CN117209893B - 一种疏水改性聚丙烯塑料、疏水改性聚丙烯塑料的制备方法和移液吸头 - Google Patents
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Abstract
本发明属于疏水改性塑料技术领域,具体涉及一种疏水改性聚丙烯塑料、疏水改性聚丙烯塑料的制备方法和移液吸头。步骤S1:将聚丙烯溶解在溶剂中制成热的聚丙烯溶液;步骤S2:将步骤S1制得的聚丙烯溶液加入到冷却介质中冷却析出,得到预处理聚丙烯粉末;步骤S3:将步骤S2制得的预处理聚丙烯粉末在惰性气保护下和六氟丙烯气体存在下进行等离子放电处理,使聚丙烯粉接枝含氟单体,得到氟化聚丙烯粉末;步骤S4:将聚丙烯粉末、步骤S3制得的氟化聚丙烯粉末、聚四氟乙烯粉末、增容剂熔融共混得到疏水改性聚丙烯塑料。按照上述方法可制得一种改性的聚丙烯塑料,该聚丙烯塑料兼具低表面能和优良力学性能,适于制造低残留的移液吸头。
Description
技术领域
本发明属于疏水改性塑料技术领域,具体涉及一种疏水改性聚丙烯塑料、疏水改性聚丙烯塑料的制备方法和移液吸头。
背景技术
移液吸头,是与移液器配套使用的一种耗材,用于定量移取液体样品。移液吸头在生物、医学、材料等领域具有十分广泛的用途,例如用于PCR、DNA和RNA等核酸处理、SDS-PAGE电泳及其他蛋白质分析等。
聚丙烯(PP)是由丙烯聚合而成的一种半透明的热塑性树脂,是五大通用塑料之一。聚丙烯因具有良好的耐高温、耐腐蚀、低成本、易回收、抗折断等功能特性,是目前制造移液吸头最常用的材料。
常规聚丙烯材料表面与水的接触角在100°左右,使用聚丙烯材料制造的移液吸头表现出一定程度的疏水特性。但对于中小规格的移液吸头,尤其是小规格的10μL、20μL的长尖吸头,由于吸头尖部尺寸小,释放液体样品时尖部残留现象时有发生。
因此,降低聚丙烯材料的表面能从而制造低吸附的移液吸头具有重要的现实意义。采用低吸附特性的吸头移取液体样品,吸头内壁与液体接触界面上的接触角增大,液体能够更容易地从吸头的内壁上完全滑落下来或仅在吸头内留下及微量的残留,这样能够显著提高移液器移取液体样品的精度。
发明内容
针对现有技术存在的不足,本发明提供一种疏水改性聚丙烯塑料、疏水改性聚丙烯塑料的制备方法和移液吸头。本发明主要的目的是要提供一种兼具低表面能和优良力学性能的聚丙烯塑料,并适于制造低残留的移液吸头。
疏水改性聚丙烯塑料的制备方法包括以下步骤:
步骤S1:将聚丙烯溶解在溶剂中制成热的聚丙烯溶液;
步骤S2:将步骤S1制得的聚丙烯溶液加入到冷却介质中冷却析出,得到预处理聚丙烯粉末;
步骤S3:将步骤S2制得的预处理聚丙烯粉末在惰性气保护下和六氟丙烯气体存在下进行等离子放电处理,使聚丙烯粉接枝含氟单体,得到氟化聚丙烯粉末;
步骤S4:将聚丙烯粉末、步骤S3制得的氟化聚丙烯粉末、聚四氟乙烯粉末、增容剂熔融共混得到疏水改性聚丙烯塑料。
进一步地,步骤S1中,将聚丙烯溶于二甲苯溶剂中,聚丙烯粉末与二甲苯溶剂的质量比为1:1.5~1:2.8,加热温度为130℃~135℃。
进一步地,步骤S2中,冷却介质为0℃的冰水混合物,冰水混合物中固体质量含量为40%~60%,冰水混合物与聚丙烯溶液的质量比为15:1~10:1。
进一步地,步骤S2中,聚丙烯溶液加入到冷却介质,按照搅拌速度为300rpm~800rpm的速度快速搅拌,搅拌时间为3min~5min,搅拌至聚丙烯粉末析出,经洗涤干燥分离得到预处理聚丙烯粉末。
进一步地,步骤S3中,将步骤S2制得的预处理聚丙烯粉末置于密闭反应器中,抽真空至绝压≤1.0Pa,通入惰性保护气至60.0Pa~100.0Pa,再通入分压为15.0Pa~20.0Pa的六氟丙烯气体,然后进行等离子放电处理。
