等离子体表面处理技术作用原理

等离子体是一种全部或部分电离的气体状态物质,含有原子、分子、离子亚稳态和激发态,并且电子、正离子与负离子的含量大致相等,物质能量较高,易与其他物质起物理、化学和生理反应。

等离子体的作用原理等离子体中的粒子类型较多且各种粒子的性能也不一样。等离子体的能量一般为几到几十电子伏特,如电子的能量为0～20eV,离子为0～2eV,亚稳态粒子为0～20eV,紫外光/可见光为3～40eV。而聚合物中常见化学键的健能为:C-H4.3eV,C-N2.9eV,C-Cl3.4eV,C-F4.4eV,C=O8.0eV,C-C3.4eV,C=C6.1eV。等离子体中绝大部分粒子的能量均略高于这些化学键能,因此等离子体完全有足够的能量引起聚合物内的各种化学健发生断裂或重新组合。等离子体撞击材料表面时,除了将自身的能量传递给材料表层分子外,还可能引起表层刻蚀,使表面吸附的气体或其他物质的分子发生解吸;部分粒子也可能发生自溅射,一些粒子特别是电子、亚稳态粒子有可能贯穿材料内部,贯穿深度可达5～50nm;材料内部分子受撞击后,引起电子层受激发产生电子跃迁,同时引起溅射和辐射;浅表层的电子也可能逃逸到材料表面以外的空间。

等离子体对材料表面的作用有许多理论解释,如表面分子链降解理论、氧化理论、氢键理论、交联理论、臭氧化理论以及表面介电体理论等,但其对聚合物表面发生反应机理可概括为3步。1)空气中的少数自由电子在高电压电场中被加速而获得较高动能,在运动时必然会撞击到空间中的其他分子。被撞击的分子同时接收到部分能量,成为激发态分子而具有活性。2)激发态分子不稳定,又分解成自由基消耗吸收的能量;也可能离解成离子或保留其能量而停留于亚稳态。3)自由基或离子在高分子表面反应时,可形成致密的交联层;等离子体与存在的气体或单体发生聚合反应,沉积在聚合物表面形成具有可设计的涂层;等离子体与表面自由基或离子发生反应形成改性层。

等离子体对材料表面的作用类型

等离子体对材料表面的作用大致有4种:清除表面杂质;表面刻蚀;表面交联和形成具有新化学结构的表面。

1) 清除表面杂质:高聚物材料在生产加工过程中往往需要加入一定量助剂,这些物质聚集于材料表面形成杂质表层,影响材料的性能。

2) 表面刻蚀:刻蚀使材料表面产生起伏,变得粗糙,并有键的断裂,因此刻蚀对提高高聚物材料的粘附性、吸湿性等均有明显作用。但是过度刻蚀会使基体材料的力学性能等受到破坏。

3) 表面交联:等离子体中的高能粒子通过轰击或化学反应,使高聚物材料表面的C-H、C-C等键断裂,形成自由基。自由基之间重新键合,在材料表面形成网状交联结构,使材料的力学性能、表面性能等得到改善。

4) 形成新化学结构:当放电气体为N2、O2、C2H4、CO2、NF3等可反应性气体时,将会在材料表面发生化学反应,形成新的化学结构。

等离子体表面处理技术正以其优越性在高聚物材料表面改性方面得到越来越广泛的应用。