**高分子材料可广泛应用于纺织、 医药、 建筑等
行业, 一直受到人们的重视。 在实际工作中, 疏水性**
高分子材料由于表面的非极性, 致使其与水溶液的润湿
不理想, 从而给材料的用途带来许多局限, 例如: 用于纺
织工业中的绦纶纤维由于材料表面的疏水性导致其织
品不能吸收人体的汗液, 不利于做衣物; 用做隐形眼镜
的硅橡胶材料若不能与人眼中水溶液很好的亲和, 将无
法实际应用。由此可见, 改善疏水性**高分子材料的
表面亲水性与人们生活密切相关, 已成为人们长期关注
的课题。 人们研究发现: 表面、 界面结构与状态的改善可
以改变材料的某些性能和适用性, 通过对疏水性**高
分子材料表面化学和物理处理, 改善材料的亲水性能,
使其更好地为人类所用。
1 材料润湿原理
通常材料表面与水溶液之间存在润湿过程, 可以用
扬氏方程表示:
C s- g= C s- l+ C l- gco sH (1)
其中 C s- g、 C s- l、 C l- g分别表示固体与气体、 固体与液
体及液体与气体表面张力(表面能) , H为接触角, 表示为
固、 气、 液三相平衡时, 从三相交界点O 处取单位长度
微元沿液- 气界面作切线, 其与固液界面的夹角(夹有
液体) , 如图(1)所示:
从方程(1)可见: 表面能 C s- g高的固体*与水溶
液发生润湿。 由此, 要想提高材料的亲水性, 就要提高材
料的表面能。
大多数**高分子材料的表面为非极性官能团, 表
面能低, 表现为疏水材料, 可对这些材料进行改性来提
高表面能, 以达到提高亲水性的目的。
图1 扬氏方程原理示意图
2 亲水性改善方法
长期以来人们在理论与实践中已找到了诸多改善
疏水性**高分子材料的方法, 从其改性方法上, 可分
为化学方法和物理方法两种。 其中化学方法有表面氧化
法、 接枝改性法、 共聚法、 表面活性剂法; 物理方法有共
混法、 高能辐射法等。
2 . 1 化学改性法
2 . 1 . 1 表面氧化法
表面氧化法也可称为液相化学法, 即通过具有强氧
化性的溶液在疏水材料表面发生化学反应, 从而改变材
料表面的分子结构, 在其表面层生成极性亲水基团, 提
高材料表面的表面能, 改善材料的亲水性。常用的氧化
剂有硝酸、 硫酸、 高锰酸钾、 氯酸钠、 次氯酸钠、 重铬酸
钾、 重铬酸钠、 过硫酸铵等。 其中较有特点的实例是将聚
丙烯中空纤维表面用一定比例重铬酸钾与硫酸进行化
学处理, 在其表面形成羟基、 羧基等极性基团, 从而使聚
丙烯表面*被水溶液润湿
接枝改性法
接枝改性法是在一定外部激发条件下, 将具有亲水
性的单体或聚合物作为支链引入疏水性高分子**材
料表面发生聚合的过程, 接枝改性可使材料表面的表面
能大大提高, 从而加大与水溶液的润湿度。
产生接枝聚合的外部激发条件有很多种, 如化学接
枝法、 电解聚合法、 等离子接枝聚合法、 氧化接枝法和紫
外线与高能电晕放电方法等。
共聚改性法
共聚改性法是将疏水性高分子材料与其它高分子
聚合物通过化学反应聚合, 从而改善其与水的亲和性。
比如分别将 4- 乙基吡啶与丙烯腈、 苯乙烯共聚, 以改
善丙烯腈、 苯乙烯的亲水性
表面活性剂改性法
应用表面活性剂 “双亲” (既亲水又亲油)的特点, 用
化学手段将疏水性**材料与其亲油基相联, 而将亲水
基暴露在表面, 使材料的表面显示出亲水性。这种改性
方法的应用很多, 其关键技术在于表面活性剂的选择,
通常可根据各种疏水性**高分子材料的性质确定表
面活性剂的选用。常用的表面活性剂有: 十二烷基硫酸
形成表面能高的高分子**材
料, 以提高疏水材料的亲水性。 如在膜材料的应用中, 憎
水性的 PVC 膜材料与聚异丁烯- 马来酸酐共聚物( I B
- co- MH)共混以改善PVC 的亲水性[ 3 ]
。
2 . 2 . 2 高能辐射改性法
利用等离子、 A射线、 C射线、 紫外线等高能源对疏
水性**高分子材料表面进行辐射改性的方法称为高
能辐射法。一般高能辐射改性法可分为三种: ①依靠非
聚合性气体的高能照射; ②采用聚合性气体形成聚合
