《Results in Materials》：Influence of Morphology on the radiative properties of Geopolymer foams: A Theoretical and Experimental Analysis
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本研究针对聚乙烯(PE)和聚四氟乙烯(PTFE)表面疏水性限制其应用的问题，通过紫外(UV)辐照改性系统探究了两种聚合物表面性能的演变规律。结果表明：PE经3.5分钟UV处理后水接触角(WCA)降低106%，表面粗糙度增加180%，并形成大量含氧官能团；而PTFE因C-F键稳定性仅呈现60%的WCA降幅和89%的粗糙度增幅。该研究为UV富集环境下聚合物表面功能化设计提供了理论依据和实践指导。
在当今材料科学领域，聚合物以其独特的轻质、柔韧、成本效益高等优势，广泛应用于包装、汽车、电子器件、医疗器械和涂层等工业领域。其中，聚乙烯(Polyethylene, PE)和聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene, PTFE)作为两种最具代表性的聚合物材料，分别因其优异的加工性能和卓越的化学稳定性受到青睐。然而，这两种材料都存在一个共同的先天缺陷——表面固有的疏水性和低表面能，这严重制约了它们在需要强附着力、良好润湿性或生物相容性的场景中的应用，例如材料粘接、印刷技术和生物医学接口。
传统表面改性方法如化学蚀刻虽能提升表面能，但涉及危险试剂且可能损害材料本体稳定性；等离子体处理虽效果显著，却需要复杂设备和高能耗；而离子注入和激光辐照等技术则存在成本高、重复性差等局限。因此，开发简单高效、环境友好的表面改性技术成为当前研究的迫切需求。紫外辐照作为一种操作简便、绿色环保的表面处理技术，通过光化学反应在聚合物表面引入极性官能团，为改善聚合物表面性能提供了新的解决方案。然而，目前关于PE和PTFE这两种结构迥异的聚合物在UV辐照下表面改性机制的对比研究尚不系统，特别是对其化学组成演变和形貌变化的关联性认识仍不深入。
为解决这一科学问题，伊朗核科学与技术研究院等离子体与核聚变研究所的S. Jamali、S.S. Ghaffari-Oskooei和S. Allahyari研究团队在《Results in Materials》期刊上发表了一项创新性研究，通过综合运用水接触角测量、傅里叶变换红外光谱和原子力显微镜等分析技术，系统揭示了PE和PTFE在UV辐照下表面性能的差异化演变规律。
研究采用低汞灯产生184.9纳米和253.7纳米波长的紫外光，在严格控制照射距离和时间条件下对聚合物样品进行处理。通过静态水接触角测量评估表面润湿性变化，利用FTIR分析表面化学组成演变，采用AFM观察表面形貌变化，并结合表面能计算理论定量表征改性效果。
研究结果显示，在润湿性方面，PE表现出对UV辐照的高度敏感性，水接触角从98°显著降至47.5°，降幅达106%；而PTFE仅从102°降至63.5°，降幅为60%。表面能分析表明，PE表面能大幅提升，而PTFE变化相对有限。化学分析显示，PE表面形成了丰富的羰基、羟基等含氧官能团，而PTFE的C-F键稳定性限制了其氧化程度。形貌观察发现，PE表面粗糙度从42纳米增至118纳米，增幅180%，且出现明显沟槽结构；PTFE粗糙度仅从38纳米增至72纳米，增幅89%，形貌变化较为温和。
4.1 水接触角
通过系统分析不同UV照射时间下聚合物表面水接触角的变化，研究发现PE的润湿性改善程度显著优于PTFE。PE在3.5分钟照射后达到最佳改性效果，而PTFE需4分钟才达到稳定状态。这种差异主要源于两种聚合物化学结构的本质不同：PE的C-H键能较低，易于发生光氧化反应；而PTFE的C-F键能高达485千焦/摩尔，具有极强的化学稳定性。
4.2 表面能
基于Young-Lippmann方程计算的表面能变化进一步证实了UV改性的效果。PE表面能的显著提升主要归因于极性含氧官能团的增加，这些基团增强了表面与水分子的相互作用。相比之下，PTFE表面能的有限增长反映了其抗UV氧化的特性，仅能实现有限的表面活化。
4.3 表面化学分析FTIR
FTIR光谱分析为表面化学变化提供了直接证据。PE在UV处理后出现了明显的C=O和C-O特征吸收峰，表明发生了显著的光氧化反应。PTFE光谱中C-F键特征峰的微弱变化说明其化学结构保持相对稳定，仅发生了有限的表面脱氟和氧化反应。
4.4 表面形貌AFM
AFM三维图像清晰展示了UV辐照引起的表面形貌演变。PE表面出现了明显的粗糙化现象，伴有微裂纹和蚀坑结构，这种形貌变化与化学改性协同增强了表面润湿性。PTFE表面则保持了相对平整的形貌，仅观察到轻微的粗糙度增加。
本研究通过多角度表征揭示了聚合物化学结构对其UV响应行为的决定性影响。PE由于其活泼的烃类结构，在UV辐照下经历了显著的化学改性和形貌重构，实现了表面性能的显著提升；而PTFE凭借其稳定的氟碳结构，表现出较强的抗UV改性能力。这一发现对聚合物材料在特定环境下的应用选择具有重要指导意义：在需要显著改善表面润湿性和附着力的场合，PE是更合适的选择；而在要求UV稳定性和耐久性的环境中，PTFE则更具优势。
该研究的创新之处在于通过多技术联用策略，建立了聚合物表面化学组成、形貌特征与润湿性能之间的内在联系，深化了对UV诱导表面改性机制的理解。研究成果不仅为聚合物表面功能化设计提供了理论依据，也为开发高性能涂层、先进粘接技术和生物医学器件等应用提供了实践指导。未来研究可进一步探索不同UV波长和强度对改性效果的影响，并考察长期UV暴露下材料的力学性能和耐久性演变规律。
