等离子体对高分子材料表面作用机理

等离子体中含有多种成分,低温等离子体内部富含电子、离子、自由基和激发态分子,其中高能电子与气体分子原子发生非弹性碰撞,将能量转换成基态分子原子的内能,发生激发、离解和电离等一系列过程,使气体出于活化状态。一方面打开了气体分子键,产生一些单原子分子和固体微粒,另一方面,又产生活性极强的粒子,在这一过程中高能电子起决定性作用,其次是亚稳态粒子。

在等离子体发生区域中,有大量的带电正负离子,除此之外还有许多化学活性物质及其辐射消散而发出的不同波长的光子,用低温等离子体对高分子材料表面进行处理时,这些粒子与高分子材料表层分子相互作用。

等离子体的能量可通过光辐射、中性分子流、离子流作用于高分子材料的表面,这些粒子能量的消散过程是高分子材料表面获得改性的根本原因。当等离子体中的这些高能粒子和紫外线轰击高分子材料表面时,分子链的断裂而发生表面刻蚀、交联和等离子体聚合等作用,因此既可利用非聚合性气体对高分子材料表面进行改性,还可利用聚合性气体对高分子材料表面进行等离子体聚合和接枝,根据需要引入所需官能团,改善其表面分子结构,进而改善其表面性能。

低温等离子体对高分子材料表面的作用分为反应性等离子体的作用和非反应性等离子体的作用

反应性等离子体的作用

氧或氮等离子体是最广泛应用的反应“气体”,不仅使高分子材料发生各种结构上的变化,而且由于氧和氮原子的化学活性,可直接结合到大分子链上,从而改变高分子材料表面的化学成分。处理后的高分子材料发生的物理化学变化,大大地增加了高分子材料表面自由能,降低了表面润湿角,从而改善了高分子材料表面润湿性、粘结性、印刷性以及镀金属性等。

非反应性等离子体的作用

惰性气体或氢等离子体对高分子材料表面进行轰击后,其表面产生大分子自由基,由于自由基的加成作用,将使大分子间产生交联。这种以非反应性等离子体在高分子材料表面形成很薄的且较为紧密的交联层,专门称之为“CASING”。关于交联层的形成机理,过去有人认为是由于亚稳态的激发分子作用的结果,还有人认为是由于辐射线造成的。实际上,高分子材料表面几个单分子层的结构变化,主要是各种活性粒子的能量直接转移所做的贡献,而再深入到内部的交联,则是辐射线的能量转移发挥了作用。