等離子體誘導(dǎo)丙烯酸接枝改性聚丙烯熔噴非織造材料

魏發(fā)云， 張 偉， 鄒學(xué)書， 何 洋， 張 瑜

(1. 南通大學(xué) 杏林學(xué)院， 江蘇 南通 226019； 2. 南通大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 江蘇 南通 226019)

等離子體誘導(dǎo)丙烯酸接枝改性聚丙烯熔噴非織造材料

魏發(fā)云1， 張 偉2， 鄒學(xué)書2， 何 洋1， 張 瑜2

(1. 南通大學(xué) 杏林學(xué)院， 江蘇 南通 226019； 2. 南通大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 江蘇 南通 226019)

為提高聚丙烯(PP)熔噴非織造材料表面的親水性，針對(duì)PP表面化學(xué)惰性較大的缺點(diǎn)，通過氬氣等離子體處理材料表面，然后進(jìn)行丙烯酸接枝改性，獲得了親水性良好的PP熔噴材料。研究了不同氣氛、處理電壓和時(shí)間對(duì)等離子體處理的影響。同時(shí)，研究了接枝溫度、時(shí)間和單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)丙烯酸接枝處理的影響。采用接觸角測(cè)量?jī)x、掃描電子顯微鏡和傅里葉紅外光譜儀分別測(cè)試了等離子體和接枝處理前后材料親水性、表面形貌及基團(tuán)的變化。結(jié)果表明，在氬氣等離子體處理電壓為150 V，處理時(shí)間為180 s的條件下處理后，當(dāng)接枝時(shí)間為90 min、接枝溫度為60 ℃、丙烯酸單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，樣品接觸角從140°下降至32°，材料表面親水性最好。

聚丙烯； 熔噴非織造材料； 等離子體； 接枝； 丙烯酸

聚丙烯(PP)熔噴非織造材料具有優(yōu)良的易加工性和使用穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生、土工建筑等諸多領(lǐng)域[1-2]，但由于PP是典型的烯烴類結(jié)構(gòu)，不含有極性基團(tuán)，致使材料的親水性較差，這也成為限制該類材料進(jìn)一步發(fā)展的障礙[3]。目前，改善PP親水性的方法有很多，主要有共混改性[4-5]、等離子體處理[6-7]、表面接枝改性[8-9]等。其中共混改性的方法雖然簡(jiǎn)單，但其實(shí)施流程中需要添加親水性的第2組分，往往會(huì)影響PP原材料的加工性能及產(chǎn)品的最終使用性能。相對(duì)而言，等離子體表面處理技術(shù)只是在材料表面產(chǎn)生幾納米甚至幾十納米的刻蝕，使材料表面發(fā)生一定的物理化學(xué)變化，并不影響材料加工和使用性能。但是等離子體處理后材料的親水性具有一定的時(shí)效性，時(shí)間越久，其親水性下降越嚴(yán)重[10]。通過等離子體誘導(dǎo)接枝改性可使材料親水性得到永久性的鞏固。

本文采用等離子體處理，然后誘導(dǎo)丙烯酸接枝改性PP熔噴非織造材料。分析不同氣氛、處理電壓、處理時(shí)間以及丙烯酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、接枝溫度和時(shí)間對(duì)PP熔噴非織造材料表面物理結(jié)構(gòu)及親水性的影響。這對(duì)PP熔噴非織造材料表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及改善其加工工藝具有積極的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1原料

PP熔噴非織造材料，實(shí)驗(yàn)室自制，面密度為30 g/m2；丙烯酸，化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；無水乙醇，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2實(shí)驗(yàn)儀器

APP-350型等離子體處理儀，中國(guó)科學(xué)院微電子研究所；JC2000C型光學(xué)接觸角測(cè)試儀，上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司；KYKY-2800型掃描電子顯微鏡，北京中科科儀技術(shù)發(fā)展有限公司；Nicolet iS10型紅外光譜儀，美國(guó)Nicolet公司。

