等離子處理

低溫等離子處理是通過等離子體氛圍中由電子、離子和中性粒子組成的中性集合體與被處理材料的表面進(jìn)行碰撞，適當(dāng)?shù)目刂频入x子體的理化條件，將等離子體自身的能量傳遞給材料表面的分子或者原子，按照需求改變高分子材料的表面性能和改變材料的表面粗糙度。

表面能低是聚合物材料的一大特點(diǎn),低溫等離子體技術(shù)可以在不損害基底優(yōu)良性能的同時(shí),引入極性基團(tuán),增加表面粗糙程度,提高表面能。低溫等離子體表面處理屬于干式工藝,和傳統(tǒng)的化學(xué)濕法相比,它可以得到傳統(tǒng)的化學(xué)方法難以得到的處理效果,并且無(wú)廢棄物,不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。與高能量的放射線和電子束輻照處理相比,其獨(dú)特之處在于低溫等離子體放電表面處理的作用僅涉及表面極薄層,一般在離表面幾十到數(shù)千埃的范圍內(nèi),能使材料表面性能顯著改善而材料本體卻不受影響。此外低溫等離子體表面處理所需的成本低,對(duì)被處理材料的形狀沒有嚴(yán)格的要求,并且可以在線連續(xù)處理。

由于低溫等離子體中粒子能量的參數(shù)范圍為:電子0~20ev:亞穩(wěn)態(tài)粒子0~2ev;離子0.03~0.05ev。而聚合物中常見化學(xué)鍵的鍵能如表1-1所示:

表1-1 聚合物中有代表性化學(xué)鍵的鍵能

化學(xué)鍵	鍵能（ev）	化學(xué)鍵	鍵能（ev）	化學(xué)鍵	鍵能（ev）
H-C	3.2-4.7	C=C	3.3-7.5	C=O	5.5
H-N	2.1-4.7	C≡C	10	N-N	0.4-2.9
H-O	3.4-5.2	C-N	1.2-3.1	O-O	1.6-2.5
C-C	2.6-5.2	C-O	0.95-3.0	O-N	1.0-2.2

由表可見,低溫等離子體中絕大部分粒子的能量除離子稍低外均高于這些聚合物中化學(xué)鍵的鍵能,低溫等離子體完全可以使高分子材料表面的鍵產(chǎn)生斷裂而形成新鍵,從而賦予材料表面新的特性。

低溫等離子體中含有大量的離子、激發(fā)態(tài)分子、自由基等多種活性粒子。這些活性粒子能與材料表面進(jìn)行各種相互作用。低溫等離子體對(duì)高分子材料的表面改性作用主要包括以下幾點(diǎn)：

1、對(duì)材料表面的刻蝕作用

刻蝕可以將材料表面弱邊界除去，使材料表面產(chǎn)生起伏，變粗糙，并有鍵的斷裂，形成自由基。因?yàn)榭涛g作用，樣品表面粗化，形成許多坑洼，增大了樣品的比表面。根據(jù)Wenzel公式cosθ_r=rcosθ_e(其中r為表面粗糙度，θ_r為粗糙表面的接觸角，θ_e為理想光滑表面的接觸角)，可知粗糙表面的接觸角和理想光滑表面的接觸角的相應(yīng)關(guān)系。由于r總是大于1，所以粗糙表面的接觸角θ_r總比光滑表面的接觸角θ_e要小。亦即當(dāng)接觸角0<90°時(shí)表面粗糙化將使接觸角θ變小從而有利于潤(rùn)濕，此即表面粗糙化可提高濕潤(rùn)性能的基本原理。

2、交聯(lián)的產(chǎn)生

惰性氣體等離子體與高分子材料表面接觸,可使表面產(chǎn)生交聯(lián)結(jié)構(gòu)。等離子體中的高能粒子包括電子、光子、激發(fā)態(tài)粒子、自由基等通過轟擊或化學(xué)反應(yīng),使材料表面的化學(xué)鍵斷裂,形成自由基。在無(wú)其他反應(yīng)物質(zhì)情況下,自由基之間重新鍵合,在材料表面形成網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)。

3、官能團(tuán)的引入

如果放電氣體為可反應(yīng)性氣體,在活化了的材料表面將會(huì)發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。通過低溫等離子體處理在表面引入特定的官能團(tuán)，如羥基—OH、氨基—NH2、羚羧基一COOH、酰胺基—CONH等，它們對(duì)水分子有相當(dāng)?shù)挠H和能力。在高分子結(jié)構(gòu)中，這類基團(tuán)數(shù)目越多，親水性越強(qiáng)，材料表面的吸濕能力越高。

低溫等離子處理表面的厚度僅由幾納米到幾十納米，不會(huì)對(duì)材料本體產(chǎn)生任何影響，對(duì)環(huán)境友好，無(wú)污染。通過改變材料的表面層微結(jié)構(gòu)、表面層物理性質(zhì)以及表面層化學(xué)特性，在高性能材料、復(fù)合材料和醫(yī)用材料等研究領(lǐng)域提供了新的解決方案。