氟是一种具有很强的电负性元素,由于其自身特性所致,氟原子与碳原子极易结合,形成高结合能、低极化率、性能稳定的C-F单键。其结果是含氟聚合物具有低表面能、高化学惰性、强疏水性和优异的电性能。鉴于上述特性,国内外研究人员开始热衷于将氟化官能团引入材料的表面和基体中,以期获得更佳的性能表现。

引入氟元素的方法有很多,表面氟化处理、等离子体氟化处理是制备含氟高分子材料最常用的两种方法。其中,氟化技术因其过程简单、能耗低、效率高、常温下就可以操作等优点，在如今的科学研究中被大量应用。尽管氟化技术具有显著优势,但其存在的问题也无法忽视。例如,氟化试剂具有高毒性,价格昂贵,而且纯溶液非常活泼,氟化反应过程中会产生大量有害的副产品。这些问题曾一度限制了氟化技术的发展。然而,由于低温等离子体技术具有处理大面积复杂形状样品的能力,并且能够避免氟化所使用的CF4对人体健康的威胁,人们开始发展等离子体氟化改型技术。与传统的直接氟化工艺相比,等离子氟化技术具有显著的优势。首先,等离子体氟化技术选用CF4气体作为氟源,其不仅无毒无害,而且更加稳定可靠。其次,该技术几乎不产生有害的副气体,即防止了对环境的污染,也在更大程度上保护了操作人员的人身安全。

等离子体氟化改性技术原理

低温等离子体氟化改性技术是近年来的研究热点。等离子体,作为物质的第四态,由大量带电粒子构成。高能粒子不断撞击气体分子使其发生解离,形成带电离子及被激发的自由基原子。从宏观上看,这些带电粒子与未解离的气体分子整体上呈电中性,共同构成电离气体。等离子体的形成过程可以简述为:在外部激发的作用下,气体分子与电子、离子相撞击,从而产生一批新的带电微粒。这些新产生的带电粒子继续与外部激发源作用,与更多气体分子碰撞并电离,经过多次类似的碰撞与电离过程,最终形成等离子体。

等离子体氟化处理是一种表面处理技术,通常用于改变材料的表面性质和性能,该处理过程利用等离子体中的活性氟物种与材料表面相互作用,实现对材料表面氟化,改善材料表面化学成分、形貌、电学性能等,从而改善材料的表面性能。等离子体氟化可以通过向反应源(SF6、CF4或F2)添加大量能量形成各种C-F键,制备各种活性氟化材料,通常用于在材料表面引入氟官能团。其中,氟源气体CF4在等离子体轰击下会产生以下反应:

等离子体氟化技术应用

等离子体氟化纳米填料提升环氧树脂表面绝缘性能

等离子体氟化技术通过在环氧树脂中引入氟元素,不仅能够提高材料的绝缘性能,还能改善其老化特性和抗紫外线性能,为提升环氧树脂及其复合材料的电气性能提供了一种有效的手段。这种技术对纳米填料类型没有太多局限性,适用于多种类型纳米填料,如AlN、BaTiO3和TiO2等,这些填料经过氟化处理后,其在环氧树脂中的界面特性得到有效改善,从而提高了环氧树脂的电气性能。等离子体氟化技术还可以与其他改性方法结合使用,如协同偶联剂改性和协同超支化聚酯改性,通过在聚合物分子链上引入特定的功能基团,从而在聚合物分子链之间形成交联网络,有效改善环氧树脂的绝缘性能。

与传统的表面改性方法,如化学接枝、生物分子修饰和水热处理等相比,等离子体氟化具有高效性、环保性、表面均匀性和广泛适用性等优点。