进一步地,步骤S3中,等离子放电电压为550V~900V,放电功率为200W~250W,以正弦振荡脉冲电场激发等离子放电,单次放电持续时间为3s~5s,放电次数为20~30次。
进一步地,步骤S4中,将聚丙烯粉末100质量份、步骤S3制得的氟化聚丙烯粉末35~80质量份、聚四氟乙烯粉末32~75质量份、增容剂马来酸酐接枝聚乙烯1.0~2.5质量份进行熔融共混,得到疏水改性聚丙烯塑料;马来酸酐接枝聚乙烯的接枝率为1.0~2.0%。
进一步地,步骤S3中,预处理聚丙烯粉末等离子放电处理所采用的气氛由以下组分构成:惰性保护气分压60.0Pa~100.0Pa,六氟丙烯气体分压15.0Pa~20.0Pa,辅助气一氧化氮分压2.0Pa~3.0Pa,杂质气体分压≤1.0Pa。
较佳地,疏水改性聚丙烯塑料的制备方法可按照以下步骤实施:
步骤S1:将聚丙烯粉末加入到含有二甲苯溶剂的反应釜中,搅拌加热溶解,得到聚丙烯溶液,聚丙烯粉末与二甲苯溶剂的质量比为1:1.5~1:2.8,加热温度为130℃~135℃。
步骤S2:准备0℃的冰水混合物置于另一反应釜中,将步骤S1制得的聚丙烯溶液快速倒入冰水混合物中,高速搅拌至聚丙烯粉末完全析出,通过抽滤分离出固体,洗涤干燥后得到预处理聚丙烯粉末;抽滤分离得到的液体经分液后用于下一轮循环;冰水混合物中固体质量含量为40%~60%,冰水混合物与聚丙烯溶液的质量比为15:1~10:1,搅拌速度为300rpm~800rpm,搅拌时间为3min~5min。
步骤S3:将步骤S2制得的预处理聚丙烯粉末置于真空反应炉中,先抽真空至绝压≤1.0Pa,通入惰性保护气氩气至60.0Pa~100.0Pa,再通入分压为15.0Pa~20.0Pa的六氟丙烯气体;通过等离子放电使聚丙烯粉末接枝含氟单体,得到氟化聚丙烯粉末;等离子放电电压为550V~900V,放电功率为200W~250W,以正弦振荡脉冲电场激发等离子放电,单次放电持续时间为3s~5s,放电次数为20~30次。
步骤S4:将聚丙烯粉末100质量份、步骤S3制得的氟化聚丙烯粉末35~80质量份、聚四氟乙烯粉末32~75质量份、增容剂马来酸酐接枝聚乙烯1.0~2.5质量份投入到密炼机中熔融共混,得到低表面能的改性聚丙烯塑料;增容剂马来酸酐接枝聚乙烯的接枝率为1.0~2.0%,熔融共混的温度为205℃~215℃,熔融共混的时间为15min~20min。
本发明的改性方法,先将聚丙烯加热溶于二甲苯中制成热溶液,然后倒入冰水混合物中快速降温,在快速降温过程中聚丙烯快速析出,形成大量粉末微粒,并且在粉末微粒表面形成大量纳微米级别的孔隙。
具体来讲,将聚丙烯溶液倒入冰水混合物中,在溶剂环境发生根本改变的同时,冰水的低温也导致聚丙烯温度迅速下降,这样一来,溶剂的溶解能力无法维持聚丙烯的溶解状态,导致聚丙烯快速析出,快速大量成核,形成了大量非晶态的聚丙烯粉末微粒。在快速冷却过程中,聚丙烯微粒由于外层与冰水混合物直接接触,降温速度最快,因此外层先冷却固化形成壳层。然而,由于内部的热传导速度较慢,内部的温度下降较晚,因此内部在外层已经固化的情况下继续收缩,导致内部形成大量的孔隙。另一方面,快速冷却导也致聚丙烯微粒表面及内部发生快速不均匀收缩,形成较大的内部应力,当应力超过聚丙烯微粒自身强度时,引发大量裂纹的产生。这些裂纹与孔隙彼此连通形成开放孔道,使制得的预处理聚丙烯粉末具有大的比较面积和良好的气体接触性。
