等离子体处理与材料表面润湿性

等离子体是除固体、液体、气体之外的第四种物质的形态(如图1-1)。简单地可理解为,固体受热融化为液体,液体受热蒸发为气体,气体受热激发为离子态转变为等离子体。与传统三种形态的最小构成单位是原子所不同的是,等离子体是由比原子更小的带正电的原子核、带负电的核外电子、不带电的中子及分子自由基等粒子组成,但整个区域是呈电中性的。等离子体有着许多独特的物理化学性质,在工业生产与日常生活中已得到广泛的应用,比如等离子喷涂、刻蚀、显影、垃圾焚烧、污水净化、废气处理等等。

一般将等离子体按温度分为高温等离子体(106~108K)和低温等离子体(3×102~105K),等离子体改性表面处理常采用的就是低温等离子体,低温等离子体改性处理有较多优点,无污染、效率高,在室温下进行,反应条件温和,可控性强,可以处理复杂形状基底表面,且不改变基材的整体力学性能,特别适应于聚合物材料表面。

等离子体处理时,因为等离子体富含大量带电粒子,在外加电场的作用下,带电粒子在库伦力作用下运动,以直线或曲线运动轰击被处理表面,使表面的微观形貌产生变化;此外,因大量带电粒子聚集在基材表面,使得处理后的表面化学活性明显增强,表面容易与空气中的成分特别是电负性较强的氧气发生反应生成新的化学基团。由表面形貌与化学成分所决定的相关性能因此发生变化,这两方面综合作用构成等离子体表面改性的基本原理。

近年来,使用等离子体处理表面改性的研究还主要集中在材料的表面润湿性上。润湿性是指液体在固体表面的铺展能力,材料的表面润湿性是固体表面的重要特性之一,通过转变材料表面的亲疏水性能,可以实现材料表面的润滑、防水、自清洁的能力,从而提高现有材料的应用性能,拓展材料的应用领域。

研究表明,等离子体处理可以在不改变材料整体性能的情况下,有效转变各类基材表面的润湿性能。一方面等离子改性能够对材料表面产生物理刻蚀,增加了表面粗糙度,提高表面润湿性。另一方面适当选择等离子体源和操作参数有助于在材料表面形成不同的官能团(如用氨或氧等离子体处理可在材料表面生成胺基或羧基)，可以调整材料表面的润湿性。

等离子体处理简单便捷，但经等离子体处理获得的润湿性不是永久的，即随着时间的变化，样品表面将会恢复疏水性。