类玻璃碳膜和聚酰亚胺薄膜的紫外辐照改性研究

摘要

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。

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