2023年全國(guó)碩士研究生考試考研英語(yǔ)一試題真題(含答案詳解+作文范文)_第1頁(yè)
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1、第八章 表面改性與功能材料,第一節(jié) 表面性質(zhì)及功能,材料性質(zhì):,由內(nèi)部結(jié)構(gòu)引起的機(jī)械強(qiáng)度或熱的性質(zhì)等及與此對(duì)應(yīng)的材料界面性質(zhì)。隨著形成物質(zhì)原子或分子聚集狀態(tài)和電子狀態(tài)不同,材料的性質(zhì)也不同。表面性質(zhì)由外部給予使之在量或質(zhì)量上發(fā)生轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致表面性質(zhì)呈現(xiàn)新的功能。,材料表面信息:,由表面構(gòu)成元素的組成比,原子結(jié)構(gòu)與分子結(jié)構(gòu),組成與排布及鍵合方式,聚集狀態(tài)決定電子狀態(tài)和結(jié)構(gòu)、表面均一性、表面結(jié)晶形狀、空隙形狀、顆粒界面形貌等

2、信息。,1、表面性質(zhì)是材料性能的重要決定因素,外部物質(zhì)與材料表面相互作用信息:,材料表面與外部物質(zhì)相互作用的形式和規(guī)律性等信息表現(xiàn)為觸感、光亮程度和光澤、疏水性或親水性、化學(xué)反應(yīng)性、催化活性、耐腐蝕性、濕潤(rùn)性、粘結(jié)性、生物體適應(yīng)性等。,2、表面性質(zhì)與加工技術(shù),表面處理方法和加工技術(shù)見(jiàn)表8-1和表8-2,表面化學(xué)改性:,使表面改性劑與待改性物表面的一些基團(tuán)反應(yīng),從而達(dá)到改性目的。如:,鈦白粉與硅烷反應(yīng),在粒子表面形成硅烷的單分子膜

3、。,表面覆蓋改性:,表面改性劑與被改性物質(zhì)表面無(wú)化學(xué)反應(yīng),覆蓋物與待改性物表面間靠物理或物理化學(xué)作用而粘接的改性方法。,如:粘土-水分散體系中加入陽(yáng)離子表面活性劑,活性劑吸附在粘土表面形成有機(jī)層。它在油中的分散性和懸浮性很好。,第二節(jié) 表面層壓改性,表面層壓有濕式層壓和干式層壓,又分為:,表面層壓,,擠出層壓,熱熔層壓,共擠出層壓,熱壓粘結(jié)層壓,1、濕式和擠出層壓,以液體膠粘劑將兩片膜壓合的一種技術(shù)。,所使用的膠粘劑有:聚乙烯

4、醇水溶液和聚醋酸乙烯乳液。,(1)濕式層壓,,(2)擠出層壓,又稱擠出涂布或多層重疊結(jié)構(gòu)層壓。將聚乙烯、聚丙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚體、離子型聚合物等從擠出機(jī)模具內(nèi)擠出。利用其所形成的膜呈熔融狀態(tài)與基材壓合粘接,冷卻后為層壓制品。,2、共擠出層壓,將一種或不同種類的樹脂進(jìn)行加熱,使之成為熔融狀態(tài),并在模內(nèi)部的開口部位擠合而制取多層薄膜的一種方法。,優(yōu)點(diǎn):經(jīng)濟(jì),可得到極薄的膜。,缺點(diǎn):一些不同種類材料層界面的粘結(jié)性不夠理想,粘結(jié)性能

5、取決于各薄膜表面與膠粘劑的濕潤(rùn)性,濕潤(rùn)張力△F:,固體膜的表面張力;,固體膜與液體膠粘劑的界面張力。,若△F的正值大,膠粘劑在膜表面完全鋪展,粘結(jié)效果好。所以, 對(duì)粘結(jié)有利。,第三節(jié) 表面涂布有機(jī)涂料改性,1、表面改性涂層的要求,(1)聚合物表面形成某一基團(tuán)的單分子膜 即能改善其表面的濕潤(rùn)性和疏水性。但只附上一單分子層這類基團(tuán),其機(jī)械耐磨性是不夠的。須在聚合物表面形成具有一定厚度的涂層,

