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大氣壓等離子體是指運行于一個大氣壓(1atm)條件下產生的放電等離子體,由于不要求真空設備、工藝流程簡單且能夠產生較高粒子數密度的活性物種,廣泛的應用于生物醫學、環境治理、航空航天、材料表面改性等多領域,成為近年來的研究熱點。

大氣壓低溫等離子體表面改性機理

大氣壓低溫等離子體對材料具有改性作用是由于等離子體中含有帶有能量的電子、活性自由基、離子以及激發態的活性分子或原子等。這些粒子具有不穩定性、活潑性并具有較高的能量。其中,低溫等離子體中電子、活性自由基和激發態粒子能量能夠達到0-20eV的范圍,離子能量在0.03-0.05eV之間。表1.1中列舉了常見材料的表面化學鍵及其鍵能。根據表中的數據可以看出,低溫等離子體中大部分的活性粒子(除離子外)所攜帶的能量均比表中所列的材料表面的化學鍵能要高,這也說明這些活性粒子足以使材料表面的化學鍵斷裂并生成新的化學鍵,進而改變材料的原始性能。

低溫等離子體在處理材料的過程中,高速運動的電子能夠使反應的分子激發、電離或斷鍵進而形成自由基碎片,且等離子體中的離子與某些中性原子對材料具有刻蝕作用,此外,還有一些中性原子與自由基在材料表面形成沉積層增加材料表面的活性進而提升材料的特性。總之,等離子體對材料的改性可以歸納到四個方面,分別為等離子體表面清潔、等離子體表面刻蝕、表面交聯以及表面官能團植入。

(1) 表面清潔

低溫等離子體中富含大量的活性粒子,當等離子體與材料表面接觸時,這些活性粒子能夠在極短的時間內與有機化合物發生一系列的化學反應和物理反應,進而達到清洗的作用。當與材料表面發生化學反應時,主要是利用等離子體中的強氧化性物質與材料表面發生反應,進而把有機物分解成更小的碎片或者分解成二氧化碳和水。當發生物理反應時,等離子體中的高能粒子以高能量和較高的速度轟擊高分子材料表面,使分子發生分解。

(2) 表面刻蝕

低溫等離子體對材料表面的刻蝕作用主要來自于體系中所產生的正離子、活性自由基以及活性原子,其中,這些活性原子可以與材料表面的活化官能團反應并生成能夠揮發的小分子物質。此外,等離子體對材料表面的刻蝕作用能夠在除去材料表面弱邊界的同時使材料的表面變得粗糙,增加材料的表面粗糙度并引入活性基團。材料被等離子體處理后表面呈現出一種坑洼狀的形態特征,這也進一步增加材料的比表面積。

(3) 表面交聯

低溫等離子體的放電氣體為惰性氣體時,其在放電過程中產生的高能活性粒子也能夠在破壞材料表面舊的化學鍵的同時接入新的化學鍵,進而在材料表面生成新的自由基。若在反應體系中除基底材料外不存在其他物質,那么新產生的自由基之間會重新鍵合,在材料表面形成新的網狀交聯結構。在交聯反應發生的過程中,體系中材料表面會有雙鍵產生,從而促使材料的力學性質以及表面性能得到明顯改善。

(4) 表面官能團植入

在反應性氣體環境中,低溫等離子體處理材料表面時將會與材料發生復雜的化學反應,并產生不同的活性官能團。在實際應用中,根據材料所需要的性能選取不同的氣體環境對材料進行改性處理,進而在其表面植入特征官能團分子,如羰基C=O,氨基-NH2,羥基-OH,羧基-COOH等,他們對水分子具有較好的親和能力,能夠有效的提升自身的親水性能。