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行碰撞，適當的控制等離子體的理化條件，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,低溫等離子體技術可以在不損害基底優良性能的同時,引入極性基團,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,和傳統的化學濕法相比,它可以得到傳統的化學方法難以得到的處理效果,并且無廢棄物,不會對環境造成污染。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千埃的范圍內,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,對被處理材料的形狀沒有嚴格的要求,并且可以在線連續處理。

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

表1-1 聚合物中有代表性化學鍵的鍵能

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、激發態分子、自由基等多種活性粒子。這些活性粒子能與材料表面進行各種相互作用。低溫等離子體對高分子材料的表面改性作用主要包括以下幾點：

1、對材料表面的刻蝕作用

刻蝕可以將材料表面弱邊界除去，使材料表面產生起伏，變粗糙，并有鍵的斷裂，形成自由基。因為刻蝕作用，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關系。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。亦即當接觸角0<90°時表面粗糙化將使接觸角θ變小從而有利于潤濕，此即表面粗糙化可提高濕潤性能的基本原理。

2、交聯的產生

惰性氣體等離子體與高分子材料表面接觸,可使表面產生交聯結構。等離子體中的高能粒子包括電子、光子、激發態粒子、自由基等通過轟擊或化學反應,使材料表面的化學鍵斷裂,形成自由基。在無其他反應物質情況下,自由基之間重新鍵合,在材料表面形成網狀交聯結構。

3、官能團的引入

如果放電氣體為可反應性氣體,在活化了的材料表面將會發生復雜的化學反應。通過低溫等離子體處理在表面引入特定的官能團，如羥基—OH、氨基—NH2、羚羧基一COOH、酰胺基—CONH等，它們對水分子有相當的親和能力。在高分子結構中，這類基團數目越多，親水性越強，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，不會對材料本體產生任何影響，對環境友好，無污染。通過改變材料的表面層微結構、表面層物理性質以及表面層化學特性，在高性能材料、復合材料和醫用材料等研究領域提供了新的解決方案。