6、使其長(zhǎng)期維持一定的表面功能。,(2)表面硬化改性,如用單體、低聚物或聚合物溶液,加入某種交聯(lián)劑進(jìn)行加熱或干燥,可形成表面硬化層。,(3)表面層的濕潤(rùn)性,膠粘劑能濕潤(rùn)被粘結(jié)面。即膠粘劑層和被粘結(jié)面間的界面張力要小。,若要在聚乙烯膜表面涂布水溶性樹脂,需將聚乙烯進(jìn)行放電處理。使其表面變?yōu)闃O性基團(tuán)化,從而使表面張力增大,減少與涂布液間的界面張力。,2、涂層體系的設(shè)計(jì),(1)臨界表面張力(γe),選擇具有表面張力比待改性的聚合物臨界表面

7、張力小的涂覆劑。,時(shí),涂布液對(duì)固體表面濕潤(rùn)性好。,(2)考慮聚合物的表面狀態(tài),成形加工條件不同,極性基團(tuán)在表面上的取向也不同,使聚合物表面與涂層的緊密粘結(jié)性能產(chǎn)生差異。,(3)溶解度參數(shù)(δ),考慮分子凝聚能的平方根表示的溶解度參數(shù)。,(4)涂布方式,涂布方式有:凹凸版印刷涂布、直接輥涂、氣動(dòng)刮涂、金屬絲刷涂布等。,(5)降低界面上殘留的應(yīng)力,殘留的應(yīng)力集中,涂層易剝離,應(yīng)力分散,剝離阻力變大。,3、涂層實(shí)例,(1)使用硅烷偶聯(lián)劑的

8、涂層,硅烷偶聯(lián)劑結(jié)構(gòu)通式為,烷基OR水解生成硅烷醇SiOH,SiOH與極性聚合物表面結(jié)合,有機(jī)官能團(tuán)(Y)與有機(jī)層結(jié)合。,(2)表面改性涂料,表面改性功能涂料的條件:,A:要有設(shè)計(jì)的涂膜功能;B:要有與塑料表面緊密粘接性能;C:要求涂膜具有耐久性或膜表面功能基團(tuán)壽命長(zhǎng)。,(3)容易剝離的涂層,為保護(hù)塑料制品表面不受污染和傷害而涂布的體層,不需要時(shí)即可剝離。如印刷電路版制作或平版印刷。,第四節(jié) 表面非電解鍍改性,通過(guò)化學(xué)的氧化還

9、原反應(yīng),使用還原劑將金屬離子變成金屬原子并在坯料上析出而形成鍍層,稱為非電解鍍。,一般,離子化傾向小的金屬(金,銀,銅)等用還原能力弱的葡萄糖、甲醛等進(jìn)行化學(xué)鍍。比銅難析出的Ni,Co等離子,要使用還原能力強(qiáng)的次亞磷酸(HPO2H2)、氫化硼等作還原劑進(jìn)行化學(xué)鍍。,1、表面裝飾方面的應(yīng)用,高分子制品表面易污染,見(jiàn)光易老化,可用金屬覆蓋表面給予改進(jìn)。,如ABS樹脂表面覆蓋金屬鍍層,(1)ABS樹脂與金屬鍍層間的粘結(jié)性處理,用鉻酸-

