低溫等離子體改性原理及方法

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)表時間：2023-08-09

物質(zhì)由于外部能量（高溫、加速電子、加速離子等）而被離解成陰、陽荷電粒子和自由基的狀態(tài)稱為等離子體。等離子體由電子、正負(fù)離子、激發(fā)態(tài)原子、分子和自由基等混雜組成，具有活潑化學(xué)反應(yīng)活性。
根據(jù)等離子體中電子和離子能量狀態(tài)分為高溫等離子體和低溫等離子體。放電形成等離子體時，電子在電場中被加速，成為高能電子，高能電子與氣體分子碰撞使之發(fā)生電離，電子溫度Te與離子溫度Ti相近，即Te≈Ti稱為平衡等離子體或高溫等離子體，電子溫度Te遠(yuǎn)高于離子溫度Ti的稱為非平衡等離子體或低溫等離子體。

低溫等離子體改性原理

低溫等離子體中的粒子類型較多且各種粒子的性能不一樣，但研究表明對材料表面起反應(yīng)的主要是電子，其次是亞穩(wěn)態(tài)粒子等。等離子體粒子的能量一般約為幾個到幾十個電子伏特，如電子的能量為0-20eV，離子的能量為0-2eV，亞穩(wěn)態(tài)粒子的能量為0-20eV，紫外光/可見光的能量為3-40eV。聚合物中常見化學(xué)鍵的鍵能為：C-H：4.3eV；C-N：2.9eV；C-F：4.4eV；C=O：98.0eV；C-C：3.4eV。由此可見，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，在等離子體活性粒子作用下，高分子材料表面會發(fā)生分子鍵斷鍵、形成自由基等一系列反應(yīng)，并進(jìn)而誘發(fā)接枝、聚合等反應(yīng)，在材料表面引入功能性官能團(tuán)，接枝聚合物。

低溫等離子體改性方法

低溫等離子體改性材料的方法主要有：等離子體處理，等離子體聚合以及等離子體接枝聚合。

（1）等離子體處理是通入反應(yīng)氣體，此氣體一般為非聚合性氣體，在一定條件下產(chǎn)生等離子體，對轟擊暴露在等離子體中的材料表面進(jìn)行處理，，在材料表面形成新的官能團(tuán)和改變材料表面結(jié)構(gòu)，從而改善親水性或者疏水性、粘合性、表面電化學(xué)性能、光學(xué)性能以及生物相容性能等。但是在處理后會出現(xiàn)即時性的特點(diǎn)。改性效果并不穩(wěn)定。

（2）等離子體聚合是指在有機(jī)蒸汽中生成等離子體，形成的氣相會反應(yīng)生成為自由基形式，極容易在固體表面吸附，有部分自由基會與表面反應(yīng)，成為表面自由基，之后與通入的反應(yīng)性的氣相單體，或者是等離子體所產(chǎn)生的單體衍生物，發(fā)生聚合反應(yīng)從而有高分子的聚合物薄膜生成。這種方法需要聚合的有機(jī)單體具有一定的揮發(fā)性，而且對通常采用的RF等離子體發(fā)生裝置的內(nèi)電極會造成污染。這兩種等離子體處理的方法，各自有其優(yōu)缺點(diǎn)。等離子體表面處理的方法在處理上較為簡便易操作但是無法引入活性基團(tuán)。等離子體聚合的方法單體的選擇性大可以引入特定的活性基團(tuán)，以賦予高分子材料表面各種性能。在經(jīng)等離子活化而生成的表面自由基位置，能夠進(jìn)一步加成特定官能團(tuán)，但聚合形成的薄膜往往會因為內(nèi)應(yīng)力而產(chǎn)生卷曲和破裂。

（3）等離子體接枝聚合是指先對材料表面進(jìn)行等離子體處理，利用表面產(chǎn)生的活性自由基引發(fā)具有功能性的單體在材料表面進(jìn)行接枝共聚。等離子體接枝聚合能彌補(bǔ)等離子體處理和等離子體聚合的不足。雖然這種方法的優(yōu)勢明顯，但是接枝的條件，預(yù)處理需要探討，大量實(shí)驗得到，而且接枝的成功率決定了聚合的關(guān)鍵。

低溫等離子體對材料表面的改性方式很靈活，使用不同的氣體及揮發(fā)性化合物，可以獲得更廣泛的表面化學(xué)組成。且反應(yīng)溫度低，適于對熱敏感的高分子材料進(jìn)行表面改性。其特點(diǎn)是處理的表面深度非常淺，約幾十nm，不影響材料本體性能，且工藝簡單，無需化學(xué)試劑。