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等離子體射流處理改性原理

Jan. 16, 2025

近些年,利用等離子體射流對(duì)材料表面進(jìn)行改性已成為等離子體領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一,在新能源、半導(dǎo)體、農(nóng)業(yè)及醫(yī)療等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。等離子體材料表面改性是通過(guò)等離子體的高活性引發(fā)物理或化學(xué)反應(yīng),從而改變材料表面的化學(xué)成分或物理結(jié)構(gòu)進(jìn)而提高材料表面性能的技術(shù)。

等離子體射流中含有豐富的離子、電子、激發(fā)態(tài)原子及分子,由于這些活性粒子的存在使得傳統(tǒng)手段無(wú)法進(jìn)行處理的表面改性在等離子體的作用下更容易發(fā)生。在等離子體表面改性過(guò)程中,通過(guò)調(diào)節(jié)注入粒子的能量,可以獲得高活性反應(yīng)粒子,能夠摒棄傳統(tǒng)熱力學(xué)規(guī)律的高溫過(guò)程,實(shí)現(xiàn)低溫合成反應(yīng),且反應(yīng)過(guò)程無(wú)污染,有利于環(huán)境保護(hù)。

等離子體射流處理改性原理

等離子體射流中的離子、電子、激發(fā)態(tài)原子和分子等活性粒子在作用于材料表面時(shí),會(huì)將粒子本身攜帶的能量傳輸給材料表面的原子和分子,并發(fā)生一系列的物理化學(xué)過(guò)程,如圖1-1所示。

等離子體材料表面改性原理

圖1 等離子體材料表面改性原理 

表1-1和表1-2給出了低溫等離子體中的基本粒子的能量范圍和有機(jī)物中常見(jiàn)分子的鍵能。可以看出,有機(jī)物材料中常見(jiàn)分子的鍵能僅有幾個(gè)電子伏特,但是在等離子體射流中,基本粒子(離子、電子、光子等)的能量都超過(guò)了它們的結(jié)合能。因此當(dāng)這些高活性粒子在作用于材料表面后,其表面的C=C、C-F、C-N等化學(xué)鍵會(huì)被破壞,從而為接枝其他官能團(tuán)、單體做好準(zhǔn)備。另外,在經(jīng)歷高能粒子轟擊后,材料表面也會(huì)生成許多有力的自由基,這些自由基也會(huì)參與到下一步的反應(yīng)中。材料經(jīng)等離子體處理后,由于激發(fā)態(tài)粒子會(huì)被引入到材料表面,使得材料的表面性能發(fā)生改變,具體體現(xiàn)為材料表面會(huì)經(jīng)歷活化過(guò)程,當(dāng)表面分子的化學(xué)鍵被破壞后會(huì)生成大分子自由基,使得材料表面呈現(xiàn)出反應(yīng)活性。在活性化的材料表面,因吸附作用沉積在其表面的等離子體中的中性粒子與自由基反應(yīng)形成薄膜;或者其表面自由基之間發(fā)生再結(jié)合,從而生成一層緊密的網(wǎng)狀交聯(lián)層。這些結(jié)構(gòu)一定意義上能夠提高材料的比表面積,且有助于材料表面性能的改善。

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同時(shí),在等離子體射流的作用下,材料表面會(huì)發(fā)生刻蝕,從而導(dǎo)致其表面的粗糙度發(fā)生改變。在等離子體改性的過(guò)程中,待處理材料被置于等離子體射流中,射流中的活性粒子會(huì)快速地碰撞到材料表面,并對(duì)其進(jìn)行刻蝕,造成材料表面的粗糙度增大,從而使得材料表面的親水性、染色性及抗靜電性等性能得到提升。材料表面在經(jīng)等離子體處理后形成刻蝕的原因主要分兩種:一方面,高分子材料由多種單體聚合而成,當(dāng)其表面受到高能粒子轟擊時(shí),單體間互連的化學(xué)鍵會(huì)被打斷,從而脫落形成大量自由基,材料表面也因單體的脫落形成了許多凹坑。另一方面,高分子材料表面具有疏松無(wú)序性,因此會(huì)呈現(xiàn)出強(qiáng)度不均勻的現(xiàn)象,在經(jīng)等離子體處理后,由于高能粒子的撞擊會(huì)使得強(qiáng)度較弱的部分形成凹坑。

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