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近些年,利用等離子體射流對材料表面進行改性已成為等離子體領域的研究熱點之一,在新能源、半導體、農業及醫療等行業得到廣泛應用。等離子體材料表面改性是通過等離子體的高活性引發物理或化學反應,從而改變材料表面的化學成分或物理結構進而提高材料表面性能的技術。

等離子體射流中含有豐富的離子、電子、激發態原子及分子,由于這些活性粒子的存在使得傳統手段無法進行處理的表面改性在等離子體的作用下更容易發生。在等離子體表面改性過程中,通過調節注入粒子的能量,可以獲得高活性反應粒子,能夠摒棄傳統熱力學規律的高溫過程,實現低溫合成反應,且反應過程無污染,有利于環境保護。

等離子體射流處理改性原理

等離子體射流中的離子、電子、激發態原子和分子等活性粒子在作用于材料表面時,會將粒子本身攜帶的能量傳輸給材料表面的原子和分子,并發生一系列的物理化學過程,如圖1-1所示。

圖1 等離子體材料表面改性原理 

表1-1和表1-2給出了低溫等離子體中的基本粒子的能量范圍和有機物中常見分子的鍵能。可以看出,有機物材料中常見分子的鍵能僅有幾個電子伏特,但是在等離子體射流中,基本粒子(離子、電子、光子等)的能量都超過了它們的結合能。因此當這些高活性粒子在作用于材料表面后,其表面的C=C、C-F、C-N等化學鍵會被破壞,從而為接枝其他官能團、單體做好準備。另外,在經歷高能粒子轟擊后,材料表面也會生成許多有力的自由基,這些自由基也會參與到下一步的反應中。材料經等離子體處理后,由于激發態粒子會被引入到材料表面,使得材料的表面性能發生改變,具體體現為材料表面會經歷活化過程,當表面分子的化學鍵被破壞后會生成大分子自由基,使得材料表面呈現出反應活性。在活性化的材料表面,因吸附作用沉積在其表面的等離子體中的中性粒子與自由基反應形成薄膜;或者其表面自由基之間發生再結合,從而生成一層緊密的網狀交聯層。這些結構一定意義上能夠提高材料的比表面積,且有助于材料表面性能的改善。

同時,在等離子體射流的作用下,材料表面會發生刻蝕,從而導致其表面的粗糙度發生改變。在等離子體改性的過程中,待處理材料被置于等離子體射流中,射流中的活性粒子會快速地碰撞到材料表面,并對其進行刻蝕,造成材料表面的粗糙度增大,從而使得材料表面的親水性、染色性及抗靜電性等性能得到提升。材料表面在經等離子體處理后形成刻蝕的原因主要分兩種:一方面,高分子材料由多種單體聚合而成,當其表面受到高能粒子轟擊時,單體間互連的化學鍵會被打斷,從而脫落形成大量自由基,材料表面也因單體的脫落形成了許多凹坑。另一方面,高分子材料表面具有疏松無序性,因此會呈現出強度不均勻的現象,在經等離子體處理后,由于高能粒子的撞擊會使得強度較弱的部分形成凹坑。