聚丙烯经过预处理形成了具有大量开放孔隙的粉末微粒,显著提高聚丙烯粉末的表面积。在步骤S3中进行氟化改性时,六氟丙烯气体能够更加充分地与聚丙烯微粒内部及表面各个点位充分接触,显著提高了氟化效率。等离子放电是通过在稀薄气氛中施加高电压电场,使气体分子发生离子化和激发,进而引发化学反应。等离子放电作用下,六氟丙烯气体分子发生离子化,这些高能离子进攻聚丙烯分子链,形成新的化学键,将含氟片段与聚丙烯结合在一起。此外,等离子放电也激发六氟丙烯分子形成自由基,高活性的自由基与聚丙烯分子反应,使聚丙烯微粒接枝含氟片段而氟化改性。
含氟聚合物是已知的一类表面能极低的材料,其中的氟元素是所有元素中电负性最高的,且范德华原子半径小,因此氟原子极难被极化。当碳链上的氢被氟取代后键能增加,键长变短,具有极高的稳定性,且氟碳之间的分子间作用力小,因此氟碳聚合物具有极低的表面能,具有独特的疏水疏油特性。
然而,也正是由于氟原子的难极化特性以及C-H键与C-F键性质的显著差异,导致聚丙烯与聚四氟乙烯直接共混时存在明显的相容性问题,难以制得性状均匀稳定且抗吸附性能优良的高分子共混材料。为了解决上述问题,本发明将聚丙烯粉末、氟化聚丙烯粉末、聚四氟乙烯粉末、增容剂马来酸酐接枝聚乙烯按一定比例熔融共混,可以显著改善含氟聚合物组分与聚丙烯粉末的相容性,实现降低材料的表面能以获得一种低吸附材料的目的。
其中,聚丙烯作为基底材料,具有优良的韧性和耐腐蚀性。聚四氟乙烯选用低分子量牌号的聚四氟乙烯,实现与聚丙烯基底材料熔融共混,聚四氟乙烯不仅具有抗酸抗碱抗有机溶剂的特点,而且其C-C分子链骨架上连接有大量C-F键,通过与聚丙烯共混降低其表面能。氟化聚丙烯粉末由聚丙烯改性得到,与聚丙烯基体具有很好的相容性。改性后得到的氟化聚丙烯在分子链上通过共价键连接有大量C-F键,这使得其与聚四氟乙烯分子在结构和性质上的相似性显著提高,改善了氟化聚丙烯与聚四氟乙烯的相容性。马来酸酐接枝聚乙烯是一种相容剂,利用接枝在分子链上的马来酸酐基团加强与聚丙烯和聚四氟乙烯的结合力,从而提高聚丙烯与聚四氟乙烯的相容性。
有益效果
本发明通过将聚丙烯、聚四氟乙烯、氟化改性的聚丙烯和相容剂熔融共混,制得一种低吸附性的改性聚丙烯塑料,接触角相较于常规聚丙烯得到了显著提升。
本发明通过快速冷却和等离子放电对聚丙烯进行氟化改性,显著提升了改性的效率,将改性得到的氟化聚丙烯作为共混原料之一,显著提高了聚丙烯与聚四氟乙烯的相容性,并由此改善了材料的力学性能和吸附特性。
本发明通过对聚丙烯氟化改性过程的进一步深入研究,抑制改性过程中聚丙烯分子链受到破坏,使改性前后材料的熔融指数保持基本一致。
本发明制得的改性聚丙烯塑料,适于制造低吸附性的移液吸头,减少液体样品在吸头内的残留,从而提高移液操作时释放样品的精度和准确性。
具体实施方式
下面通过具体实施例进一步阐明本发明,这些实施例是示例性的,旨在说明问题和解释本发明,并不是一种限制。
以下实施例中,马来酸酐接枝聚乙烯:Exxon Mobil,牌号PE 1040,接枝率1.4%,熔融指数为3.4g/10min(190℃、2.16kg);聚丙烯:中石化燕山石化公司,牌号B4808,熔点138℃,熔融指数11.1g/10min;聚四氟乙烯:日本大金工业株式会社,牌号L-5。
实施例1
步骤S1:将聚丙烯粉末加入到含有二甲苯溶剂的反应釜中,搅拌加热溶解,得到聚丙烯溶液,聚丙烯粉末与二甲苯溶剂的质量比为1:1.5,加热温度为135℃。
步骤S2:准备0℃的冰水混合物置于另一反应釜中,将步骤S1制得的聚丙烯溶液快速倒入冰水混合物中,高速搅拌至聚丙烯粉末完全析出,通过抽滤分离出固体,洗涤干燥后得到预处理聚丙烯粉末;抽滤分离得到的液体经分液后用于下一轮循环;冰水混合物中固体质量含量为55%,冰水混合物与聚丙烯溶液的质量比为15:1,搅拌速度为300rpm,搅拌时间为3min。
