[发明专利]在材料表面进行等离子体聚合反应

说明书

技术领域

本发明涉及等离子体聚合反应和聚合物，尤其是涉及利用DC放电等离子体或RF放电等离子体在材料表面上形成具有亲水性或疏水性聚合物的等离子体聚合反应，以及由该等离子体聚合反应形成的聚合物。

背景技术

人们做出了大量的努力，通过在材料上形成一种功能性表面，以满足各种要求。形成功能性表面的已知方法中有：(1)在材料表面上沉积上功能层，(2)为了具有新的物理和化学特性，而将材料表面改性。

本发明的发明人在美国专利5783641中已公开了一种利用离子束和反应气体将聚合物材料的表面特性改进成具有亲水性的方法。根据这种称之为“离子束促进反应”的方法，通过向聚合物材料表面照射有能量的氩离子和氧离子，使其表面活化，同时，在聚合物周围提供反应性气体，并在其表面上形成亲水性功能基，以使聚合物的表面具有亲水特性。在这种情况下，根据本发明人已公开的“氧环境中聚碳酸酯(PC)和keV能量Ar⁺离子间的表面化学反应”(J.Vac.Sci.Tech.14，359，1996)，可以在聚合物的表面上形成亲水性功能基，像C-O、C＝O、(C＝O)-O等，许多聚合物，像PC、PMMA、PET、PE、PI和硅酮橡胶，都可以利用离子促进反应来改性成具有亲水性的表面。

此外，根据由本发明人公开的“在反应性气体环境中利用1keV Ar⁺辐照来改进氮化铝和氧化铝的机械特性”一文[“材料改进与加工的离子-固体内部反应”，Mat，Soc，Symp.Proc.396，261(1996)]，利用离子束促进反应来改进表面不是一种仅可应用于聚合物材料的方法。也就是说，也能利用离子束促进反应在陶瓷材料上进行表面改进。陶瓷材料的特性，像机械强度，都可以通过在其表面上形成新的功能层，而得以改进。

还有，离子束促进反应也可应用于金属材料，当利用离子束促进反应处理铝时，可以增加铝金属表面的亲水性，然而，随着时间的推移，水在处理样品表面上的润湿角度值发生变化，测定这种变化以检测亲水性。即，润湿角度值随时间推移而增加，在一定时间后，又恢复到它原来的值。

当利用离子束促进反应处理像铝这样的金属时，因为通过在铝表面上进行浸蚀而去除掉自然氧化层，并在其上形成功能层，所以增加了亲水特性。即，因为自然氧化层能在铝表面上自然产生，所以随着时间的推移，亲水性改进效果逐渐消失。因为由很薄一层(小于几钠米)构成的功能层对于抗击环境变化(水、温度等)的机械能力很小，所以随着时间的推移，铝表面又恢复到它原来的状态。

因此，由于以上所描述的不良情况，通过应用于聚合物和陶瓷材料的离子束促进反应法，在金属表面上形成亲水层是无效的。

在将金属材料改进成具有亲水性的过程中发生这种不良情况，是因为亲水性层不稳定，因此，为了克服这种不良情况，应形成一种物理和化学稳定的亲水性层。通过沉积一样层亲水性聚合物可在金属表面上形成一层稳定的亲水性层。

为了利用通常的沉积技术在材料上沉积聚合物，至少要求几道加工步骤：(1)合成单体；(2)进行聚合以形成一种聚合物或一种中间聚合物，用于下一个连续步骤；(3)生产一种涂敷溶液；(4)利用底料或偶合剂清理和/或改善基质表面；(5)涂敷；(6)使涂敷层干燥；和(7)固化涂敷层。

可以利用进行聚合反应的一步等离子体聚合工艺取代上述描述的工艺，将待聚合的气体材料送入真空度相当低(10^-2-10¹乇)的真空室内，利用DC电源或RF电源形成气体等离子体，在外加能量下，等离子体中形成的各种离子化气体、游离基等同时产生反应。由等离子体聚合形成的聚合物对基质具有很强的附着力和很高的抗化学能力。

例如，按照美国专利4,980,196中公开的技术，等离子体聚合可以在金属表面上进行。利用低温等离子体工艺以防止钢铁受腐蚀，该工艺方法包括如下步骤：(1)利用反应性或惰性气体等离子体预处理钢铁基质；(2)利用100-2000V，最好300-1200V的DC电源进行等离子体沉积；(3)用钢铁基质制作阴极；(4)使用装备有增磁体(即磁控管)的阳极；和(5)用有机硅烷蒸气(有或没有非聚合的气体)作待沉积的等离子体气。即，根据美国专利4980196，利用阴极作基质，磁控管装在阳极上。利用有机硅烷蒸气和DC电源在钢铁基质上形成等离子体。然后进行等离子体聚合。此外，上述描述的专利还公开了在等离子体聚合后进行底料涂敷。