1.3等離子體處理

等離子體處理前，首先用無水乙醇超聲清洗PP熔噴非織造材料，然后再用蒸餾水反復(fù)清洗，烘干，備用。等離子體儀分別選用在空氣、氧氣、氬氣氛圍處理PP熔噴非織造材料，處理過程中調(diào)控的工藝參數(shù)包括處理電壓(125、150、175、200 V)和處理時(shí)間(5～300 s)。

1.4接枝處理

將經(jīng)等離子體處理后的PP熔噴非織造材料立即浸入丙烯酸溶液中進(jìn)行接枝處理，通過改變單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、接枝時(shí)間以及接枝溫度優(yōu)化接枝工藝。接枝處理后，用溫?zé)嵴麴s水反復(fù)進(jìn)行超聲清洗，洗掉多余的丙烯酸單體。

1.5結(jié)構(gòu)與性能測(cè)試

采用JC2000C型光學(xué)接觸角測(cè)試儀，用量角法測(cè)定處理前后樣品的接觸角，測(cè)試5次，求其平均值。

采用KYKY-2800型掃描電子顯微鏡觀察PP熔噴非織造材料的表面形貌。將試樣經(jīng)噴金處理后放入樣品室在20 kV下觀察。

采用傅里葉紅外光譜儀分析樣品表面化學(xué)結(jié)構(gòu)，掃描光譜范圍為4 000～400 cm-1，分辨率優(yōu)于0.4 cm-1，掃描16次。

2 結(jié)果與討論

2.1等離子體處理氛圍的優(yōu)化

分別選擇空氣、氧氣、氬氣等離子體處理PP熔噴非織造材料。經(jīng)3種氣體分別處理后的樣品外觀形態(tài)如圖1所示。

圖1 不同等離子體處理后的PP熔噴非織造材料Fig.1 PP melt-blown nonwoven materials treated by different plasma. (a) Air; (b) Oxygen gas; (c) Argon gas

采用空氣、氧氣等離子體處理PP熔噴非織造材料時(shí)，即使在極短的時(shí)間內(nèi)樣品也會(huì)被擊穿。盡管氧氣處理氛圍是引入極性基團(tuán)的最佳選擇，但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在氧氣氛圍下樣品被擊穿的現(xiàn)象較為嚴(yán)重。而氬氣等離子體處理后的樣品表面保存完好，被處理的一面手感變得細(xì)膩柔軟，所以本文選擇處理最穩(wěn)定的氬氣對(duì)樣品進(jìn)行等離子體處理。

2.2等離子體處理對(duì)接觸角的影響

圖2示出不同處理電壓和處理時(shí)間下氬氣等離子體處理樣品后的接觸角變化趨勢(shì)。由圖可知，處理電壓對(duì)接觸角的改善影響不大，處理電壓為150 V時(shí)較好。未處理的樣品接觸角為140°；處理時(shí)間≤180 s時(shí)，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，接觸角出現(xiàn)明顯的下降。當(dāng)處理時(shí)間超過180 s時(shí)，處理后樣品的接觸角變化不明顯。同時(shí)結(jié)合處理后樣品的表面形態(tài)，當(dāng)處理時(shí)間為180 s時(shí)，樣品沒有出現(xiàn)刻蝕痕跡，所以優(yōu)選最佳處理時(shí)間為180 s。

圖2 處理電壓及時(shí)間對(duì)接觸角的影響Fig.2 Influence of voltage and time on contact angle

2.3接枝工藝對(duì)接觸角的影響

等離子體處理實(shí)驗(yàn)表明，PP熔噴非織造材料經(jīng)等離子體處理后接觸角減小，使其由疏水性材料變成具有一定親水性的材料，但等離子體處理后樣品的親水性具有一定的時(shí)效性，處理后引入的極性基團(tuán)是一種高能量的不穩(wěn)定基團(tuán)，會(huì)隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)逐步消失[10]，所以要在等離子體處理的基礎(chǔ)上對(duì)樣品再進(jìn)行接枝處理以獲得永久的時(shí)效性。對(duì)PP熔噴非織造材料最佳等離子處理工藝下制備的樣品及時(shí)進(jìn)行丙烯酸接枝處理，依次改變接枝時(shí)間、接枝溫度、丙烯酸單體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。然后對(duì)不同接枝條件下樣品的接觸角進(jìn)行測(cè)量，以分析接枝條件對(duì)樣品親水性的影響。