步骤S3:将步骤S2制得的预处理聚丙烯粉末置于真空反应炉中,先抽真空至绝压≤1.0Pa,通入惰性保护气氩气至60.0Pa,再通入分压为15.0Pa的六氟丙烯气体;通过等离子放电使聚丙烯粉末接枝含氟单体,得到氟化聚丙烯粉末;等离子放电电压为550V,放电功率为200W,以正弦振荡脉冲电场激发等离子放电,单次放电持续时间为5s,放电次数为30次。
步骤S4:将聚丙烯粉末100质量份、步骤S3制得的氟化聚丙烯粉末35质量份、聚四氟乙烯粉末32质量份、增容剂马来酸酐接枝聚乙烯1.0质量份投入到密炼机中熔融共混,得到低表面能的改性聚丙烯塑料;增容剂马来酸酐接枝聚乙烯的接枝率为1.4%,熔融共混的温度为205℃,熔融共混的时间为15min。
实施例2
步骤S1:将聚丙烯粉末加入到含有二甲苯溶剂的反应釜中,搅拌加热溶解,得到聚丙烯溶液,聚丙烯粉末与二甲苯溶剂的质量比为1:2.8,加热温度为135℃。
步骤S2:准备0℃的冰水混合物置于另一反应釜中,将步骤S1制得的聚丙烯溶液快速倒入冰水混合物中,高速搅拌至聚丙烯粉末完全析出,通过抽滤分离出固体,洗涤干燥后得到预处理聚丙烯粉末;抽滤分离得到的液体经分液后用于下一轮循环;冰水混合物中固体质量含量为55%,冰水混合物与聚丙烯溶液的质量比为10:1,搅拌速度为800rpm,搅拌时间为5min。
步骤S3:将步骤S2制得的预处理聚丙烯粉末置于真空反应炉中,先抽真空至绝压≤1.0Pa,通入惰性保护气氩气至100.0Pa,再通入分压为20.0Pa的六氟丙烯气体;通过等离子放电使聚丙烯粉末接枝含氟单体,得到氟化聚丙烯粉末;等离子放电电压为900V,放电功率为250W,以正弦振荡脉冲电场激发等离子放电,单次放电持续时间为3s,放电次数为20次。
步骤S4:将聚丙烯粉末100质量份、步骤S3制得的氟化聚丙烯粉末80质量份、聚四氟乙烯粉末75质量份、增容剂马来酸酐接枝聚乙烯2.5质量份投入到密炼机中熔融共混,得到低表面能的改性聚丙烯塑料;增容剂马来酸酐接枝聚乙烯的接枝率为1.4%,熔融共混的温度为215℃,熔融共混的时间为20min。
实施例3
步骤S1:将聚丙烯粉末加入到含有二甲苯溶剂的反应釜中,搅拌加热溶解,得到聚丙烯溶液,聚丙烯粉末与二甲苯溶剂的质量比为1:1.8,加热温度为135℃。
步骤S2:准备0℃的冰水混合物置于另一反应釜中,将步骤S1制得的聚丙烯溶液快速倒入冰水混合物中,高速搅拌至聚丙烯粉末完全析出,通过抽滤分离出固体,洗涤干燥后得到预处理聚丙烯粉末;抽滤分离得到的液体经分液后用于下一轮循环;冰水混合物中固体质量含量为55%,冰水混合物与聚丙烯溶液的质量比为12:1,搅拌速度为600rpm,搅拌时间为4min。
步骤S3:将步骤S2制得的预处理聚丙烯粉末置于真空反应炉中,先抽真空至绝压≤1.0Pa,通入惰性保护气氩气至80.0Pa,再通入分压为18.0Pa的六氟丙烯气体;通过等离子放电使聚丙烯粉末接枝含氟单体,得到氟化聚丙烯粉末;等离子放电电压为700V,放电功率为250W,以正弦振荡脉冲电场激发等离子放电,单次放电持续时间为4s,放电次数为25次。
步骤S4:将聚丙烯粉末100质量份、步骤S3制得的氟化聚丙烯粉末50质量份、聚四氟乙烯粉末45质量份、增容剂马来酸酐接枝聚乙烯2.0质量份投入到密炼机中熔融共混,得到低表面能的改性聚丙烯塑料;增容剂马来酸酐接枝聚乙烯的接枝率为1.4%,熔融共混的温度为210℃,熔融共混的时间为20min。
实施例4
步骤S1:将聚丙烯粉末加入到含有二甲苯溶剂的反应釜中,搅拌加热溶解,得到聚丙烯溶液,聚丙烯粉末与二甲苯溶剂的质量比为1:2.2,加热温度为135℃。
