本文描述了一种用于聚合物膜表面引发聚合的等离子体诱导聚合方法。此外，还介绍了将接枝聚合物与光致变色物质进行进一步后修饰的方法，并提供了光响应膜渗透性测量的实验方案。
本文描述了一种用于聚合物膜表面引发聚合的等离子体诱导聚合方法。此外，还介绍了将接枝聚合物与光致变色物质进行进一步后修饰的方法，并提供了光响应膜渗透性测量的实验方案。
为了改变市售核孔聚合物膜的表面张力，本文介绍了一种表面引发的聚合方法。该聚合反应通过等离子体处理膜表面引发，随后将膜与甲醇中的2-甲基丙烯酸-2-羟乙酯（HEMA）溶液反应，在膜表面接枝聚合物。特别关注了聚合前等离子体处理过程中的工艺参数。例如，研究了等离子体处理对不同种类膜（e.g. 聚酯、聚碳酸酯、聚偏氟乙烯）的影响。此外，通过接触角测量展示了表面接枝膜随时间变化的稳定性。以这种方式接枝聚(2-甲基丙烯酸-2-羟乙酯)（PHEMA）后，可通过将聚合物中的羟基与目标物质的羧酸基团进行酯化反应，进一步修饰膜表面。因此，这些反应可用于膜表面的功能化。例如，可以调节膜的表面张力，或引入特定功能，如本文展示的光响应性。通过将PHEMA与含羧酸官能团的螺苯并吡喃单元反应，制备出具有光响应性的膜。溶剂的选择在后续修饰步骤中起着关键作用，本文对此进行了详细讨论。对这类功能化膜的渗透性测量采用Franz扩散池并结合外部光源进行。通过将光照波长从可见光范围切换至紫外光范围，可观察到水溶液中咖啡因渗透性的变化。
材料的等离子体改性已成为许多工业领域中的重要工艺。在不改变材料本体性质的前提下对表面进行清洁和功能化，使得等离子体处理成为表面科学中不可或缺的工艺过程1-8。
聚合物的等离子体处理会导致均裂键断裂，从而引起聚合物材料边缘化，并形成富含自由基的表面。通过使用含有氧分子的等离子体，表面将富含氧元素，因而更具亲水性9-11。然而，表面的亲水性随时间推移并不稳定12。为了提高其长期稳定性，可在等离子体处理过程中或之后对表面进行化学修饰13-15。这种处理通常是在等离子体过程中向气相中加入反应性单体物质，这些单体随后从聚合物表面产生的自由基上发生聚合。如果化学处理使用的是非挥发性单体，则接枝聚合必须在等离子体改性之后进行。为了在表面生成自由基后实现可控的接枝聚合，本文描述了一种等离子体装置，该装置可在受控条件下实现等离子体引发的、由表面诱导的溶液中聚合反应12,16。
本演示重点介绍核径迹蚀刻聚合物膜的改性12,17。通过改变这些膜的表面张力，可调节其渗透速率12。该方法清洁且快速，能够形成极薄的涂层（<5 nm），覆盖整个膜表面，同时不改变聚合物膜的本体性质。由于等离子体处理过程中的边缘效应，核径迹蚀刻膜的孔径略有增大12。边缘扩展速率取决于聚合物种类，并....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
1. 等离子体引发的聚合
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
通过在不同时间段后称量膜的重量，可以追踪蚀刻速率。如从下文可以看出 图4，聚酯、聚偏氟乙烯和聚碳酸酯膜的蚀刻速率呈线性关系，可通过蚀刻时间与线性相关性的斜率确定该蚀刻速率 与 质量损失。如图所示 图 4聚碳酸酯膜在这三种聚合物膜中表现出最低的刻蚀速率。刻蚀带来的一个结果是孔径发生变化。等离子体处理后，孔径增大了约20%。12,17然而，随后的聚合物接枝对孔径没有显著影响，这是由于聚合物层非常薄，仅为1-4 nm。12最重要的是，整个过程不会影响膜的孔结构。
整个涂层过程可通过测量接触角轻松监测。原始的聚碳酸酯膜具有较低的接触角，约为 60°，这是由于市售聚碳酸酯膜表面的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）涂层所致。等离子体处理过程中的边缘效应会破坏PVP涂层，导致接枝聚合物前的接触角变得更亲水25°）由于含氧等离子体的作用。该不稳定表面随时间推移变得越来越疏水80° 21 天后12。随后的PHEMA接枝形成接触角约为 90°，还取决于膜的孔径大.......