在溫度為70 ℃，單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%時(shí)的接枝條件下，樣品接觸角隨不同接枝時(shí)間的變化關(guān)系如圖3所示。由圖可知，等離子體處理后的樣品在接枝時(shí)間為30 min時(shí)，其接觸角反而比等離子體處理后還未接枝的樣品大，可能是因?yàn)榈入x子體處理后樣品的極性基團(tuán)不穩(wěn)定，在接枝浴中會(huì)有部分活性基團(tuán)失活，但是由于接枝時(shí)間較短，材料表面的丙烯酸聚合量較低，不足以改善材料的親水性，從而使接觸角出現(xiàn)增大的趨勢(shì)。這與SEM照片顯示的材料表面接枝的丙烯酸呈不連續(xù)的離散型分布相對(duì)應(yīng)。隨著接枝時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，丙烯酸的聚合量逐步增加，材料表面的丙烯酸覆蓋量增大，因此，接觸角開始出現(xiàn)明顯減小。當(dāng)接枝時(shí)間長(zhǎng)于90 min以后，接觸角變化不大，故優(yōu)選接枝時(shí)間為90 min。

圖3 接枝時(shí)間對(duì)接觸角的影響Fig.3 Influence of grafting time on contact angle

單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%，接枝時(shí)間為90 min，改變接枝溫度，測(cè)試樣品接觸角的變化，結(jié)果如圖4所示。接枝溫度為60 ℃時(shí)，接枝后樣品的接觸角最低，隨著接枝溫度的繼續(xù)升高，接觸角反而增大。可能是由于溫度過高會(huì)導(dǎo)致等離子體處理后不穩(wěn)定的活性基團(tuán)失活，從而減少可引發(fā)丙烯酸聚合的活性種數(shù)，導(dǎo)致丙烯酸的聚合量下降，親水性下降。

圖4 接枝溫度對(duì)接觸角的影響Fig.4 Influence of grafting temperature on contact angle

此外，在聚合過程中，溫度對(duì)聚合速率的影響符合阿倫尼烏斯(Arrhenius)方程k=Ae-E/RT。式中：A為頻率因子；E為活化能；R為氣體常數(shù)；T為溫度。由公式可知，當(dāng)體系其他條件不變時(shí)，溫度越高，反應(yīng)速率越快。丙烯酸聚合屬于放熱反應(yīng)，溫度越高越不利反應(yīng)向聚合方向發(fā)展，因此，60 ℃有利于丙烯酸接枝聚合反應(yīng)。

在接枝時(shí)間為90 min，接枝溫度為60 ℃條件下，在丙烯酸與乙醇不同體積比的混合溶液中進(jìn)行接枝反應(yīng)，并測(cè)試接枝后樣品的接觸角，結(jié)果如圖5所示。當(dāng)單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于30%時(shí)，接觸角比等離子體處理后樣品的接觸角還要大，主要由于單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)小，反應(yīng)浴中單體和活性中心的碰撞機(jī)會(huì)少，同時(shí)導(dǎo)致部分活性中心失活。當(dāng)單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于60%時(shí)，隨著單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，接觸角明顯減小。當(dāng)單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于60%時(shí)，隨著單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，接觸角反而出現(xiàn)一定的增大現(xiàn)象。說明增加質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可促進(jìn)接枝聚合反應(yīng)，使接觸角降低，但是增大到一定值后，提高單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)反而抑制了接枝聚合反應(yīng)，接觸角反而變大。這是因?yàn)榈入x子體處理后產(chǎn)生的自由基與單體丙烯酸的結(jié)合反應(yīng)是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，丙烯酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)適中，有利于接枝反應(yīng)進(jìn)行[11]。在聚合過程中，隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，丙烯酸會(huì)使PP纖維表面活性中心碰撞而發(fā)生聚合的機(jī)會(huì)增大，有利于接枝聚合的進(jìn)行，但是丙烯酸極易發(fā)生自聚，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高時(shí)更易導(dǎo)致丙烯酸自聚，使有效接枝量下降，因此，在聚合過程中需要控制好單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，本文實(shí)驗(yàn)優(yōu)選的接枝單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%。

