大气射流等离子体处理技术

等离子体处理近年来引起了许多研究兴趣,等离子体具有带高电荷的粒子(电子、离子和中性原子),通过单电子与气体原子和分子解离并形成载流子导致其电离等来激发、电离或破坏反应物分子,产生一系列的蚀刻、聚合、交联等复杂的物理和化学效应。等离子体根据等离子体所处温度范围分为高温等离子体和低温等离子体,高温等离子体通常温度在106~108K,低温等离子体只有102~105K,高分子材料表面改性通常用的是低温等离子体。低温等离子体在表面处理中常用的四种放电方法分别为电晕放电、大气压辉光放电、介质阻挡放电和大气射流等离子体。

与介质阻挡放电等方式相比,大气射流等离子体可以产生更均匀的反应气体,具有放电温度和激发电压低、放电装置灵活、操作简便安全等优点,能作用于任何形状或物体的表面,且在常压下运行无需抽真空。这是一种高效、经济、快速、易于工业化的处理方式。大气射流等离子体的显著特征在于,在设备内远程产生的等离子体可以发射到其物理边界之外,以所谓的“等离子体羽流”的形式在开放空间中扩展(如图1-1所示)。适当的源设计、电场几何形状和气体流动条件可以允许等离子体羽流通过外部环境传播,从设备出口传播几十毫米。等离子处理只作用于高分子材料表面(通常为几至几十纳米),不影响基体的性能。经过等离子体处理的高分子材料表面粗糙度增加的同时,还能引入极性基团,使材料的亲水性、粘结性、生物相容性等得到改善。木材和纸张经过大气等离子体表面处理后的表面自由基浓度、氧碳比、木纤维表面粗糙度、贴面表面润湿性和表面自由能均有所增加,可以为复合材料提供更高的粘附强度。

一种可用于表面处理的大气等离子体射流装置的示意图

等离子体处理在不同气氛下,能产生效果不同的等离子体效果,如氧气、氮气、氦气等气氛下,能将−OH、−COOH、−NH2等基团引入材料表面,并明显改变材料的润湿性,但耗费更多的资源和能源并需要低压真空环境下通入所需气体,难以实现连续化。利用大气等离子体技术,采用直接通入空气的大气等离子体处理因为无需气泵抽真空或是通入氧气、氮气等额外气体,在空气和常压环境下即可政治工作,具有易操作、加工速度快、处理效果好、环境污染小、节能等优点,因此在高分子材料表面改性处理中得到广泛的应用。

从等离子体产生的难易程度以及改性的效果来看,直接采用空气为气氛的大气射流离子体处理是最具开发潜力,能够满足大规模工业生产要求。可应用于活化表面提升润湿性能,清洁灰尘、油污和去静电,以及表面涂层处理,提供功能功能性表面等。