Plasma處理會對材料表面產(chǎn)生哪些作用？

文章出處：等離子清洗機(jī)廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時(shí)間：2023-03-15

等離子體（plasma）由諾貝爾化學(xué)獎得主歐文·朗繆爾(IrringLangmuir)于1928年首次提出，用來描述氣體放電管里的物質(zhì)。如圖1.1所示，等離子體（plasma）是繼固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三態(tài)以外的第四種物質(zhì)狀態(tài)，是在特定條件下使氣體部分電離而產(chǎn)生的非凝聚體系，由中性的原子或分子、激發(fā)態(tài)的原子或分子、自由基、電子或負(fù)離子、正離子及輻射光子組成，且整體上表現(xiàn)為近似電中性的電離氣體。當(dāng)物質(zhì)在氣態(tài)下，進(jìn)一步獲得能量，原子的外層電子將擺脫原子核的束縛變成自由電子，失去電子后原子變成了帶正電的離子，發(fā)生電離過程，而等離子體（plasma）就是這種高度電離的狀態(tài)。無論在組成還是在性質(zhì)上，等離子體（plasma）與普通氣體有著本質(zhì)的區(qū)別。首先，它是一種導(dǎo)電流體，而又可以在與氣體體積相比擬的宏觀尺度內(nèi)維持電中性。其次，作為一個(gè)帶電粒子系，其運(yùn)動行為會受到磁場的影響和支配。再者，等離子體（plasma）中的電子、離子以及中性粒子之間會發(fā)生各種類型的相互作用，電離氣體中的帶電粒子間存在的庫侖力使得比理想氣體中粒子間的相互作用復(fù)雜得多。

圖1.1 等離子體（plasma）狀態(tài)示意圖-NAENPLASMA

Plasma處理作用原理

等離子體（plasma）處理主要是利用氬氣、氧氣、氮?dú)獾确蔷酆闲詿o機(jī)氣體的等離子體（plasma），當(dāng)它們作用于高分子材料表面時(shí)，就會在材料表面產(chǎn)生物理或化學(xué)反應(yīng)。參與反應(yīng)的粒子很多，不僅有自由基、激發(fā)態(tài)的分子以及離子，可以生成新的官能團(tuán)，也包括等離子體（plasma）輻射紫外光的作用，促使某些反應(yīng)的發(fā)生?？梢酝ㄟ^光輻射、中性分子流和離子流作用，讓等離子體（plasma）的能量作用在材料表面。

Plasma處理對材料表面作用方式

等離子體（plasma）對高分子材料的作用過程，通常比較復(fù)雜，有可能是在表面引入了特定官能團(tuán)，使得材料具有其它性能，或者生成了表面自由基或者形成了交聯(lián)結(jié)構(gòu)層，或者產(chǎn)生了表面刻蝕，讓其它基團(tuán)暴露，通常這些作用都不是單一的，而是以某種作用為主，多種作用共同存在。

1）表面刻蝕（plasma etching）
等離子體（plasma）表面處理會對高分子材料產(chǎn)生刻蝕作用，大體上有兩個(gè)原因，一是等離子體（plasma）中的電子、離子等活性粒子撞擊材料表面時(shí)，會引起濺射侵蝕，二是等離子體（plasma）中的化學(xué)活性種的活性很強(qiáng)，通常會對材料表面產(chǎn)生化學(xué)侵蝕。這樣固體與等離子體（plasma）態(tài)的氣體發(fā)生反應(yīng)，生成了新的氣體，從而改變了固體表面物理性質(zhì)。反應(yīng)類型如下：A（s）+B(g)→C（g）。等離子體（plasma）中存在很多高能粒子，它們會使材料表面變得粗糙，材料的比表面積也增加了，材料的粘合性、潤絲性等也得到了提高。

2）生成自由基
利用非聚合性氣體的等離子體（plasma）作用于高分子材料表面，大分子可以得到活性粒子的能量，或者是受到等離子體（plasma）輻射能的照射，大分子會在材料的表面產(chǎn)生自由基。

新產(chǎn)生的自由基通常還可以繼續(xù)反應(yīng)，各種官能團(tuán)的引入、形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)的表面層，或者與其它高分子單體發(fā)生反應(yīng)形成表面的接枝層。

3）引入各種官能團(tuán)
通過高能電子的撞擊以及紫外光的激發(fā)，會使得被處理材料的表面分子鏈發(fā)生斷裂，大量的自由基從而產(chǎn)生，而它們中的一部分會繼續(xù)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，比如通過自由基與氧氣發(fā)生反應(yīng)：R·+O2→含氧基團(tuán)（-OH，—OOH等）。或者是它們接觸空氣后與空氣中的反應(yīng)氣體發(fā)生進(jìn)一步的化學(xué)反應(yīng)，可以引入各種官能團(tuán)。特定的官能團(tuán)還可以通過采用其它的工作氣體來引入，這樣在材料表面就會出現(xiàn)一些新的狀態(tài)，它們與之前的狀態(tài)完全不同。高分子材料表面的憎水性也會得到不同程度的改變。反應(yīng)類型為A（s）+B(g)→C（s）。這種反應(yīng)會在固體表面生成新的化合物，是改變固體表面化學(xué)性質(zhì)的反應(yīng)，所以稱為固體表面改質(zhì)。

4）交聯(lián)反應(yīng)
在被plasma處理的材料表面，常常會生成一種非常致密的交聯(lián)層，主要是由于部分自由基也會相互發(fā)生反應(yīng)，這種交聯(lián)層可以強(qiáng)化表面層，對防止老化是有幫助的，也有助于材料耐磨性的提高、耐化學(xué)品性和黏著性也有所增強(qiáng)，還可以防止添加劑的滲出，可以起到保護(hù)材料體相的作用。

在被等離子體（plasma）處理的高分子材料表面常常伴隨兩種作用，生成的自由基存在引入官能團(tuán)和交聯(lián)反應(yīng)的競爭與平衡，如果沒有生成極性基團(tuán)只在高分子材料表面發(fā)生交聯(lián)，那么材料的潤濕性能不會有所改善，而材料的粘著性有所提高。