高粘度生物基单体液相辅助常压等离子体聚合：异山梨醇甲基丙烯酸酯的涂层性能与机制研究

本文创新性地采用液相辅助常压等离子体聚合（LA-APP）技术，实现了高粘度（91.5 cP）、低蒸气压生物基单体异山梨醇甲基丙烯酸酯（IM）的高效聚合。研究通过FTIR、显微技术和原位等离子体表征，系统分析了放电功率、单体注入速率及等离子体气体（Ar/N2）对聚合效率的影响，揭示氩等离子体可形成更稳定、均一的涂层，为生物基材料在催化、传感器等领域的应用提供新思路。

　　

ABSTRACT

研究团队通过液相辅助常压等离子体聚合（LA-APP）技术，攻克了高粘度（91.5 cP）生物基单体异山梨醇甲基丙烯酸酯（IM）的聚合难题。与传统气相沉积（CVD）依赖低粘度单体的局限不同，该技术通过超声雾化将液态单体直接沉积至表面，利用等离子体快速固化，避免了溶剂消耗与多步处理。实验表明，氩等离子体因放电均匀性显著提升涂层 cohesion（内聚力），而氮等离子体的丝状放电导致局部缺陷，印证了等离子体-液体相互作用的决定性影响。

2 Experimental Section

2.1 单体合成

以异山梨醇与甲基丙烯酸酐为原料，三苯基膦（TPP）催化，80°C反应6小时，经二氯甲烷萃取与真空蒸馏纯化，获得IM单体。动态粘度测试（79.1 cSt）与密度（1.16 g·cm^?3）证实其高粘度特性。

2.2 LA-APP工艺

采用介质阻挡放电（DBD）装置，150 W功率下脉冲放电（200 μs开/关周期），氩或氮气（20 slm）作为等离子体气体。单体通过120 kHz超声喷嘴雾化（50–300 μL·min^?1），经100次沉积循环形成微米级涂层。

2.3 表征技术

傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示IM单体特征峰（C=O 1716 cm^?1，C=C 1635 cm^?1），等离子体聚合后C=O峰位移至1724 cm^?1。光学发射光谱（OES）测得氮等离子体气体温度364 K，氩等离子体376 K，两者均以丝状/均匀放电为主。

3 Results and Discussion

3.1 单体特性

IM的动态粘度（91.5 cP）远超常规CVD单体（如甲基丙烯酸甲酯0.6 cP），其低蒸气压（<0.01 mmHg）凸显LA-APP技术的必要性。

3.2 等离子体聚合效率

氩等离子体在50 μL·min^?1注入速率下实现最高转化率（DC=85%），而氮等离子体因局部放电导致涂层不均匀。FTIR证实氩等离子体样品C=C键保留更完整，机械剥离测试显示其界面稳定性（剥离力2 cN/25 mm）显著优于氮等离子体（53 cN/25 mm）。

3.3 等离子体特性分析

氩的均匀放电促进活性物种深度渗透，而氮的丝状放电仅引发局部聚合，SEM显示后者涂层存在明显纤维暴露缺陷。

3.4 涂层机械性能

200次沉积后，氩等离子体涂层在玻璃纸基材上呈现完整覆盖，经15次剥离仍保持化学稳定性；氮等离子体样品首次剥离即出现基材峰（1977 cm^?1），印证其 cohesion 不足。

4 Conclusion

研究证实LA-APP可高效聚合高粘度生物基单体，氩等离子体的均匀性对涂层性能具有决定性作用。未来需进一步探究等离子体参数对液体层渗透深度的影响，以拓展其在复合材料领域的应用。