步骤S2:准备0℃的冰水混合物置于另一反应釜中,将步骤S1制得的聚丙烯溶液快速倒入冰水混合物中,高速搅拌至聚丙烯粉末完全析出,通过抽滤分离出固体,洗涤干燥后得到预处理聚丙烯粉末;抽滤分离得到的液体经分液后用于下一轮循环;冰水混合物中固体质量含量为55%,冰水混合物与聚丙烯溶液的质量比为12:1,搅拌速度为600rpm,搅拌时间为4min。
步骤S3:将步骤S2制得的预处理聚丙烯粉末置于真空反应炉中,先抽真空至绝压≤1.0Pa,通入惰性保护气氩气至80.0Pa,再通入分压为15.0Pa的六氟丙烯气体;通过等离子放电使聚丙烯粉末接枝含氟单体,得到氟化聚丙烯粉末;等离子放电电压为600V,放电功率为250W,以正弦振荡脉冲电场激发等离子放电,单次放电持续时间为3s,放电次数为30次。
步骤S4:将聚丙烯粉末100质量份、步骤S3制得的氟化聚丙烯粉末60质量份、聚四氟乙烯粉末55质量份、增容剂马来酸酐接枝聚乙烯2.0质量份投入到密炼机中熔融共混,得到低表面能的改性聚丙烯塑料;增容剂马来酸酐接枝聚乙烯的接枝率为1.4%,熔融共混的温度为210℃,熔融共混的时间为15min。
实施例5
步骤S1:将聚丙烯粉末加入到含有二甲苯溶剂的反应釜中,搅拌加热溶解,得到聚丙烯溶液,聚丙烯粉末与二甲苯溶剂的质量比为1:2.5,加热温度为135℃。
步骤S2:准备0℃的冰水混合物置于另一反应釜中,将步骤S1制得的聚丙烯溶液快速倒入冰水混合物中,高速搅拌至聚丙烯粉末完全析出,通过抽滤分离出固体,洗涤干燥后得到预处理聚丙烯粉末;抽滤分离得到的液体经分液后用于下一轮循环;冰水混合物中固体质量含量为55%,冰水混合物与聚丙烯溶液的质量比为15:1,搅拌速度为500rpm,搅拌时间为4min。
步骤S3:将步骤S2制得的预处理聚丙烯粉末置于真空反应炉中,先抽真空至绝压≤1.0Pa,通入惰性保护气氩气至80.0Pa,再通入分压为20.0Pa的六氟丙烯气体;通过等离子放电使聚丙烯粉末接枝含氟单体,得到氟化聚丙烯粉末;等离子放电电压为700V,放电功率为250W,以正弦振荡脉冲电场激发等离子放电,单次放电持续时间为4s,放电次数为30次。
步骤S4:将聚丙烯粉末100质量份、步骤S3制得的氟化聚丙烯粉末70质量份、聚四氟乙烯粉末65质量份、增容剂马来酸酐接枝聚乙烯2.2质量份投入到密炼机中熔融共混,得到低表面能的改性聚丙烯塑料;增容剂马来酸酐接枝聚乙烯的接枝率为1.4%,熔融共混的温度为210℃,熔融共混的时间为20min。
对比例1
以实施例5为参照,省略步骤S1至S3,将聚丙烯粉末、聚四氟乙烯粉末、马来酸酐接枝聚乙烯直接共混,具体如下:
步骤一:将聚丙烯粉末170(100+70)质量份、聚四氟乙烯粉末65质量份、增容剂马来酸酐接枝聚乙烯2.2质量份投入到密炼机中熔融共混,得到低表面能的改性聚丙烯塑料;增容剂马来酸酐接枝聚乙烯的接枝率为1.4%,熔融共混的温度为210℃,熔融共混的时间为20min。
对比例2
以实施例5为参照,省略步骤S1和S2,聚丙烯粉在未经预处理的情况下直接氟化改性,然后将聚丙烯粉末、氟化改性的聚丙烯粉末、聚四氟乙烯粉末、马来酸酐接枝聚乙烯共混,具体如下:
步骤一:将聚丙烯粉末置于真空反应炉中,先抽真空至绝压≤1.0Pa,通入惰性保护气氩气至80.0Pa,再通入分压为20.0Pa的六氟丙烯气体;通过等离子放电使聚丙烯粉末接枝含氟单体,得到氟化聚丙烯粉末;等离子放电电压为700V,放电功率为250W,以正弦振荡脉冲电场激发等离子放电,单次放电持续时间为4s,放电次数为30次。
