Влияние низкотемпературной плазмы атмосферного давления на химический состав поверхности полипропилена
Автор: Агнаев С.С., Демин К.А., Дондуков С.Д., Хаглеев А.Н., Плешков Д.Ю.
Журнал: Вестник Бурятского государственного университета. Химия. Физика @vestnik-bsu-chemistry-physics
Статья в выпуске: 3, 2025 года.
Бесплатный доступ
Полипропилен (ПП) — один из наиболее широко используемых полимеров благодаря своим эксплуатационным свойствам. Однако низкая поверхностная энергия и химическая инертность ограничивают адгезию ПП к красящим и клеящим составам. Обработка низкотемпературной плазмой атмосферного давления — эффективный метод модификации, не затрагивающий объемные свойства материала. В статье рассмотрены механизмы воздействия низкотемпературной плазмы на поверхность ПП, вызванные обработкой изменения химического состава, являющиеся ключевыми для улучшения адгезии. Проанализировано влияние параметров обработки (вид плазмообразующего газа и время экспозиции) на введение функциональных групп и окисление поверхности.
Низкотемпературная плазма атмосферного давления, полипропилен, модификация поверхности, функциональные группы, окисление, адгезия, ИК-Фурье спектроскопия
Короткий адрес: https://sciup.org/148332732
IDR: 148332732 | УДК: 533.924 | DOI: 10.18101/2306-2363-2025-3-38-43
Influence of Low-Temperature Atmospheric-Pressure Plasma on the Surface Chemistry of Polypropylene
Polypropylene (PP) is one of the most widely used polymers due to its performance properties. However, its low surface energy and chemical inertness limit the adhesion of PP to paints and adhesives. Treatment with low-temperature atmospheric- pressure plasma is an effective modification method that does not affect the bulk properties of the material. This article examines the mechanisms of low-temperature plasma interaction with the PP surface and the resulting changes in chemical composition, which are key to improving adhesion. The influence of processing parameters (type of plasma-forming gas and exposure time) on the introduction of functional groups and surface oxidation is analyzed.
Текст научной статьи Влияние низкотемпературной плазмы атмосферного давления на химический состав поверхности полипропилена
Влияние низкотемпературной плазмы атмосферного давления на химический состав поверхности полипропилена / С. С. Агнаев, К. А. Демин, С. Д. Дондуков [и др.] // Вестник Бурятского государственного университета. Химия. Физика. 2025. Вып. 3. С. 38–43.
Применение ПП, несмотря на широкое использование в различных отраслях промышленности, в процессах склеивания, печати, нанесения покрытий и ламинирования ограничено из-за низкой поверхностной энергии и отсутствия полярных функциональных групп на поверхности.
Применение плазменной модификации низкотемпературной плазмы позволяет локально и контролируемо изменять свойства поверхности ПП, сохраняя объемные свойства материала, экономическую эффективность и экологичность производства [1; 2]. Основной эффект от воздействия низкотемпературной плазмы на ПП заключается в изменении химического состава, электретных свойств и морфологии его поверхности. Настоящая работа посвящена детальному исследованию химических изменений поверхности ПП в результате обработки низкотемпературной плазмой атмосферного давления.
В качестве объекта исследования использовали пленки ПП, изготовленные согласно ГОСТу 26996-86 толщиной 500 мкм и размером 20×20 мм.
Модификацию пленок ПП осуществляли в течение 20 секунд при токе 50 мА, импульсном напряжении 8 кВ и частоте 15 кГц на разработанной плазменной установке — патент RU2781708C1 1 . Для создания плазменного пучка в корпус установки направляли поток воздуха, который обтекал электроды и создавал плазменный поток, направляемый на обрабатываемый образец ПП.
При контакте пучка низкотемпературной плазмы с поверхностью ПП происходят следующие основные физико-химические процессы:
-
1. Бомбардировка высокоэнергетическими частицами (ионами и электронами) вызывает разрыв химических связей (C-C, C-H) в поверхностных макромолекулах ПП, приводя к образованию активных радикалов и участков с ненасыщенными связями.
-
2. Окисление: процесс окисления протекает при использовании плазмообразующих газов, содержащих кислород (O₂, воздух, N₂/O₂ смеси), или при обработке в воздушной атмосфере. Ведущий процесс — введение кислородосодержащих групп [3; 4].
Воздействие плазмы и последующее окисление приводят к появлению новых полос поглощения и изменению интенсивности существующих в ИК-спектрах ПП. Для изучения химических свойств поверхности образцов ПП до и после плазменной модификации использовали метод инфракрасной (ИК) Фурье спектроскопии. ИК-спектры снимали на ИК-Фурье спектрометре Simex FT-801.
На рисунках 1–3 представлены ИК-спектры ПП пленок исходного и модифицированных образцов ПП.
105 -i
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0
Волновое число (-1)
Рис. 1. ИК-спектр исходного образца
Исходный образец демонстрирует характерные для ПП полосы поглощения: ~2800 см⁻¹ — 3000 см⁻¹ (C-H валентные колебания в -CH₂– и -CH₃ группах). ~1450 см⁻¹ и ~1375 см⁻¹ (деформационные колебания CH₂ и CH₃).
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0
Волновое число (-1)
Рис. 2. ИК-спектр ПП пленок, модифицированных низкотемпературной плазменной обработкой в воздушной среде
После обработки ПП воздушной плазмой в спектрах появляются новые пики: около 1 700 см⁻¹ (карбонильные группы C=O), а также возможные пики C=C при
1 600–1 500 см⁻¹. Исходные пики C-H (1 350 см⁻¹ — 1 450 см⁻¹) не изменяются. Плазменная модификация усиливает пики C=O и C-O, что отражает окисление поверхности, связанное с образованием спиртовых и эфирных групп. Такие изменения повышают полярность поверхности и улучшают адгезию ПП.
Рис. 3. ИК-спектры ПП пленок, модифицированных низкотемпературной плазменной обработкой в аргоне
После плазменной модификации в аргоне на образце ПП наблюдается уменьшение интенсивности пиков в области 2 900–2 800 см⁻¹ (разрушение CH-связей) и появление новых полос: ~1700 см⁻¹ (C=O), ~1600–1500 см⁻¹ (C=C), ~1300–1000 см⁻¹ (C-O).
Наблюдаемые изменения в ИК-спектрах обрабатываемого ПП коррелируют с параметрами плазменной модификации (мощность, время экспозиции), что позволяет использовать ИК-спектроскопию для оптимизации процесса модификации. Установлено, что ключевым параметром, влияющим на результат модификации, является плазмообразующий газ. Время модификации требует подбора для достижения оптимального результата, избегая как недостаточной модификации, так и термического разрушения обрабатываемого образца ПП.
