类玻璃碳膜和聚酰亚胺薄膜的紫外辐照改性研究

发布时间：2020-09-27 15:57

　　表面改性技术作为当今世界的重要发展领域之一,其可提升材料的表面性能,并可提高部件的寿命和可靠性,利于降低材料的生产成本,节约能源,在促进高科技的发展中有着十分重要的意义。传统的表面改性技术例如电镀、热喷涂等技术的发展已经较为全面,现今主要着手于研发新兴的表面改性技术。紫外辐照作为一种新的改性方法,其可在材料表面引入或形成活性基团,能有效提高材料表面的亲水性和粘着力,并增强材料的生物活性,主要应用于生物材料以及高分子材料的改性。基于紫外辐照改性的特点,本文选用了生物材料类玻璃碳膜以及高分子材料聚酰亚胺,对其改性前后表面的物理性能、化学性能以及摩擦学性能进行了研究。本文的主要研究结果及创新点归纳如下:(1)揭示了紫外辐照改性对类玻璃碳膜表面性能的影响规律。紫外辐照改性能够提高类玻璃碳表面的粗糙度、亲水性、粘着力以及表面能,这些性质的改善都有利于类玻璃碳在作为细胞培养基时细胞的吸附。不仅如此,紫外辐照改性会影响类玻璃碳膜表面的机械性能,导致其硬度略有下降,而杨氏模量变化不大。通过研究其改性前后的摩擦学性能,发现样品表面的摩擦力和摩擦系数会随着辐照时间的增加而增加;而其表面的耐磨性在辐照前10 min影响不大,当辐照时间增加到20 min,碳膜表面的耐磨性明显降低。进一步分析表明,紫外线的高能量以及臭氧的强氧化作用,会在类玻璃碳膜表面引入活性氧原子,生成羟基羧基等亲水基团,且在改性过程中碳膜还会向无序石墨相转变。(2)揭示了紫外辐照改性对聚酰亚胺表面性能的影响规律。紫外辐照改性能够提高聚酰亚胺表面的粗糙度、亲水性以及粘着力,这些性能的改善在聚酰亚胺材料作为挠性板的自粘带时至关重要。压痕实验结果表明,随着辐照时间的增加,聚酰亚胺材料表面的机械性能会有所降低,硬度和杨氏模量都会略微减小;随着辐照时间的增加,聚酰亚胺表面的摩擦力和摩擦系数也会有所增加。划痕实验结果表明,在相同载荷下,随着辐照时间的增加,样品表面的划痕深度逐渐增加;对于相同辐照时间的样品,在酸性条件下、超纯水以及大气下的划痕深度较浅,有较好的耐磨性,而经过KOH处理的样品在相同的辐照时间下划痕深度最深,说明聚酰亚胺不耐强碱。进一步分析表明,聚酰亚胺表面紫外辐照的改性主要归结为分子链的裂解和交联的过程,聚酰亚胺在经过紫外辐照处理后会产生自由基,自由基与自由基之间也会发生交联,生成更为稳定的化学结构;聚酰亚胺不耐强碱,在碱性条件下也会发生类似的改性反应,而在酸性条件下则不会发生类似的反应,有良好的耐酸性。(3)开展了紫外辐照改性应用探索研究。在不同辐照时间的碳膜样品表面进行了细胞培养实验,发现紫外辐照改性过后样品表面的生物亲和性增强;在辐照前10 min样品表面细胞的粘附和增殖都有所增加,辐照20 min的样品表面细胞则有所减小,因此较好的改性时间大约为10 min。同时,对于改性后聚酰亚胺表面,开展了不同载荷下的划痕实验,并且加工出了一系列表面织构,相关实验结果为聚酰亚胺表面的探针直写式加工提供了参考。本文研究了紫外辐照对类玻璃碳膜和聚酰亚胺薄膜的影响,利用紫外辐照成功的改善了类玻璃碳膜表面的生物亲和性,并且改性后聚酰亚胺表面则更适合探针直写式加工。相关研究对材料的紫外辐照改性应用有着重要的指导意义。
【学位单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB306
【部分图文】：

表面改性技术,领域,表面改性

术的飞速发展，人们对于其所涉及材料的性能要求也愈来愈工合成的现有材料已经不能满足人们对材料高性能的需求，用的材料进行表面改性处理。表面改性技术具有一种跨学科面物理、固体物理、等离子体物理、表面化学、有机与无机、高分子材料学等多门学科技术；各个学科之间又相互渗透为一种别具一格的新型学科[1]。表面改性技术广泛地应用于航天领域、国防工业、军工企业等。图 1 显示了表面改性技-1（a）中航空航天外壳材料的表面改性处理，可增强其表面b）显示的是电子封装材料的表面改性，其可提高电子产品的电常数；图 1-1（c）中工业里使用的高温绝缘陶瓷喷涂以及；图 1-1（d）中生活常用家具的喷漆等[1-4]。表面改性可提升部件的寿命和可靠性，利于降低材料的生产成本，节约能源着十分重要的意义。

表面改性

种技术[5]。其材料的表面性质是材料性能的重要决定因素，引起与之对应的材料界面性质的改变。随着形成新型的物质集状态和电子机构的差异，其材料的性质也随之不同，由于面性质出现新的功能。当然，此类新的功能有好有坏，因此有利于我们需要的材料性质。要改变材料的两种性能，一种是材料表面特自的信息，例如原子结构和分子机构、组成与排布键合的方式、电子和结构等。另一种是改变材料表面与外部物质相互作用的信息，例泽度、亲疏水性、化学反应性、催化活性、耐腐蚀性、润湿性等。如图 1-2 中，中科院上海硅酸研究所利用 PEO/PLLA 复改性，利用聚多巴胺将肝素固定在其表面，获得了具有较好化表面的镁合金[6]。

电流分布,镀锡铜线,镀镍,螺母

西南交通大学硕士研究生学位论文第 3 页熟，并且各自都有各自的电镀特点，如图 1-3 所示，这些电镀工艺在工业中已经得到泛的应用[7]。随着科学技术与现代工业的迅速发展，各个领域对节约材料、节约能源和环境保的要求也越来越高，因此电镀行业也有着许多的发展，为了更加节约能源以及环境保护在不用电流源，利用适当的还原剂溶液中的金属离子在材料表面还原沉积的化学处理方法，称为化学镀，也称为无电解镀[8]。化学镀本来就是一个自催化反应的还原反应过程，其析出的金属自身具有还原能力，只需要调节金属离子的浓度，就可以控制镀的厚度。其相比较于电镀，不用考虑电镀时电流分布的问题，而且化学镀析出的镀层基体有很高的结合力，并且其镀层空隙小，致密性也比电镀更好，但是化学镀的缺点很明显，镀液中由于金属离子与还原剂同时存在，处于热力学不稳定的状态，即镀液稳定性较差，并且化学镀速度较慢，镀液化学性质不好控制[9]。

【参考文献】