10、硫酸將ABS樹脂中的B(丁二烯)溶出形成孔穴便可錨定。同時(shí)在ABS表面形成化學(xué)官能團(tuán)如羧基、羰基等。ABS與金屬鍍層間靠此機(jī)械性的錨定和官能團(tuán)的化學(xué)結(jié)合力緊密地粘結(jié)。,(2)金屬自催化核的形成,在ABS表面上先形成促進(jìn)反應(yīng)的鈀、銀等核,如:,(3)化學(xué)鍍反應(yīng),鈀核催化活性中心促進(jìn)化學(xué)鍍反應(yīng):,在堿性范圍內(nèi)析出鎳的反應(yīng):,X配體為:NH3,檸檬酸,酒石酸,甘氨酸等。,(4)高分子制品表面金屬化,在ABS樹脂表面金屬化,在化學(xué)鍍形成具有

11、導(dǎo)電性能的鍍層后,先電鍍一層(數(shù)μm-20μm厚)與高分子樹脂的熱變形性極其接近的Cu,然后電鍍數(shù)μm-30μm厚的鎳,再電鍍鉻( 0.1μm-0.3μm)形成金屬保護(hù)層。,2、印刷電路接線基板方面的應(yīng)用,將絕緣性高分子樹脂制成導(dǎo)電性的印刷電路接線基板,應(yīng)用了非電解鍍技術(shù)。主要方法有:,(1)標(biāo)準(zhǔn)法;(2)干膜添加法;(3)完全化學(xué)鍍法;(4)電鍍銅。,3、化學(xué)蒸鍍合成,單分子組分或多元的反應(yīng)氣體通過(guò)輸送而混在非活性的載氣

12、中,并在待鍍基體近旁的空間經(jīng)高溫加熱,流到被鍍基體表面區(qū)發(fā)生分解和反應(yīng),析出生成物堆積成膜。,(1)聚酰胺膜,以鹵燈加熱使對(duì)苯二甲酰氯從一方蒸發(fā)進(jìn)入裝有基板的減壓反應(yīng)裝置,4,4-二氨基二苯基醚自另一方蒸發(fā)通入裝置。反應(yīng)產(chǎn)物析積于基板上成為聚合物薄膜為:,(2)聚亞胺膜,在同樣裝置,分別導(dǎo)入均苯四甲酸酐和4,4-二氨基二苯基醚,在真空下進(jìn)行反應(yīng),反應(yīng)產(chǎn)物沉積于基材表面形成混合膜。,4、光化學(xué)蒸鍍合成,以光的能量激發(fā)氣相中分子和

13、吸附在基板表面上的分子發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)而制備薄膜的一種方法。,優(yōu)點(diǎn):,A;光照射所激發(fā)的合成反應(yīng),,其損傷少可得優(yōu)質(zhì)膜;,B:利用光的方向性和局部性,可以形成局部晶體點(diǎn)陣膜,從而 得到與設(shè)計(jì)圖樣一致的多樣化膜;,C:可在低溫下制備薄膜,這對(duì)于高分子材料表面的改性特別 有利。,D:光源有水銀燈、電弧燈和各種波長(zhǎng)的激光,可按需要挑選, 容易操作。,(1)無(wú)機(jī)含硅膜,以ArF193nm激光照射硅烷和N2

14、O混合氣體,可獲得光分解的氧化硅膜,硅烷和氨或水和肼混合氣體,加入光敏劑Hg,在低壓水銀燈照射下,得氮化硅類膜。,硅烷直接光解形成非晶硅膜,即:,(2)金屬鍍膜,烷基金屬化合物在ArF(193nm),KrF(249nm),氬離子(257nm)激光或200~400nm弧光燈照射時(shí),可得金屬膜,如:,羰基化合物以249nmKrF激光,260~270nm銅離子激光照射,可得金屬膜:,(3)高分子膜,含有氣相汞或Cd增感劑的乙烯、丙烯、甲

