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
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.