步骤二:将聚丙烯粉末100质量份、步骤一制得的氟化聚丙烯粉末70质量份、聚四氟乙烯粉末65质量份、增容剂马来酸酐接枝聚乙烯2.2质量份投入到密炼机中熔融共混,得到低表面能的改性聚丙烯塑料;增容剂马来酸酐接枝聚乙烯的接枝率为1.4%,熔融共混的温度为210℃,熔融共混的时间为20min。
对比例3
以实施例5为参照,省略增容剂马来酸酐接枝聚乙烯,将聚丙烯粉末、氟化聚丙烯粉末、聚四氟乙烯粉末共混,具体如下:
步骤一:将聚丙烯粉末加入到含有二甲苯溶剂的反应釜中,搅拌加热溶解,得到聚丙烯溶液,聚丙烯粉末与二甲苯溶剂的质量比为1:2.5,加热温度为135℃。
步骤二:准备0℃的冰水混合物置于另一反应釜中,将步骤一制得的聚丙烯溶液快速倒入冰水混合物中,高速搅拌至聚丙烯粉末完全析出,通过抽滤分离出固体,洗涤干燥后得到预处理聚丙烯粉末;抽滤分离得到的液体经分液后用于下一轮循环;冰水混合物中固体质量含量为55%,冰水混合物与聚丙烯溶液的质量比为15:1,搅拌速度为500rpm,搅拌时间为4min。
步骤三:将步骤二制得的预处理聚丙烯粉末置于真空反应炉中,先抽真空至绝压≤1.0Pa,通入惰性保护气氩气至80.0Pa,再通入分压为20.0Pa的六氟丙烯气体;通过等离子放电使聚丙烯粉末接枝含氟单体,得到氟化聚丙烯粉末;等离子放电电压为700V,放电功率为250W,以正弦振荡脉冲电场激发等离子放电,单次放电持续时间为4s,放电次数为30次。
步骤四:将聚丙烯粉末100质量份、步骤三制得的氟化聚丙烯粉末70质量份、聚四氟乙烯粉末65质量份投入到密炼机中熔融共混,得到低表面能的改性聚丙烯塑料;熔融共混的温度为210℃,熔融共混的时间为20min。
对比例4
聚丙烯基体材料。
各实施例和对比例注塑制得试样,采用Dataphysics的OCA25型光学接触角测量仪测试试样的水接触角,按照GB/T1040-92《塑料拉伸性能试验方法》测试试样的拉伸强度,按照GB/T1843-2008《塑料悬臂梁冲击强度的测定》测试试样的冲击强度,按照GB/T9341-2008《塑料弯曲性能的测定》测试试样的弯曲强度,结果如表1所示。
表1
如表1所示,实施例1至5通过将聚丙烯、氟化聚丙烯、聚四氟乙烯、马来酸酐接枝聚乙烯共混制得试样,其水接触角相较于对比例4的聚丙烯基体材料具有明显的提升,表明材料表面能明显下降,材料表面具有更低的吸附特性。材料水接触角的提升归因于与含氟聚合物的共混。氟化聚丙烯和具四氟乙烯中的氟元素具有极高的电负性和小的范德华原子半径,不易被极化,通过将氟化聚丙烯与聚丙烯和聚四氟乙烯共混,降低了材料与附着其上的水分子之间的相互作用,取得了更低的吸附特性。
除了吸附特性的降低,各实施例相较于聚丙烯基体材料在拉伸强度、冲击强度、弯曲强度上也略有提升,仅在实施例2中由于较大的聚四氟乙烯添加量而引起力学性能略有下降。氟化聚丙烯与聚丙烯和聚四氟乙烯之间都具有相近的结构片段,因此在氟化聚丙烯的作用下,聚丙烯、聚四氟乙烯和氟化聚丙烯三者形成良好的相容状态,加之马来酸酐接枝聚乙烯的辅助作用以及聚四氟乙烯自生具有的强度和韧性,赋予了各实施例样品优良的力学性能。
相较于实施例5,对比例1实质上是将氟化聚丙烯替换为了等质量的聚丙烯,由于共混时没有氟化聚丙烯的参与,材料的拉伸强度、冲击强度、弯曲强度都发生了非常明显的下降。聚丙烯和聚四氟乙烯在化学结构上存在显著差异,聚丙烯表面主要由C-H键组成,而聚四氟乙烯表面主要由C-F键组成。在没有氟化聚丙烯参与时,聚丙烯和聚四氟乙烯的不相容性会导致聚丙烯和聚四氟乙烯在共混过程中难以形成均匀的分散态。不均匀的分散以及相互结合作用的弱化导致共混材料存在微观上的相分离现象,显著降低了材料的拉伸强度、冲击强度和弯曲强度等方面的下降。此外,共混后聚四氟乙烯分布的不均匀也极大地限制了表面能的降低,导致接触角相较于实施例5有了明显的下降。
