等離子體是一種全部或部分電離的氣體狀態(tài)物質(zhì),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(fù)離子的含量大致相等,物質(zhì)能量較高,易與其他物質(zhì)起物理、化學(xué)和生理反應(yīng)。
等離子體的作用原理等離子體中的粒子類(lèi)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(jiàn)光為3～40eV。而聚合物中常見(jiàn)化學(xué)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(xué)鍵能,因此等離子體有足夠的能量引起聚合物內(nèi)的各種化學(xué)健發(fā)生斷裂或重新組合。等離子體撞擊材料表面時(shí),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(zhì)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(nèi)部,貫穿深度可達(dá)5～50nm;材料內(nèi)部分子受撞擊后,引起電子層受激發(fā)產(chǎn)生電子躍遷,同時(shí)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(duì)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(duì)聚合物表面發(fā)生反應(yīng)機(jī)理可概括為3步。1)空氣中的少數(shù)自由電子在高電壓電場(chǎng)中被加速而獲得較高動(dòng)能,在運(yùn)動(dòng)時(shí)必然會(huì)撞擊到空間中的其他分子。被撞擊的分子同時(shí)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(yīng)時(shí),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(yīng),沉積在聚合物表面形成具有可設(shè)計(jì)的涂層;等離子體與表面自由基或離子發(fā)生反應(yīng)形成改性層。
等離子體對(duì)材料表面的作用類(lèi)型
等離子體對(duì)材料表面的作用大致有4種:清除表面雜質(zhì);表面刻蝕;表面交聯(lián)和形成具有新化學(xué)結(jié)構(gòu)的表面。
1) 清除表面雜質(zhì):高聚物材料在生產(chǎn)加工過(guò)程中往往需要加入一定量助劑,這些物質(zhì)聚集于材料表面形成雜質(zhì)表層,影響材料的性能。
2) 表面刻蝕:刻蝕使材料表面產(chǎn)生起伏,變得粗糙,并有鍵的斷裂,因此刻蝕對(duì)提高高聚物材料的粘附性、吸濕性等均有明顯作用。但是過(guò)度刻蝕會(huì)使基體材料的力學(xué)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(guò)轟擊或化學(xué)反應(yīng),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(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu),使材料的力學(xué)性能、表面性能等得到改善。
4) 形成新化學(xué)結(jié)構(gòu):當(dāng)放電氣體為N2、O2、C2H4、CO2、NF3等可反應(yīng)性氣體時(shí),將會(huì)在材料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成新的化學(xué)結(jié)構(gòu)。
等離子體表面處理技術(shù)正以其性在高聚物材料表面改性方面得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
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