15、基丙烯酸甲酯、醋酸乙烯和氯乙烯,在高壓水銀燈照射下,引發(fā)聚合形成高聚物。,在氣相丙酮共存下,丁二烯、苯乙烯、甲基乙丙烯基甲酮氯乙烯、丙烯腈等,在高壓水銀燈照射下形成高聚物。,第五節(jié) 表面化學(xué)藥物處理改性,1、表面的氧化還原處理,采用藥物溶液浸漬的方法,使表面上的物質(zhì)與藥物發(fā)生氧化還原反應(yīng),使固體表面上生成所需的各種官能團(tuán)。,(1)聚烯烴處理,以鉻酸-硫酸水溶液體系,使其表面產(chǎn)生-OH;-C=O。還有可能使硫進(jìn)入官能團(tuán),以改善

16、聚烯烴表面的濕潤(rùn)性和粘結(jié)性。,(2)聚四氟乙烯處理,將聚合物放入分散的金屬鈉的氨溶液中處理,聚四氟乙烯對(duì)水的接觸角可降至50度。,(3)聚苯乙烯處理,將其浸漬在80℃以上的濃硫酸中,數(shù)秒鐘后,聚苯乙烯表面與水的接觸角可至10℃以下。,2、溶劑處理,塑料中含有各種添加劑,且其構(gòu)成的高分子樹脂中也有分子量小的成分。這些小分子分凝而聚積在表面上,形成了粘結(jié)強(qiáng)度弱的弱界面層,經(jīng)溶劑處理可除去此弱界面層和洗凈其表面。,溶劑即可使表面粗化

17、,也可使表面平滑化。,如聚苯乙烯表面處理,先使其與可溶脹的溶解接觸,然后用不溶性溶劑處理,使表面呈現(xiàn)凹凸不平的表面,有利于印刷性能提高。,丙烯酸類樹脂用丙酮與聚乙二醇的含水混合溶劑進(jìn)行浸漬處理,其表面變得非常平滑。,3、偶聯(lián)劑處理,偶聯(lián)劑有:硅烷系、鈦系、鋁系、有機(jī)磷酸系和硅烷過(guò)氧化物系等。,硅烷偶聯(lián)劑結(jié)構(gòu)為:,OR’為甲氧或乙氧基,其中一個(gè)OR’與塑料表面官能團(tuán)如-OH;-COOH;-NH2等進(jìn)行反應(yīng)而連接。另外二個(gè)OR’

18、會(huì)引起偶聯(lián)劑間在表面上相互結(jié)合。,R基團(tuán)可以是:,當(dāng)偶聯(lián)劑與表面連接后,變?yōu)樽钔鈱颖砻?,從而改變塑料的表面性質(zhì)。適當(dāng)?shù)腞基團(tuán)可提高印刷涂料或膠粘劑的粘結(jié)力。,C:單體形式和濃度,參與接枝反應(yīng)的單體可以是液態(tài),也可以是氣態(tài)供給基材。由于氣態(tài)單體對(duì)基材滲透困難,所以氣相法接枝對(duì)僅限于基材表面改性。,單體濃度低時(shí),有利于接枝反應(yīng)向基材內(nèi)部進(jìn)行并在較低接枝率下達(dá)到整體接枝。,D:促進(jìn)劑,加入少量接枝促進(jìn)劑,可促進(jìn)接枝反應(yīng)。如在體系中添

19、加少量硫酸,提高了接枝率。酸效應(yīng)既可適用于不同的基材,也可以適用于場(chǎng)外接枝法。,第六節(jié) 離子注入和等離子體改性,等離子體:,一種氣體狀態(tài)物質(zhì),其中會(huì)有原子、分子、離子亞穩(wěn)態(tài)和它們的激發(fā)態(tài)。還有電子、游離基、光子等。而正電荷與負(fù)電荷類物質(zhì)的含量大體相等??煞譃楦邷氐入x子體和低溫等離子體。表面處理所用的是低溫等離子體。,1、離子體注入技術(shù),用磁場(chǎng)質(zhì)器分析器選擇所需的陽(yáng)離子,注入固體材料。在反復(fù)與原子碰撞過(guò)程中,將能量停留其內(nèi)。

