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(shí)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(shí)，電子在電場(chǎng)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(duì)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(gè)到幾十個(gè)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(huì)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(duì)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(huì)出現(xiàn)即時(shí)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(huì)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(huì)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(duì)通常采用的RF等離子體發(fā)生裝置的內(nèi)電極會(huì)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(jiǎn)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(huì)因?yàn)閮?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(duì)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(shì)明顯，但是接枝的條件，預(yù)處理需要探討，大量實(shí)驗(yàn)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(duì)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(duì)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(jiǎn)單，無需化學(xué)試劑。