圖5 單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)接觸角的影響Fig.5 Influence of monomer concentration on contact angle

2.4等離子體及接枝處理時(shí)效性分析

測(cè)試了PP熔噴非織造材料未經(jīng)任何處理的原樣、氬等離子體150 V處理180 s的樣品(等離子體處理樣品)以及同樣條件下等離子體處理后接枝時(shí)間為90 min，接枝溫度為60 ℃，單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的樣品(接枝處理樣品)的接觸角。并將上述3個(gè)樣品放置1個(gè)月后再次進(jìn)行接觸角測(cè)試，為確保1個(gè)月前后測(cè)試數(shù)據(jù)的有效性，在測(cè)試前對(duì)樣品的待測(cè)位置作了標(biāo)記，進(jìn)而可有效對(duì)比分析等離子體處理的時(shí)效性。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 不同樣品接觸角時(shí)效性分析Tab.2 Aging effect on contact angle of different materials (°)

由表2可知：原樣的接觸角是140°，放置1個(gè)月后接觸角不變；經(jīng)等離子體處理后，接觸角下降為89°，放置1個(gè)月后接觸角又恢復(fù)到134°，親水性降低；接枝處理后樣品的接觸角下降為32°，放置1個(gè)月后，接觸角不變。說明等離子體處理后樣品的親水效果是有時(shí)效性的，而接枝樣品的親水效果具有持久性。

關(guān)于影響等離子體處理時(shí)效性的機(jī)制，普遍認(rèn)可的是等離子體處理后材料的表面會(huì)因?yàn)槟芰康臎_擊而產(chǎn)生大量的極性基團(tuán)，這種高能狀態(tài)的極性基團(tuán)并不穩(wěn)定，會(huì)趨于向低能狀態(tài)轉(zhuǎn)變，可能會(huì)發(fā)生重組或者是向空氣中逸散的方式來降低材料表面的能量，直至能量趨于穩(wěn)定。而等離子體誘導(dǎo)接枝的過程既平衡了等離子體處理后過高的能量，還將丙烯酸聚合物以共價(jià)鍵的方式穩(wěn)定地保留在PP基體材料上，所以親水性得以保持。

2.5表面形態(tài)分析

圖6示出PP熔噴非織造材料SEM及接觸角照片。圖6(a)為未經(jīng)處理的PP熔噴非織造材料，圖6(b)為氬等離子體150 V處理180 s的PP熔噴非織造材料，圖6(c)為同樣等離子體條件下處理后立即在單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，接枝溫度為60 ℃，接枝時(shí)間90 min時(shí)接枝處理的PP熔噴非織造材料。

圖6 PP熔噴非織造材料SEM及接觸角照片F(xiàn)ig.6 SEM images and contact angle photos of PP melt-blown nonwoven materials. (a) Untreated(×1 500); (b) Plasma treated(×1 500); (c) Grafted(×100)

圖6結(jié)果表明，未經(jīng)等離子體處理的PP纖維表面比較光滑，等離子體處理后PP纖維表面有明顯的物理刻蝕痕跡，形成了極小的溝槽。且等離子體處理會(huì)引入過氧基團(tuán)和羧基，所以等離子體處理后樣品的接觸角有一定的下降。接枝處理的樣品表面形成一層不連續(xù)的聚合物，由于樣品接枝處理后表面殘留丙烯酸單體經(jīng)過溫?zé)嵴麴s水的反復(fù)清洗已經(jīng)除去，因此，樣品表面聚合物為接枝聚丙烯酸。而接枝聚丙烯酸必然導(dǎo)致樣品表面親水性大幅提高，這與接觸角測(cè)試結(jié)果相一致。