20、離子的注入不僅引起摻雜效果,且會(huì)切斷高分子等有機(jī)材料的化學(xué)鍵而使表面碳化。,特點(diǎn):,(1)離子體注入處理方法為熱力學(xué)的非平衡過(guò)程。處理過(guò)的 表面可獲得與化學(xué)計(jì)量不一致的分子聚合狀態(tài)。,(2)有機(jī)高分子注入離子,其表面層的結(jié)構(gòu)變化無(wú)法像半導(dǎo)體 那樣用熱處理來(lái)消除。,(3)微薄表面發(fā)生碳化的結(jié)果使高分子材料表面層的導(dǎo)電率 顯著提高,甚至接近于導(dǎo)體。,實(shí)例:,在聚乙烯(CH2)n導(dǎo)電性高

21、分子中注入離子,可明顯地調(diào)節(jié)其p型,n型半導(dǎo)體性和導(dǎo)電率。且由于表面碳化層充當(dāng)了保護(hù)層的形成,使聚乙烯耐環(huán)境性能明顯提高。,2、等離子體處理,表面等離子體改性處理可賦予材料附加值和高功能化,成為高分子材料表面改性的適應(yīng)廣泛和多樣性需要的不可缺少的技術(shù)。,(1)等離子體處理的效果,A:表面的化學(xué)組成變化;,B:表面層高度網(wǎng)孔狀交聯(lián);,C:表面蝕刻變成多孔性。,(3)等離子體處理的應(yīng)用,A:薄膜表面改性,聚乙烯、聚丙烯等厚度為20μ

22、m以下的薄膜通過(guò)等離子體處理其表面,可獲得以層壓法薄膜熱封口的良好效果。,B:軟質(zhì)聚乙烯的改性,軟質(zhì)聚乙烯所含低分子量增塑劑向表面擴(kuò)散,使用含CO的各種氣體等離子體進(jìn)行表面處理,可防止該缺陷。,C:生物體適用性,塑料表面通過(guò)等離子體處理,易被膠朊等生物體成分包貼而生成相類似血管和組織的表面??捎糜谛迯?fù)人工血管和人工臟器所需的材料。,D:防止帶電荷表面硬化的改性,以有機(jī)硅酮?dú)怏w等離子體處理,可賦予表面具有良好的防止帶電荷表面硬化

23、的效果。能使原表面的電阻值降低104~7Ω.摩擦帶電的電壓降低102數(shù)值。表面硬度也有所提高。,3、等離子體聚合,有機(jī)氣體共混下,等離子體引發(fā)聚合,使材料表面形成有機(jī)薄膜的一種表面改性技術(shù)。,等離子體聚合特點(diǎn):,A:能氣化的一切有機(jī)和有機(jī)金屬化合物均有參予聚合的可能;,B:可形成耐熱性、耐摩耗性和耐藥品性良好的高密度交聯(lián) 而具有網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的薄膜;,C:能在復(fù)雜的基材表面上形成薄膜。,可用于制備保護(hù)膜、分離膜、點(diǎn)功能材料和光

24、學(xué)材料,也可制備生物醫(yī)療學(xué)材料。,應(yīng)用領(lǐng)域:,B:預(yù)輻射接枝法;,C:過(guò)氧化物接枝法。,基材在惰性氣氛或真空中受到照射會(huì)產(chǎn)生自由基,移出場(chǎng)外,與單體接觸,可直接引發(fā)接枝反應(yīng)。,當(dāng)基材在空氣中照射時(shí),產(chǎn)生的自由基轉(zhuǎn)化為過(guò)氧化物和氫過(guò)氧化物,移出場(chǎng)外與單體接觸,加熱時(shí),過(guò)氧化物分解,引發(fā)接枝反應(yīng)。,(2)影響表面接枝反應(yīng)的因素,A:阻聚劑,在直接接枝法中,單體對(duì)射線敏感,易產(chǎn)生均聚,使接枝反應(yīng)難于進(jìn)行,加入阻聚劑如金屬鹽,它對(duì)均聚和

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