等離子體是一種全部或部分電離的氣體狀態(tài)物質,含有原子、分子、離子亞穩(wěn)態(tài)和激發(fā)態(tài),并且電子、正離子與負離子的含量大致相等,物質能量較高,易與其他物質起物理、化學和生理反應。
等離子體的作用原理等離子體中的粒子類型較多且各種粒子的性能也不一樣。等離子體的能量一般為幾到幾十電子伏特,如電子的能量為0～20eV,離子為0～2eV,亞穩(wěn)態(tài)粒子為0～20eV,紫外光/可見光為3～40eV。而聚合物中常見化學鍵的健能為:C-H4.3eV,C-N2.9eV,C-Cl3.4eV,C-F4.4eV,C=O8.0eV,C-C3.4eV,C=C6.1eV。等離子體中絕大部分粒子的能量均略高于這些化學鍵能,因此等離子體有足夠的能量引起聚合物內的各種化學健發(fā)生斷裂或重新組合。等離子體撞擊材料表面時,除了將自身的能量傳遞給材料表層分子外,還可能引起表層刻蝕,使表面吸附的氣體或其他物質的分子發(fā)生解吸;部分粒子也可能發(fā)生自濺射,一些粒子特別是電子、亞穩(wěn)態(tài)粒子有可能貫穿材料內部,貫穿深度可達5～50nm;材料內部分子受撞擊后,引起電子層受激發(fā)產生電子躍遷,同時引起濺射和輻射;淺表層的電子也可能逃逸到材料表面以外的空間。
等離子體對材料表面的作用有許多理論解釋,如表面分子鏈降解理論、氧化理論、氫鍵理論、交聯(lián)理論、臭氧化理論以及表面介電體理論等,但其對聚合物表面發(fā)生反應機理可概括為3步。1)空氣中的少數自由電子在高電壓電場中被加速而獲得較高動能,在運動時必然會撞擊到空間中的其他分子。被撞擊的分子同時接收到部分能量,成為激發(fā)態(tài)分子而具有活性。2)激發(fā)態(tài)分子不穩(wěn)定,又分解成自由基消耗吸收的能量;也可能離解成離子或保留其能量而停留于亞穩(wěn)態(tài)。3)自由基或離子在高分子表面反應時,可形成致密的交聯(lián)層;等離子體與存在的氣體或單體發(fā)生聚合反應,沉積在聚合物表面形成具有可設計的涂層;等離子體與表面自由基或離子發(fā)生反應形成改性層。
等離子體對材料表面的作用類型
等離子體對材料表面的作用大致有4種:清除表面雜質;表面刻蝕;表面交聯(lián)和形成具有新化學結構的表面。
1) 清除表面雜質:高聚物材料在生產加工過程中往往需要加入一定量助劑,這些物質聚集于材料表面形成雜質表層,影響材料的性能。
2) 表面刻蝕:刻蝕使材料表面產生起伏,變得粗糙,并有鍵的斷裂,因此刻蝕對提高高聚物材料的粘附性、吸濕性等均有明顯作用。但是過度刻蝕會使基體材料的力學性能等受到破壞。
3) 表面交聯(lián):等離子體中的高能粒子通過轟擊或化學反應,使高聚物材料表面的C-H、C-C等鍵斷裂,形成自由基。自由基之間重新鍵合,在材料表面形成網狀交聯(lián)結構,使材料的力學性能、表面性能等得到改善。
4) 形成新化學結構:當放電氣體為N2、O2、C2H4、CO2、NF3等可反應性氣體時,將會在材料表面發(fā)生化學反應,形成新的化學結構。
等離子體表面處理技術正以其性在高聚物材料表面改性方面得到越來越廣泛的應用。