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
等离子体处理过程中会产生紫色气体，这是由电离的氩气所致。若出现橙色，则表明存在因泄漏而进入的不期望的氮气。等离子体处理不仅会在表面生成自由基，同时也会刻蚀膜材料7,12。过度刻蚀会显著改变膜孔直径，从而影响膜的渗透性。本实验装置所采用的受控反应条件有助于提高等离子体引发接枝过程的可重复性。然而，由于等离子体分布的不均匀性，膜在等离子体腔室中的确切位置仍可能影响表面自由基的生成密度。边缘刻蚀速率还取决于施加的功率和确切的气体组成。
由于商用膜的表面相对粗糙，对这类超薄涂层的表征并非易事。如前所述12,21，采用椭圆偏振光谱法和X射线光电子能谱实验（XPS）测定涂层厚度。为了分析平整表面，以旋涂法将聚碳酸酯涂覆于硅片上，作为模型聚碳酸酯表面。随后按照所述工艺对这些聚碳酸酯涂层进行处理，如同处理聚碳酸酯膜一样。此外，多光子显微成像研究被证明是一种非常有价值的检测手段，可用于判断涂层是否仅存在于膜的外表面，还是同时在孔隙内部也发生了涂层21。
由于随机聚合对官能团具有高.......
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
作者无任何利益冲突需要披露。
本工作由瑞士国家科学基金会（NRP 62 – 智能材料）提供资金支持。同时感谢 B. Hanselmann、K. Kehl、U. Schütz 和 B. Leuthold 提供的支持。
....访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 2-羟乙基甲基丙烯酸酯，97% | Sigma-Aldrich | 128635 | |
| 正己烷 99% | Biosolve | ||
| 硫酸镁（MgSO4，无水） | Sigma-Aldrich | M7506 | |
| 甲醇，99% | Sigma-Aldrich | 14262 | 经分子筛干燥 |
| N,N-二环己基碳二亚胺，99% | Sigma-Aldrich | D8002 | |
| 二甲基氨基吡啶，99% | Sigma-Aldrich | 107700 | |
| 叔丁基甲基醚，98% | Fluka | 306975 | |
| 聚碳酸酯膜 | Whatman | 纳米孔径径迹蚀刻膜（TE）（孔径分别为 1.0 μm、0.2 μm、0.1 μm、50 nm、30 nm 和 15 nm；膜直径为 47 mm 或 25 mm） | |
| 咖啡因（试剂级） | Sigma-Aldrich | C0750 | |
| 弗朗茨扩散池（12 ml） | SES-Analysesysteme | 6C010015 | 15 mm 无夹套弗朗茨池，接收液体积 12 ml，平面磨口，透明玻璃，含搅拌子和夹具 |
| 紫外灯 | 紫外照射（366 nm，15 W/m2） | ||
| 白光灯 | 白光照射（500 W 灯泡） | ||
| 紫外/可见分光光度计 | Varian 50Bio/50MPR | ||
| 聚酯膜 | Sterlitech | PET0225100 | 聚酯膜滤器，孔径 0.2 μm，直径 25 mm |
| 聚偏氟乙烯膜 | Millipore | PVDF 膜 Durapore（孔径 0.22 μm；膜直径 47 mm） | |
| 氩气（99.9995%） | Alphagaz | ||
| Dressler Cesar 射频功率发生器 | 等离子体腔室装置 | ||
| MKS 多气体控制器 647C | 等离子体腔室装置 | ||
| MKS 质量流量控制器 | 等离子体腔室装置 | ||
| Vacuubrand RE 2.5 旋片式真空泵 | 等离子体腔室装置 | ||
| 接触角测量仪 | Krüss | G10 | |
| 天平 | Mettler Toledo | AB204-S 和 Mettler ME30 |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
申请许可以重复使用本 JoVE 文章的文本或图表
申请许可