等离子体表面处理对材料表面作用的机理

等离子体与材料表面处理过程中有很多不同类型的反应,通过这些反应有可能在表面生成自由基,引入官能团,产生表面侵蚀,形成交联结构层及刻蚀作用等。需要指出的是,这些作用一般不是单一的,往往某些作用为主,几种作用并存。而正是由于这些作用过程决定了等离子体表面处理的有效性。

1、表面自由基的生成

等离子体表面处理能有效地使聚合物材料表面层中产生大量的自由基,无论惰性气体等离子体还是活性气体等离子体,只要与高分子材料短时间数十秒到几分钟接触,这种作用即很明显,以O2等离子体为例,具体过程大致如见下式所示,其中必定存在许多活性种。

O2→Hv+e+02++O2+O2*+Og+L

Hv为等离子体辐射的紫外光,O2*表示激发态氧分子。等离子体中的这些活性种与聚合物材料表面产生一些自由基的反应。此外,等离子体放电过程中产生的紫外线也能生产自由基,这是由于紫外线的穿透性放射能引发了自由基的形成。

2、表面官能团及交联层的生成

在经等离子体处理活化的高分子材料表面上自由基能够加成特定的官能基团。例如有H2、N2、NH3、等离子体作用生成的氨基可导入高分子表面。

通过等离子体表面处理,在高分子材料表面引入特定的官能团表面原来特性完全不同的表面状态。

综上所述,聚合物材料表面经极短时间等离子体化学处理,润湿和薪结等特性即被改善。其原因大多认为是聚合物材料表面等离子体作用引发自由基反应,表面生成不饱和基团,发生交联,引入亲水基团等复合性作用的效果。此外,荷电粒子的物理作用也使表面发生变化,但不是起控制作用的因素。

等离子体处理使用的气体无论是氦、氨之类的非氧化性气体,还是氧气之类的氧化性气体,由于最终残留自由基的作用,通过与空气接触,在表面都会形成亲水基团。自由基的发生是等离子体中的电子、离子、中性粒子等荷电粒子作用的结果,同时等离子体放射出的紫外线所起的作用也很大。一般等离子体表面改性是物理、化学以及光化学各因素共向作用的结果,并非单一因素作用的结果。而且等离子体处理的表面不但在处理中,就是在处理也会继续与大气中的氧等介质进行相当长时间的后反应。在活化的聚合物材料表面引入特定的官能团是等离子体化学处理的特点。

在等离子体与高分子材料表面反应中最重要的,与润湿性、黏结性等实用性密切相关的是含氧基团的生成。尽管高分子材料结构各异,但等离子体处理后表面形成同样的化学结构,这说明惰性气体对聚合物材料高分子最外层的2-3层分子层发生交联反应的能力较大特别是氦等离子体扩散速度大,按离子中和机理对表面传递高能量的能力很大,于是在氧化反应前先发生了表面层的交联,交联后所形成的表面结构基本类似。

3、蚀刻与粗化面的形成

等离子体中的电子、离子、激发态基团等荷电粒子对材料表面的一些物理影响很容易观察到。也就是说电子、离子等基团都具有一定的动能,当它们打击高分子材料表面时,由于多数聚合物是碳原子或含其他杂原子的结构,因此就会在材料表面产生溅射蚀刻的效果,对其结构有着明显的改性作用,产生一些易挥发的不稳定化合物并伴有表面功能化的过程。

用反应性气体等离子体处理时,附着在材料表面的污染物质或低分子化合物通过与等离子体中的化学活化基团反应从表面除去,材料表面产生凹凸,使材料表面形状发生变化。表面凹凸增大对粘接有利,使粘接强度增大。