膜; ③依靠高能照射。 通常改性分两个阶段: **阶段使
基础材料生成活性点, *二阶段使材料照射后与单体接
触, 发生接枝聚合, 以此改善疏水**高分子材料的表
面亲水性。如 Kur iaka 等
用N - 乙烯基吡咯烷酮
3 . 1 膜材料的表面亲水性改善
随着膜技术的发展, 人们对膜材料的要求越来越
高, 膜分离过程既要有高的渗透性又要有高的选择性,
通常可通过膜材料的表面改性来控制膜与渗透物间的
亲和性, 从而达到渗透性与选择性的统一。目前常用的
膜材料有CA、 PSF、 PA、 PVC 等, 其中 PSF、 PVC 较为
疏水, 要通过化学改性和物理改性的方法对它们进行亲
水性改善。
膜材料化学改性包括材料的共聚、 接枝、 表面氧化
法及表面活性剂改性法,
用接枝法将丙烯酸、 丙烯酰胺聚合在PVDF 分子
上以改善其亲水性;
用化学改性法研制新型
高分子材料 PEK- C, 在保留了 PEK 分子原有性能的
基础上增加了酞基基团, 提高了材料的亲水性;
大大提高了材料的水润湿
性;
则在氧化剂存在下用强碱处理
膜材料的物理改性方法有共混法及等离子法。
研究在疏水性的PVC 膜材料中, 共混不同的
PMMA ,VC- CO- V ac亲水聚合物, 可不同程度地增大材料
的亲水性;
将 PVC? I B- CO- MH 共混制备合金
超滤膜, 随 I B- CO- MH 比例的增大, 膜的表面能增加, 亲
水性增大;
将疏水性聚醚砜与磺化醚酮合金化,
改善了膜的亲水性;
以聚砜为基材共混入聚
原酸酯- b- 乙二醇, 制备出亲水性大有改善的聚砜膜
材料;
用等离子聚合法在 PTFT 基膜上产
生聚四乙烯基吡啶沉积, 以提高材料的亲水性。
3 . 2 纤维表面亲水改善
聚丙烯纤维等化纤材料具有质地轻、 强力高、 弹性
好、 耐腐蚀、 **等优点, 其*特的芯吸效应使其成为
很好的织品材料, 但由于这类材料的亲水性能差, 不能满
足织品吸水量大、 吸收快等要求, 通常需要改性。
化纤材料的表面亲水改善方法很多, 如共聚法、 接枝
法、 表面活性剂法、 共混法及高能改性法等
将
细旦聚丙烯纤维经电子辐照后, 与丙烯酸接枝, 扩大了纤
维的比表面积, 大大提高纤维的吸水性;
通
过大气低温等离子体处理引发丙烯酰胺对聚丙烯纤维进
行接枝聚合, 产生亲水基团, 改善纤维的亲水性
指出: 目前英国已开发出一种稳定态的放电等
离子体反应器, 在常压下利用CO 2、 H2 或O2 反聚丙烯的
烃基变为羰基、 羧基、 羟基等极性基团, 可以明显提高纤
维的亲水性; 也有在酸性条件下, 用次氯酸钠对纤维进行
氯化作用, 可将氯接枝到纤维聚合主链上, 可提高材料的
8 8吸水性
; 日本宇部日东化成将聚丙烯与流动石蜡混合,
经过处理后可制备出多孔性微孔聚丙烯纤维, 较大地提
高了纤维的吸水性;
用硫酸铬或铬酰氯对聚
丙烯纤维进行化学氧化改性, 增加材料的亲水性。
4 非极性树脂塑料类材料的亲水改善
聚乙烯、 聚丙烯、 聚苯乙烯、 聚四氟乙烯、 硅橡胶等
非极性材料在塑料行业、 水性涂料等方面用途广泛, 这
类材料的疏水性使其在与其它材料的粘合方面十分困
难, 往往要通过表面改性提高它们的使用效果。
采用ECR 等离子体和萘钠溶液腐蚀的物
理、 化学方法分别对PTFE 基复合材料进行表面放电或粗
化处理, 可适量的改善材料的亲水性;
用强氧
化剂对聚丙烯填料表面化学改性, 发现材料的润湿和传质
性能都有显著提高;
用OP 乳化剂与聚丙烯共混
得到亲水性较好的材料;
叙述了聚苯乙烯粉末和
丙烯酰胺、 甲基丙烯酸- A - 羟基乙酯在等离子体照射下
接枝生成亲水性好的材料的反应与机理。
结论
运用化学方法和物理方法可对疏水性**高分子
材料进行不同程度的亲水性改善, 有利于这类材料在膜
分离、 塑料粘合、 水性涂料、 各种织品等方面的运用, 为
疏水性**高分子材料的性能进一步完善开辟了一条
新路, 并有着广阔的发展前景。
运用接触角测定仪测试材料特性
晟鼎精密仪器
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