2.6紅外光譜分析

對(duì)PP非織造材料原樣、等離子體處理樣、接枝樣以及等離子體處理后放置1個(gè)月樣品進(jìn)行紅外光譜測(cè)試，結(jié)果如圖7所示。等離子體處理樣在波數(shù)為1 650 cm-1處出現(xiàn)1個(gè)較弱的共軛羰基吸收峰，且在3 500～3 200 cm-1處出現(xiàn)典型的氫鍵締合—OH峰，表明等離子體處理后，纖維表面出現(xiàn)了一定量的親水基團(tuán)。丙烯酸接枝樣在1 740、 1 650 cm-1左右呈現(xiàn)出明顯的聚丙烯酸的羰基吸收峰，并在3 500～3 200 cm-1之間也出現(xiàn)了明顯的氫鍵締合—OH吸收峰，這表明經(jīng)過接枝聚合后，PP熔噴非織造材料表面已經(jīng)成功接枝了丙烯酸，這與SEM及接觸角測(cè)試結(jié)果一致。而經(jīng)等離子體處理后放置1個(gè)月的樣品，其紅外光譜和PP原樣的基本一致，在1 650 cm-1處、3 500～3 200 cm-1之間的吸收峰基本消失，說明其親水性基團(tuán)湮滅失效，這與接觸角測(cè)試結(jié)果吻合。

圖7 不同PP非織造材料樣品的紅外光譜圖Fig.7 FT-IR spectra of different PP nonwoven materials

3 結(jié) 論

1)空氣、氧氣等離子體處理PP熔噴非織造材料時(shí)，極易導(dǎo)致樣品擊穿。處理電壓為150 V、處理時(shí)間180 s時(shí)，氬氣等離子體處理樣品效果最好，但具有一定的時(shí)效性。

2)氬氣等離子體處理后立即接枝丙烯酸，可大幅提高材料表面親水性。當(dāng)接枝時(shí)間為90 min，接枝溫度為60 ℃，丙烯酸單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，接觸角從原樣品的140°減小至32°。

3)掃描電鏡照片顯示樣品表面接枝了一層聚合物，而紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)在1 740、1 650 cm-1處呈現(xiàn)較強(qiáng)的聚丙烯酸羰基吸收峰，并在3 500～3 200 cm-1之間出現(xiàn)明顯的氫鍵締合—OH峰吸收峰，這表明接枝成功。

FZXB

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Graftedmodificationofpolypropylenemelt-blownnonwowenmaterialswithacrylicacidinducedbyplasma

WEI Fayun1, ZHANG Wei2, ZOU Xueshu2, HE Yang1, ZHANG Yu2

(1.CollegeofXinglin,NantongUniversity,Nantong,Jiangsu226019,China; 2.CollegeofTextileandClothing,NantongUniversity,Nantong,Jiangsu226019,China)

To improve the hydrophilicity of polypropylene (PP) melt-blown nonwoven materials, the surfaces of materials were treated by argon plasma and then grafted by acrylic acid because of its chemical inertness of PP. The treated nonwoven materials show good hydrophilicity. The influence of different atmospheres, processing voltage and time on plasma treatment were studied. At the same time, the influence of grafting temperature, time, and monomer concentration on acrylic acid grafted treatment were also studied. Using contact angle analyzer, scanning electron microscope (SEM) and Fourier infrared spectroscopy (FT-IR), hydrophilicity, surface morphology and group changes of materials before and after treatment were measured. The results show that under conditions of processing voltage of 150 V, the processing time of 180 s, argon plasma treatment, grafting time of 90 min, grafting temperature of 60 ℃ and acrylic monomers concentration of 60%, the sample contact angle decreases from 140° to 32°, and hydrophilicity is the best.

polypropylene; melt-blownnonwowen material; plasma; graft; acrylic acid

TS 174.3

：A

10.13475/j.fzxb.20161200306

2016-12-02

：2017-03-18

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFB0303100)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目(BY2015047-14)；南通大學(xué)杏林學(xué)院科研基金項(xiàng)目(2014K126)

魏發(fā)云(1983—)，女，講師，碩士。主要研究方向?yàn)槔w維材料改性。張偉，通信作者，E-mail：zhangwei@ntu.edu.cn。