聚合物表面与界面

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,聚合物表面与界面Polymer Surface and Interface,大连轻工业学院化工与材料学院,刘俊龙,0411-81227868,第一章 概述,随着社会的不断进步和高分子材料工业突飞猛进的发展，聚合物制品的品种在不断的增多，其应用范围也日趋广泛。,第一节 绪论,本课程简要地介绍一下,聚合物的表面和界面,、,表面处理技术及表面分析技术,，以开阔大家的眼界，对聚合物界面科学这门交叉学科有一个初步的了解和认识，以便在今后的科研和生产工作中有一个理性的基础。,人们不仅希望制品存在优异的内在性能，而且对其表面性质的要求也越来越高。,要求制品有,精美的外观,以提高制品的商品价值；,要求制品具有某些,特殊的表面性能,以满足制品的各种使用要求。,这除了需要开发新品种以满足要求外，主要靠材料的,表面改性,来实现。,一、聚合物界面科学的意义,聚合物界面科学,是专门研究聚合物材料表面与界面的现象、组成、结构、形态与性能，以及当其与外在环境接触时，物质与能量相互作用的一门新兴边缘学科。,界面科学及其应用被认为是当代,科学技术发展的生长点之一,，所以有的国家专门成立了庞大的国家级表面科学研究机构，从事专门性的研究。聚合物界面科学是界面科学当然的组成部分，也可说是界面科学发展的一个新的分支。,聚合物界面科学,并不是界面科学和聚合物材料的简单结合,；而是一门将高分子化学、高分子物理学、现代表面分析测试技术、界面化学、界面物理学、胶体化学、固体物理学、物理化学、断裂力学、电学；摩擦学等各学科有关的知识结合起来的一门新兴边缘学科。,聚合物界面科学的研究特色主要表现在下列三个方面：（）聚合物材料的界面现象及其运动的规律性；（）聚合物材料的界面组成、结构、形态、能量、张力与相对运动的定性定量参数及其表征方法；（）各种聚合物界面的运动、变化与反应机理及理论。,聚合物材料的许多有价值的功能，也是通过其界面与外在环境接触而形成的界面来做贡献的。,如粘合、粘附、密封、表面保护，胶体稳定、扩散、渗透与反渗透、表面改性、表面化学反应、催化、涂饰、防腐蚀、摩擦、磨损、润滑、老化与防老化等现象与技术，无一不是与材料的界面有关。,多组分多相聚合物包含聚合物复合材料、共混材料、增强材料及填充材料都存在两个或多个相，因此都有相界面的作用，这些材料的性质优劣在很大程度上取决于界面相互作用的结果。只有透彻了解界面的关系问题，才能充分发挥这类材料的优良性能。,聚合物界面科学的发展，将会促进聚合物材料科学的进步，极大地丰富聚合物科学知识宝库；而聚合物材料科学的进步，也必然会促进聚合物界面科学进一步的发展。,除此以外，聚合物界面科学对各种材料与产品的粘接、复合、共混、增强、密封、印刷、装潢、表面改性、表面镀膜、防腐或装饰涂装、表面防老化、防污染、防静电、提高耐磨损、改善润滑与减阻、催化节能、光刻与光抗蚀、表面掺杂与成膜、胶体的乳化分散、悬浮、稳定、聚沉与絮凝、改善生物医学工程材料与血液相容性、药物缓释等一系列实用技术，起到一定的理论指导作用。,二、聚合物界面科学的发展,聚合物界面科学的发展起来大体上经历了萌芽、成长和发展三个阶段：,1）在20世纪30年代前后，主要是在表面化学中开始涉及到与聚合物有关的界面现象。如聚合物膜和粘合问题，尚处于萌芽时期。,2）在20世纪50年代以来，随着聚合物科学和合成材料的飞速发展。出现了越来越多与聚合物有关的界面问题，这吸引了许多科学家从事这方面的研究，先后发表了不少研究论文。在此基础上举行了多次国际性的学术会议，把聚合物界面的学术研究引向深入，并从高分子学母体中脱颖而出，进入了成长阶段。