聚丙烯纤维具有的机械性能好、耐弯折、耐化学品性和抗腐蚀等优点,使其广泛用于索网、坐垫、填充材料、沥青改性剂、造纸用毡的增强材料等多种领域。同时聚丙烯纤维所具有的易洗性的特性,又很适合做化学工业用的防护服。此外,聚丙烯纤维还可作为混凝土、石灰等的填充材料,目的是提高混凝土的抗破坏性、张力稳定性、防水性和隔热性。

聚丙烯纤维的化学式为(C3H6)n,结构如图1.1所示:从结构上看,聚丙烯纤维是一种纯粹的碳氢高聚物,大分子上既没有极性基团,又不含化学活性基团,且与极性聚合物不易相容，所以聚丙烯纤维的化学稳定性及疏水性极强，需要选用的合适手段对其表面进行改性。

图1.1  聚丙烯纤维的化学结构 

PP聚丙烯纤维膜等离子体改性处理原理

大气压等离子体改性技术作为非接触式的表面改性方法,可以通过调节平板的尺寸实现大尺寸纤维膜的处理,具有低成本、绿色环保的显著优势。这种方法能在高能状态下将空气转化为等离子体,且产生的电子温度较低。在保障不损伤低熔点PP纤维膜的同时,短时间内将含氧活性官能团均匀地载入纤维膜表面,且不会影响膜基材的性能。

聚丙烯纤维膜表面等离子体的作用机制

等离子体中的各种活性粒子撞击材料表面并诱发能量交换,导致许多物理和化学反应的发生,实现针对聚丙烯纤维膜的表面改性。等离子体与聚丙烯纤维膜表面的相互作用机理如下图2所示,根据反应类型可细分为以下四类:

图2 等离子体改性纤维膜作用机制示意图

清洗作用

通常有机材料在加工过程中会使用一定的填料或添加剂,导致材料表面堆积形成表面杂质层,等离子体处理可以有效去除纤维表面的杂质。等离子体对聚丙烯纤维膜的清洗作用是通过热效应、刻蚀作用以及电子、离子和自由基引起的化学反应协同实现的。由于等离子体中处理纤维膜表面会受到电子、离子轰击和等离子体辐射的加热,刻蚀作用可去除表面的悬浮颗粒,对纤维膜的清洁起到主要作用。另外,等离子体产生的化学物质在纤维膜的表面吸附和解吸,从而通过化学反应清洁纤维表面。作为干法去除杂质的方法,处理过程中不会产生废液,不会造成环境污染.

表面功能化

低温等离子体处理使用等离子体气体来修饰纤维表面,经电场传递能量后的气体电子被加速与中性气体分子或原子碰撞,碰撞会产生大量具有极高能量和活化作用的自由基,进而反应气体被激发产生活性粒子。等离子体产生高能量的离子和光子提供高于共价C-C或C-H键能的能量,然后轰击破坏了聚丙烯纤维膜表面的C-C或C-H键,导致C自由基的形成。当选用不同的处理气氛,可以在纤维表面引入不同类型的反应基团。

采用含F、Si或Cl的气体或化学试剂蒸气作为反应物,与非反应性载气混合进行放电,可在纤维表面引入疏水基团。当纤维膜被非反应性气体(N2、Ar和He)或反应性气体(O2和NH3)产生的等离子体处理时,纤维表面可以引入一些反应性基团导致呈现亲水性。

刻蚀作用

随着等离子体处理时间的增加,聚丙烯纤维表面的弱边界往往被等离子体中的块状粒子的轰击和溅射去除。此时,纤维表面形貌发生变化,表面粗糙度增大,可以依据SEM图像直观观察到纤维膜表面出现了许多明显的缝隙。因此,为避免对纤维膜基底的损伤,通常选用较低的电压或气体消耗下进行。当等离子体处理时间过长时,间隙深度达到数十至数百纳米。

接枝聚合

通过等离子体预活化聚丙烯纤维膜表面,可在原纳米纤维表面接枝聚合材料以形成新的表面。具体包括以下步骤:气相中的有机前体活化,将所得反应性成膜物质传输到基材表面,以及表面上的聚合物生长。需要注意的是,聚合过程总是与蚀刻效应相伴随。事实上,它们是同时发生的两个竞争过程。

综上所述：等离子体由带电粒子(电子和离子)、激发原子(自由基,亚稳态分子)和光子的混合物组成,离子、电子、激发原子等物质会对聚丙烯纤维膜表面进行轰击,在聚丙烯纤维膜表面产生物理和化学反应,起到表面清洁、表面刻蚀、表面活化等作用。