等离子体处理改性材料表面

等离子体(Plasma)是一种区别于固、液、气三态的“第四态”物质,一般是由电子、正负离子、自由基和各种活性基团组成。因其整个体系正负电荷数量相等,所以在宏观上不显电性。

在诸多界面改性方法中,等离子体处理法的发展迅速,近几年在各个领域得到了广泛应用,包括改善材料表面润湿性能、材料表面纳米加工、生物组织表面灭菌消毒、催化剂表面处理等。等离子体处理技术能够改变材料表面的性能,使其功能化的同时对材料性质几乎没有影响,因此适用于很多领域。

等离子体按来源分类可分为自然界等离子体、天体等离子体、空间等离子体、人工等离子体;按温度分类可分为:高温等离子体(核聚变10000度以上)、低温等离子体(等离子体密度远大于108-1013cm-3)、热等离子体(电子温度等于离子温度,又称平衡等离子体)和冷等离子体(电子温度不等于离子温度,又称非平衡等离子体)。按气压分类可分为大气压等离子体、低压等离子体(又称真空等离子体)。在不同的气氛下进行等离子体处理会有不同的效果,常见的等离子体处理气氛包括氧气、氮气、氩气、一氧化碳等,在这些其他能够在塑料或木材表面引入-OH、-COOH、-NH2等官能团,也可根据需要在气体中混入其他气体,将新的元素引入材料的表面,如在气氛中通入含氟气体进行等离子体处理可以使材料表面将发生氟化。在这些特殊气氛下进行等离子体处理,需要先进行抽真空处理再通入所需气体,因此非常耗费时间和能源,处理材料的大小也受等离子体处理机大小的限制,难实现连续性,应用在工业生产的等离子体处理技术一般为大气等离子体处理技术,无需预先进行抽真空处理,直接在空气中进行,对材料的幅面几乎没有限制,因此更适于工业化。

目前,等离子体处理技术已经广泛应用于工业生产的各个领域,如对材料表面进行刻蚀(半导体),清洗,镀膜,沉积,喷涂等表面处理;医学上利用等离子体处理进行杀菌消毒,种子处理,织物疏水处理等;环境领域利用等离子体处理来对各类废弃物进行处理等等。应用等离子体处理技术后,材料表面极薄的一层通常会同时发生多种变化,但材料的基底成分与主要性能则几乎不受影响。与传统的打磨工艺相比,等离子体技术工艺流程简单、操作方便、可在线高速连续处理。等离子体作用于高分子材料表面会产生刻蚀、氧化、分解、交联、接枝和聚合等作用,从而改善材料的亲水性、疏水性、黏接性和生物适应性等,已被广泛用于聚烯烃塑料、医药、陶瓷等高分子材料的表面预处理。等离子体处理技术表面处理深度仅为表面极薄一层,为几纳米到几百纳米,但能使界面性能发生显著改变,它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;形成具有新化学结构的表面,等离子体使材料表面性能发生改变的主要原因是等离子体中含有大量高活性物质、高能粒子,处理时也会对材料表面产生紫外线辐射,等离子体不同,产生的变化截然不同,有时因高能粒子的轰击而发生表面刻蚀,有时因能量的传递而使材料表面基团活化,引入新的基团,发生化学变化。