,3）在20世纪到70年代，科学家们把各专题或分支学科归纳起来，同时又从横向引用了其它学科的相关内容，进一步扩展了高分子界面的研究范畴，逐步形成了有条理、有层次、有理论、有广泛实践性和重要的应用前景及无限发展空间的一门新兴边缘学科，这就是聚合物界面科学。,三、本门课程的内容,本课程简要介绍有关聚合物材料表面的基本概念和某些重要理论聚合物表面结构、化学及物理性质，介绍表面热力学、动力学的一些基本概念。通过一些典型的表面处理技术来说明主要方法的基本原理、技术路线、主要设备、工艺实施、分析检验及具体应用等，从而使大家对聚合物表面处理技术的形成、现状和发展有基本的了解，拓宽大家的知识面。,考核方式：平时考核与期末闭卷考试相结合。,考核成绩评定：,平时考核：平时出勤占10分，大作业占30分（每人1题）；期末考试占60分（闭卷）。,缺席3次或以上者取消本门课考试资格。,四、主要参考资料,段世铎，谭逸玲编界面化学北京：高等教育出版社，1990,丁莹如，秦关林编著固体表面化学上海：上海科学技术出版社，1988,英 D.T.克拉克，W.J.费斯特编著，张开等译聚合物表面,北京：化学工业出版社，1985,李恒德，肖纪美主编材料表面与界面北京：清华大学出版社，1990,钱苗根，姚寿山，张少宗编著现代表面技术北京：机械工业出版社，1999,钱苗根主编材料表面技术及其应用手册北京：机械工业出版社，1998,程传煊表面物理化学北京：科学技术文献出版社，1995,朱步瑶，赵振国编著，界面化学基础.北京:化学工业出版社，1996,中外文期刊,第二节 表面处理的涵义,一、界面化学的基本概念,1 表面（surface）：真空下的物体的最外层。,通常，人们都把肉眼看到的物体（固体和液体）的外部称为表面。,这只是一种沿用了几千年的习惯称呼，并不是严格的科学定义。,实际上，人类是生活在为空气所笼罩的环境下的。因此，任何存在于地球上的物体的外部，都被空气包围并和空气密切接触，形成液相与气相（空气）、固相与气相的接触面。在此接触面上的分子并非静止不动的，而是存在着两相分子之间的相互作用，如吸附、扩散与氧化作用等等。,难以对表面做出准确的定义。,物体的表面,：是在真空状态下，物体内部和真空之间的过渡区域。,是物体最外面的几层原子和覆盖在其上的一些外来原子和分子所形成的表面层。它的,厚度很小,，一般只,有零点几个纳米到几个纳米,。这一表面具有独特的性质，它和物体内部的性质不完全相同。表面是具有二维因次的一块面积，既然是二维的，当然没有厚度，也就没有体积。,表面有固体的表面；液体的表面。,2 界面（interface）,：两个物体的相态相接触的分界层。即两相间的交界部分。,如果两个相态接触紧密，就会有分子间相互作用存在，形成在,组成、密度、性质,上和两相有交错并有梯度变化的过渡区域。此分界面也可称为界面层，它不同于两边相态的实体，有独立的相，占有一定的空间，有固定的位置，,有相当的厚度和面积。,与为不同的两个物质，它们接触到一起就会产生界面。,SS为两相接触的面（相界面），为了方便处理，通常将界面看作一个虚构的几何面。,AA与BB之间的部分为界面相，很薄，几个分子厚。,许多研究者已经证实：处于两相间的交界部分乃是一个具有一定厚度（厚度很小，一般只有零点几纳米到几纳米，通常小于0.1m）的区域，物质的组分和能量可以通过这个区域从一个相连续地变化到另一个相。这层的结构和性质与相邻两相的结构和性质都不一样。在界面区域内压力是不均一的，在垂直于界面的方向上存在压力梯度。与此相反，在本体相区域内压力是均一的，不存在着梯度，并且是各向同性的。在本体相区域内可逆地输送物质不会消耗净能量。,界面层虽然是独立的，但和两边的相态有依存关系，凡是有两相接触的地方，就会有界面出现；反之，没有两相的接触，就不可能产生界面。地球上的液体或固体，实际上都是与空气相接触而形成液相/气相接触面和固相/气相接触面，或称为液/气界面和固/气界面，而不是表面。