随着工业生产的迅速发展,材料的应用领域越来越广,对材料表面性能的要求也越来越高,为此人们采用了多种方法对材料进行表面改性,以提高其表面性能从而适应不同的应用要求。近年来利用低温等离子体进行材料表面改性获得越来越广泛的应用,已逐渐成为等离子体和材料科学领域研究的热点问题之一。低温等离子体材料表面改性可使材料表面产生一系列物理、化学变化,从而提高材料的表面性能,而材料的基体性能几乎不受影响。相对于其他方法,低温等离子体改性技术是一种干式工艺,具有高效节能、无污染、无公害等优点,在材料表面改性中具有独特的应用价值。

低温等离子体主要是通过气体放电产生的,产生低温等离子体的放电形式主要有电晕放电、辉光放电和介质阻挡放电(DBD)等。电晕放电通常发生在极不均匀电场中的强电场区域,且这种放电较弱,效率较低。辉光放电一般是在低气压下产生的,需要昂贵的真空系统,虽然目前已报道了在多种气体中产生均匀模式的DBD(又称大气压下辉光放电APGD),但其产生也只是限定在特定条件之下,尚不能满足大规模工业应用的要求。DBD宽幅等离子清洗机在大气压下就能得到大体积、高能量密度的低温等离子体,与这两种放电相比,其功率密度适中,运行气压范围较宽,兼有辉光放电的放电均匀性和电晕放电可在高气压下产生的优点,不需要真空设备就能在接近室温条件下获得化学反应所需的活性粒子,同时,其生产设备简单、操作方便,是适合大规模连续化工业应用的一种气体放电形式。

DBD宽幅等离子清洗机材料表面改性原理

DBD宽幅等离子清洗机是将绝缘介质插入放电空间的一种气体放电形式,在电极间安插绝缘介质可以阻止放电发展到电弧阶段,从而能在大气压下产生稳定的低温等离子体。DBD放电空间的电场达到气体的击穿场强后,放电空间的气体电离在放电空间产生大量的活性粒子(如电子、离子、准分子、激励态和亚稳态粒子、中性粒子及紫外光辐射光子等)。DBD放电空间的活性粒子能量一般为几至几十电子伏特,大于一般材料的结合键能,与材料表面作用后完全可以打开化学键而形成新键,但其能量又远低于高能放射性射线,故改性只涉及材料表面几至几百纳米范围内。DBD等离子体与材料表面相互作用后,材料表面分子间的化学键被打开,并与放电空间中的氧、氮等自由基结合,在材料表面形成含氧、含氮的极性基团。由于表面增加了大量的极性基团,使材料表面的粘接性、吸湿性、可染色性、印刷性、抗腐蚀性及生物相容性等性能得到改善。研究表明,DBD等离子体作用后材料表面主要发生4种物理化学变化：①产生自由基：放电空间活性粒子撞击材料表面使表面分子间化学键被打开从而产生大分子自由基,使材料表面具有反应活性。②发生表面刻蚀：材料表面变粗糙,表面形状发生变化；③发生表面交联：材料表面的自由基之间重新结合,形成一层致密的网状交联层；④引入极性基团：表面的自由基与DBD放电空间的反应性活性粒子结合从而引入具有较强反应活性的极性基团。

DBD宽幅等离子清洗机材料表面改性的效果与所用气体的类型有关,不同气体电离后所产生的活性粒子类型不同,对材料表面作用的效果也是不同的,但通常上述4种作用同时发生。反应性气体(如N2、O2、CO、CO2、CF4等)中产生的DBD等离子体含有丰富的反应性活性粒子,可直接与材料表面的大分子自由基结合,从而改变材料表面的化学结构。如氧气DBD等离子体能在材料表面引入-OH、-COOH等大量的含氧基团,且由于氧对材料表面的氧化分解,同时使表面发生刻蚀。此外,空气、CO、CO2及其他含氧气体DBD等离子体由于可以分解出原子氧,同样具有氧气DBD等离子体的作用。非反应性气体(如H2、Ar、He等)中产生的DBD等离子体虽含有大量活性粒子,但不能与材料表面的自由基直接作用。因此用非反应性气体DBD进行表面改性主要是利用等离子体中高能粒子轰击,使材料表面产生大量自由基,处理后这些自由基与空气中含氮和含氧成分作用从而改变材料表面化学结构。另外,用同样形式DBD等离子体处理不同形式材料时,作用效果也是不同的：处理含氧材料表面时,由于材料表面化学键断裂分解形成大分子碎片,进入DBD等离子体内形成活性氧,将出现交联、刻蚀、引入极性基团三者的竞争过程；对于不含氧的材料,采用非反应性气体处理时,只有处理后与空气中的氧作用而引入极性基因的过程。

DBD宽幅等离子清洗机对材料表面改性是一种新型的表面改性方法,它可以有效地改善材料表面性能,且凭借其独特的优点使其具有其它传统方法不可比拟的优势。