相较于实施例5,对比例2的聚丙烯粉在未经预处理的情况下直接氟化改性,然后将聚丙烯粉末、氟化改性的聚丙烯粉末、聚四氟乙烯粉末、马来酸酐接枝聚乙烯共混。由于聚丙烯粉末未经预处理,粉末颗粒致密,在等离子放电氟化改性时,放电产生的高能六氟丙烯片段难以与聚丙烯充分接触,仅在聚丙烯粉末表面上形成极少量的改性点位,因此难以获得充分高效的改性作用。对比例2制得的试样虽然相较于对比例1在接触角和力学性能上略有提升,但与实施例5相比仍具有十分显著的差距。
相较于实施例5,对比例3未使用增容剂马来酸酐接枝聚乙烯。马来酸酐接枝聚乙烯在共混时作为相容剂使用,辅助和促进聚丙烯与聚四氟乙烯的结合。直接将聚丙烯粉末、氟化聚丙烯粉末、聚四氟乙烯粉末共混,三者相容性下降,导致接触角和力学性能均出现一定程度的下降。
由此可见,本发明提供了一种兼具低吸附特性和优良力学性能的改性聚丙烯塑料。在此基础上,以该材料为原料,可以方便地制造适于生物、医学等领域使用的移液吸头。由于该改性聚丙烯塑料具有低吸附特性,制得的移液吸头与液体接触的表面张力较低,吸取的液体样品在释放时能够完全或近乎完全地从吸头的内壁上滑落,从而显著提高移液器移取液体样品的精度。
进一步地,本发明还对实施例1至5在步骤S3中制得的氟化聚丙烯的熔融指数进行测试,测试方法参照GB/T3682-2000《热塑性塑料熔体质量流动速率和熔体体积流动速率的测定》进行,测试结果如表2所示。
表2
如表2所示,相较于未经处理的聚丙烯,经过氟化改性的聚丙烯的熔融指数均出现不同程度的上升,表明在等离子放电作用下,聚丙烯分子发生了部分β断链反应,导致分子链存在一定程度的破坏。这种破坏降低了材料的平均分子量,增加了材料中小分子链段的含量。如果以此为原料之一制造移液吸头,这些小分子链段残留在移液吸头中,带来一定的析出风险。
从熔融指数的变化来看,等离子放电仅导致聚丙烯分子链受到轻微程度的破坏。但在要求高洁净度的实验中,微量的析出也可能对实验结果造成潜在的不确定性影响。
针对上述问题,本发明进一步研究发现,在步骤S3的反应炉气氛中添加微量的一氧化氮气体,可以显著改善等离子放电对聚丙烯的破坏。本发明尝试了不同分压的氮气、氨气、一氧化氮、二氧化碳、硫化氢气体作为辅助气,具体操作如下。
步骤S1:将聚丙烯粉末加入到含有二甲苯溶剂的反应釜中,搅拌加热溶解,得到聚丙烯溶液,聚丙烯粉末与二甲苯溶剂的质量比为1:2.5,加热温度为135℃。
步骤S2:准备0℃的冰水混合物置于另一反应釜中,将步骤S1制得的聚丙烯溶液快速倒入冰水混合物中,高速搅拌至聚丙烯粉末完全析出,通过抽滤分离出固体,洗涤干燥后得到预处理聚丙烯粉末;抽滤分离得到的液体经分液后用于下一轮循环;冰水混合物中固体质量含量为55%,冰水混合物与聚丙烯溶液的质量比为15:1,搅拌速度为500rpm,搅拌时间为4min。
步骤S3:将步骤S2制得的预处理聚丙烯粉末置于真空反应炉中,先抽真空至绝压≤1.0Pa,通入惰性保护气氩气至80.0Pa,通入分压为20.0Pa的六氟丙烯气体,再通入一定分压的辅助气;通过等离子放电使聚丙烯粉末接枝含氟单体,得到氟化聚丙烯粉末;等离子放电电压为700V,放电功率为250W,以正弦振荡脉冲电场激发等离子放电,单次放电持续时间为4s,放电次数为30次。
对制得的氟化聚丙烯粉末进行测试其熔融指数,结果如表3所示。
表3
如表3所示,相较于无辅助气的方案,在不同分压的不同辅助气参与的条件下,2.0Pa和3.0Pa的一氧化氮对材料的熔融指数具有实质性的改善,使熔融指数降至接近于未经处理的聚丙烯,而其余方案未表现出明显的影响。