,界面化学是以多相体系为对象，研究界面上的特殊的物理化学性质和由此产生的一系列现象及其应用的学科。,3 界面的类型,物体一般都具有气相、液相和固相三种状态。按每两种相态相互接触生成的界面，就会有五种界面：,液体/气体界面；,液体/液体界面（限于两种液体基本不互溶时）；,固体/气体界面；,固体/液体界面；,固体/固体界面。,两种气体相接触时，由于气体分子的相互运动，会很快混合成为由混合气体组成的一个气相，所以不存在稳定的气体/气体界面。,4 和界面有关系的现象,自然界存在大量和界面有关的现象。几乎在自然界、日常生活和生产中到处都存在界面现象。由于界面现象的广泛性，因此研究界面现象具有很重要的理论意义和实用价值。举例如下：,气/液界面：蒸发，部分液相分子在一定温度下转变为气相分子；蒸馏，液体分子蒸发后，部分气相分子冷凝转变为液相分子；表面张力，液相与气相之间界面所特有的一种力；泡沫，液体与气体不互溶时，气体分散在液膜内的一种常见的现象；雾，液体成微滴悬浮在空气中的常见自然现象。,液液界面：乳液，两不互溶液体相互接触时，一相的微滴分散在另一相的液体内，微滴是牛奶状而对光线发生漫反射，故称乳液；界面张力，不互溶的两相液体接触界面上所特有的一种力。,气固界面：,气体吸附，吸附剂吸附气体的一种作用；,气蚀，如气轮机的叶片，长期受喷射气体的冲刷所发生的腐蚀；升华，固体直接气化的现象；,灰尘，固体的微粒悬浮于空气中；,烟，固体极细的微粒悬浮于空气中；,催化反应，气体与固体催化剂表面接触在一定的条件下产生化学变化，生成新的化学物质；,固体的分解，一种固体在一定条件下分解而得到另一种固体和气体的现象，如碳酸钙加热分解而成氧化钙（石灰）和二氧化碳；,气体和固体的化学反应，如空气中的氧气对铁的表面发生氧化反应生成氧化铁。,液固界面：,固体从溶液中吸附溶质，如用活性炭吸附蔗糖液中带色的杂质，这时，在活性炭和蔗糖溶液接触的部位形成液固界面；电解，电极浸入电解液中通直流电后，发生的电解反应；,高分子胶体，聚合物微细粒子分散在水或其他液体介质中，形成的胶体溶液；,焊接，如熔用的焊锡（液体）焊接金属（焊锡焊接冷却后则是固固界面）；,润湿，液体在固体表面上铺展开来；接触角，液滴在固体平面上形成的夹角；,浮选使某些矿石粉末的有效成分在水溶液中上浮而达到富集矿石的有效成分的效果；,粘合，如粘合剂粘合两被粘固体；,润滑，如机油滴在齿轮间减小摩擦阻力的作用；,催化，液体在固体催化剂表面上发生的化学反应。,固固界面：,粘合接头，粘合剂在两固体被粘物之间牢固结合并固化成为一个整体；,摩擦，两个固体相互接触并相对移动的现象；,磨损，两块固体互相接触并相对滑动时，表面层掉落下来成为磨屑，表面因此而发生的损失；,吸铁石，因磁性作用而吸住铁块；,合金，一种金属的晶体分布在另一种金属里面；,固相反应，两种混合的固体，在一定条件下发生的化学反应。,5 聚合物表面处理,聚合物表面处理,是指用物理、化学、机械等方法对聚合物制品表面进行处理，根据应用的需要有目的地改变聚合物表面的物理化学性质的过程。,二、表面处理的研究内容,1、表面处理的目的,对于聚合物材料来说，表面处理的目的主要有以下几个方面：,1）美观装饰及标志作用,如采用抛光、打磨等机械方面来处理制品表面，使粗糙表面变成光滑表面；采用表面染色来改善外观并起到装饰作用；采用涂覆改善表面。采用化学镀、电镀及真空蒸镀等方法改善外观。,2）二次加工,金属化处理；粘结、印刷、烫金等。,3）提高材料抵御外界环境作用的能力,聚合物材料易老化，可采用覆盖金属或涂覆的方面改善之。,4）赋予材料特殊的功能功能高分子,光活性光敏材料；,电 抗静电材料；,磁 导磁材料；,热 热敏材料；,声 吸声材料；,吸附、分离；,高分子催化剂；,高分子试剂；,固定化酶等。,