鈉溶液處理法, 該法是利用腐蝕液除去PTFE表面的氟原子來提高材料表面活性。這種方法有很多缺點:
(1) 處理后PTFE表面明顯變暗、變黑, 影響材料外觀； (2) 處理后PTFE在高溫時的表面電阻率下降, 長期暴露在陽光下, 材料粘接性能會嚴重降低; (3) 處理過程會產生大量的有害廢液, 既嚴重污染環境, 又增加企業的處理成本, 不符合環保政策。隨著社會的發展, 各地的環保法規政策日趨嚴厲, 在這一背景下, 低溫等離子表面改性技術受到了越來越多的關注。
低溫等離子表面改性機理給物質施加高溫或通過加速電子、加速離子等方式給物質提供能量, 中性的物質被電離成大量帶電粒子 (電子、離子) 和中性粒子組成的混合狀態稱為等離子體。等離子體整體呈電中性, 它是除固態、液態、氣態外的物質第四種狀態。
在所產生的等離子體中, 當電子溫度與離子溫度及氣體溫度相等時, 該等離子體稱為平衡等離子體或高溫等離子體;當電子溫度遠高于離子溫度和氣體溫度時, 該等離子體為非平衡等離子體或低溫等離子體。目前, 用于材料表面改性的主要是低溫等離子體。
在材料表面改性中, 主要是利用低溫等離子體轟擊材料表面, 使材料表面分子的化學鍵被打開, 并與等離子體中的自由基結合, 在材料表面形成極性基團。由于表面增加了大量的極性基團, 從而能顯著地提高材料表面的粘接性能、印刷性能、染色性能等。低溫等離子體的能量一般為幾到幾十電子伏特 (電子0~20 eV, 離子0~2 eV, 亞穩態離子0~20 eV, 紫外光/可見光3~40 eV) , 而PTFE中C-F鍵鍵能為4.4 eV, C-C鍵鍵能為3.4 eV。由此可見, 低溫等離子體的能量高于這些化學鍵的能量, 足以使PTFE表面的分子鍵斷裂, 發生刻蝕、交聯、接枝等一系列物理化學反應。