进一步实施如下优化案例,步骤S4:将聚丙烯粉末100质量份、步骤S3制得的氟化聚丙烯粉末70质量份、聚四氟乙烯粉末65质量份(试验例A6)、增容剂马来酸酐接枝聚乙烯2.2质量份投入到密炼机中熔融共混,得到低表面能的改性聚丙烯塑料;增容剂马来酸酐接枝聚乙烯的接枝率为1.4%,熔融共混的温度为210℃,熔融共混的时间为20min。
测得的水接触角和力学性能如表4所示。
表4
以上实施方式是示例性的,其目的是说明本发明的技术构思及特点,以便熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施,并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种疏水改性聚丙烯塑料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S1:将聚丙烯溶解在溶剂中制成热的聚丙烯溶液;
步骤S2:将步骤S1制得的聚丙烯溶液加入到冷却介质中冷却析出,得到预处理聚丙烯粉末;
步骤S3:将步骤S2制得的预处理聚丙烯粉末在惰性气保护下和六氟丙烯气体存在下进行等离子放电处理,使聚丙烯粉接枝含氟单体,得到氟化聚丙烯粉末;
步骤S4中,将聚丙烯粉末100质量份、步骤S3制得的氟化聚丙烯粉末35~80质量份、聚四氟乙烯粉末32~75质量份、增容剂马来酸酐接枝聚乙烯1.0~2.5质量份进行熔融共混,得到疏水改性聚丙烯塑料;马来酸酐接枝聚乙烯的接枝率为1.0~2.0%。
2.根据权利要求1所述的疏水改性聚丙烯塑料的制备方法,其特征在于:步骤S1中,将聚丙烯溶于二甲苯溶剂中,聚丙烯粉末与二甲苯溶剂的质量比为1:1.5~1:2.8,加热温度为130℃~135℃。
3.根据权利要求1所述的疏水改性聚丙烯塑料的制备方法,其特征在于:步骤S2中,冷却介质为0℃的冰水混合物,冰水混合物中固体质量含量为40%~60%,冰水混合物与聚丙烯溶液的质量比为15:1~10:1。
4.根据权利要求3所述的疏水改性聚丙烯塑料的制备方法,其特征在于:步骤S2中,聚丙烯溶液加入到冷却介质,按照搅拌速度为300rpm~800rpm的速度快速搅拌,搅拌时间为3min~5min,搅拌至聚丙烯粉末析出,经洗涤干燥分离得到预处理聚丙烯粉末。
5.根据权利要求1所述的疏水改性聚丙烯塑料的制备方法,其特征在于:步骤S3中,将步骤S2制得的预处理聚丙烯粉末置于密闭反应器中,抽真空至绝压≤1.0Pa,通入惰性保护气至60.0 Pa ~100.0Pa,再通入分压为15.0 Pa ~20.0Pa的六氟丙烯气体,然后进行等离子放电处理。
6.根据权利要求5所述的疏水改性聚丙烯塑料的制备方法,其特征在于:步骤S3中,等离子放电电压为550 V~900 V,放电功率为200W~250W,以正弦振荡脉冲电场激发等离子放电,单次放电持续时间为3s~5s,放电次数为20~30次。
7.根据权利要求1至6任一项所述的疏水改性聚丙烯塑料的制备方法,其特征在于:步骤S3中,预处理聚丙烯粉末等离子放电处理所采用的气氛由以下组分构成:惰性保护气分压60.0 Pa ~100.0Pa,六氟丙烯气体分压15.0 Pa ~20.0Pa,辅助气一氧化氮分压2.0Pa~3.0Pa,杂质气体分压≤1.0Pa。
8.一种疏水改性聚丙烯塑料,其特征在于:按照权利要求1至7中任一项所述的方法制得。
9.一种移液吸头,其特征在于:制造所述移液吸头的原料中包括权利要求8所述的疏水改性聚丙烯塑料。
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