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表面改性技術的背後：如何透過氧化提升聚合物的附著力？
聚合物材料因其多樣化的特性、經濟效益及可高度調整的生產過程而廣泛應用。然而，在生物技術、納米技術及各種塗層應用中，聚合物基材的表面互動仍是一個重要的研究領域。在這些應用中，聚合物和材料的表面特性以及它們之間的作用力大大決定了其效用和可靠性。例如，在生物醫學應用中，對於外來材料的身體反應，即生物相容性，正是由表面間的互動所控制。此外，表面科學也是塗層的配方、製造和應用中不可或缺的部分。
聚合物材料的表面改性技術不僅能提高其附著力，還能改善材料的性能與應用效果。
化學方法
通過向表面或界面添加小分子、寡聚物，甚至其他聚合物（接枝共聚物），可以實現聚合物材料的功能化。
接枝共聚物
在聚合物化學中，接枝指的是將聚合物鏈附加到表面。在所謂的"接枝到"機制中，聚合物鏈從溶液中吸附到表面。而在更廣泛的"接枝從"機制中，聚合物鏈在表面上啟動並增長。由於"接枝到"方法中所用的聚合物鏈在溶液中具有熱力學上優勢的構象，其吸附密度是自限制的。這導致接枝"到"所形成的表面功能化密度較低，相較之下，"接枝從"技術則克服了這個現象，並允許更高的接枝密度。
氧化
等離子體處理、電暈處理和火焰處理都可以歸類為表面氧化機制。這些方法涉及對材料中的聚合物鏈的切斷，並將羰基和羥基功能團引入材料表面。將氧氣引入表面可大幅提高其表面能，使基材更容易被塗層附著。
方法論
氧化聚合物表面
電暈處理
電暈處理是一種表面改性方法, 利用低溫電暈放電以增加材料的表面能, 常見於聚合物和天然纖維。通常，薄聚合物片會通過一組高壓電極，利用產生的等離子體來改性表面。該處理深度有限，但能顯著改善黏附性，同時保留材料的機械性能。電暈處理在塑料包裝材料印刷前用來改善染料黏附性，並因此得到廣泛應用。
火焰處理
火焰處理是一種控制性、快速且成本效益高的方法，用於提高聚烯烴和金屬元件的表面能和可濕性。該方法利用帶有正電離子化氣體氧的快速噴射火焰，通過在表面添加極性功能團來增強附著性能。
接枝技術
將接枝共聚物固定於不同結構的聚合物基材上，可改變表面功能性，同時保持材質的粗糙度和機械性能。接枝的性能與選擇的共聚物、接枝的類型及範圍都有關。
光接枝
光接枝技術可以修改聚烯烴、聚酯和聚醯胺的惰性表面，以提高疏水性、染料吸收及聚合物粘附性。這技術在連續長纖維或薄膜處理過程中發揮作用，並且通過UV輻射來完成所需的聚合物黏合網絡。
表面分析技術
表面能測量
在工業電暈和等離子處理過程中，為了確認基材的表面功能性，需要成本效益高且迅速的分析方法。接觸角測量（幾何學）可用於找出處理及未處理表面的表面能。
紅外光譜
對於氧化處理，從已處理表面得到的光譜將顯示羰基和羥基功能團，讓我們確認表面功能化的效果。
X射線光電子能譜及能量色散X射線譜
XPS和EDS技術可用於定量化學成分，提供1–10納米深度的表面分析，並且能夠表徵表面組成的微觀變化。
原子力顯微鏡
原子力顯微鏡（AFM）可以精確地繪製原子表面三維拓撲變化，對於聚合物等不晶化的材料尤其有用。
應用
生物材料
生物材料表面常利用光活化機制進行改性，以實現不損害基材機械性能的情況下功能化表面。透過功能化聚合物表面，可以抑制蛋白質吸附，防止組織反應，這種反應常是醫療假體失效的主要原因。
塗層
在水性塗層中，聚合物分散體會在溶劑蒸發後在基材上形成薄膜，聚合物粒子的表面功能化是控制塗層性能的關鍵因素之一。
聚合物的附著力提升技術取決於表面改性的方式及其所帶來的潛在效益，在未來的發展中，我們是否能想到更多創新方法來進一步優化這些技術以適應不同的應用場景呢？
