等离子体表面修饰技术是将材料暴露在非聚合气体(例如稀有气体)的等离子体中,等离子体中的活性粒子与材料表面进行相互作用,引起材料表面的一些变化,或产生刻蚀而粗糙,或形成致密的交联层,或引入含氧极性基团,使亲水性、粘结性、可染色性、生物相容性及电性能分别得到改善。

等离子体和材料表面相互作用

由于等离子体中含有大量的电子、离子和自由基等活性粒子,当它们与材料表面相互作用时,就会使材料表面发生许多复杂的物理和化学变化。

1. 物理变化

刻蚀:等离子体中的粒子和材料表面的分子原子结合形成挥发性的产物从表面挥发掉,使表面形成许多“锚”状的凹坑,表面被粗糙化。解吸:等离子体中粒子的能量传给材料表面的分子、原子,使这些原子分子被解吸离开材料表面。溅射:等离子体中的高能粒子穿过材料表面进入材料内部,并把能量传递给材料内部的原子、分子,使它们从表面溅射出来。注入:具有一定能量的离子或中性粒子轰击材料表面,并打入材料内部和材料内部的分子原子相结合,即离子注入。激发和电离:材料表面的中性粒子在高能粒子的轰击下,被激发到高能态或者被电离成电子和离子。

2. 化学变化

氧化:等离子体中高能态的原子态氧或分子态氧对材料表面的作用使其发生氧化反应,生成氧化物和过氧化物,并使材料表面引进含氧基团,氧化分解又使表面的刻蚀加重。分解和裂解:在等离子体的作用下分子分解,大分子链发生断裂,产生大量的自由基,另一些分子量下降,并形成挥发性的产物。交联:在冷等离子体的作用下产生大分子自由基,由于大分子自由基的加成作用,使大分子之间产生交联,在材料表面形成一层薄薄的交联层。

聚合:等离子体聚合有两种形态:一种是等离子体态聚合(PSP),即聚合性的气体(单体)在等离子体状态下形成一群化学活性粒子,其中一些活性粒子再聚合并沉积在材料表面,形成一层聚合膜;另一种是等离子体诱导聚合(PIP),即材料表面在等离子体的轰击下,表面产生很多自由基,这些自由基与单体结合,在材料表面形成一层聚合膜。接技:为了使材料表面引进所需要的官能团,可对材料进行等离子体处理,使其表面活化,产生大量的自由基(这些自由基是极不稳定的),然后浸入单体溶液中与单体结合(液相接技),甚至可在等离子体中直接充入气态单体,使材料表面边处理边接枝(气相接技)。

等离子体表面修饰技术具有工艺简单、操作方便、加工速度快、不损伤材料基质、处理效果好、环境污染小、节能节水等优点,更为重要的一点它能实现在传统化学反应中不能实现的反应,在表面改性中应用广泛,而且随着人们对等离子体的不断研究,其应用领域也会越来越广泛。