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近年來(lái),等離子體技術(shù)作為一種新型的材料表面改性處理方法受到了越來(lái)越多的重視。等離子體表面處理具有明顯的高效快捷、操作靈活、可選擇性大、適應(yīng)性強(qiáng)以及綠色無(wú)污染等特點(diǎn),可以顯著改善材料表面的浸潤(rùn)性以及增強(qiáng)界面的結(jié)合性能,同時(shí)保證不會(huì)對(duì)材料自身機(jī)體性質(zhì)產(chǎn)生任何影響。利用等離子體表面改性技術(shù)改善材料界面粘結(jié)性能已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注。

等離子體簡(jiǎn)介

等離子體是一種物質(zhì)能量較高的聚集狀態(tài),是由具有能量的電子、離子、自由基以及未電離的中性粒子等的集合組成,常被稱為自然界中物質(zhì)的第四態(tài)。等離子體通過(guò)氣體的高度電離會(huì)產(chǎn)生大量的高能粒子,因整個(gè)體系粒子所具有的正負(fù)電荷數(shù)是相等的,所以等離子體是整體呈中性的物質(zhì)狀態(tài)。所謂的“電離”,通常是指物質(zhì)經(jīng)過(guò)低溫加熱,從固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)再逐漸轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的過(guò)程,在這一過(guò)程中,持續(xù)升溫加熱作用使得物質(zhì)分子中的原子逐漸分離開(kāi)來(lái),進(jìn)一步自由電子擺脫原子核的束縛被釋放,整個(gè)氣體被電離,從而形成等離子體。根據(jù)等離子體的放電形式可以將等離子體分為電弧放電等離子體、輝光放電等離子體、電暈放電等離子體、介質(zhì)阻擋放電等離子體以及射頻放電等離子體等。因此,按照等離子體電離反應(yīng)所需溫度區(qū)分等離子體可分為主要應(yīng)用于核工業(yè)領(lǐng)域的高溫等離子體(溫度范圍為108~109K)以及主要應(yīng)用于制備催化劑與合成材料的低溫等離子體兩大類。其中,低溫等離子體又分為熱等離子體和冷等離子體。處于平衡狀態(tài)的熱等離子體被稱為平衡等離子體,與之對(duì)應(yīng)的冷等離子體則被稱為非平衡等離子體,這主要是因?yàn)樵诔菏覝氐姆瞧胶鉅顟B(tài)條件下其體系溫度依舊可以很好的保持。低溫冷等離子體由于保持低溫反應(yīng)體系所需能耗較小,可以有效節(jié)約投資以及降低能源消耗。因此,低溫冷等離子體在材料表面改性等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。

等離子體表面改性是一個(gè)極為復(fù)雜的過(guò)程,這是主要是由于構(gòu)成等離子體的高能粒子種類繁多(電子、離子以及中性分子等)且等離子體中的高能粒子與材料表面可能發(fā)生多種類型、多種途徑的物理、化學(xué)反應(yīng)。此外,利用等離子體進(jìn)行材料表面改性處理同時(shí)涉及多種類型化學(xué)鍵的斷裂以及新的化學(xué)鍵的重組合成。等離子體表面改性具有顯著的高效快捷、操作簡(jiǎn)便以及適用性廣等特點(diǎn),其中最為突出的是僅限于對(duì)材料表面微納米程度的有效改性,并不會(huì)改變材料本體所具有的性質(zhì),因此可以顯著改善材料表面親疏水性、靜電吸附性以及表面粘結(jié)等特性。

等離子體處理增加材料表面粘結(jié)性原理

等離子體處理增加材料表面粘結(jié)性主要是依據(jù)等離子體對(duì)材料表面的活化作用以及表面刻蝕作用。利用等離子體對(duì)材料表面進(jìn)行改性處理時(shí),其所包含的多種高能活性粒子可以通過(guò)碰撞作用向材料表面上的分子傳遞能量,進(jìn)一步引發(fā)材料表面分子間化學(xué)鍵的斷裂與重組,使其被成功電離或激發(fā),從而達(dá)到活化材料表面的目的。進(jìn)一步經(jīng)等離子體活化的材料表面活性位點(diǎn)可以引入一些特定官能團(tuán),主要是含氧官能團(tuán),如:?OH以及?COOH等。極性含氧官能團(tuán)的增加可以顯著提高材料總的表面能,大大改善材料表面的潤(rùn)濕性以及粘結(jié)性等。此外,由于等離子體中存在的大量高能粒子(如電子、離子等)會(huì)撞擊材料表面引起表面刻蝕,導(dǎo)致材料表面產(chǎn)生微細(xì)的凸起結(jié)構(gòu),大大增加活化的材料表面粗糙度,從而顯著提高材料界面的粘結(jié)性。