等离子体清洗具有易于控制、无污染操作和无废物输出等优点。该技术能够有效去除不锈钢金属表面的氧化物、油脂和灰尘等污染物,实现彻底清洁并提高表面纯度。在清洗过程中,等离子体中的高能粒子与表面污染物发生化学反应。这些反应将有机和无机污染物转化为气体或其他挥发性物质。此外,等离子体中的高能电子和离子与表面污染物进行直接的物理碰撞,产生冲击力,有效去除附着在材料表面的污染物。

等离子清洗不锈钢

大气等离子清洗机如图1（a）所示。该装置由等离子体发生器、高频高压电源、供气装置和可移动平台组成。产生的等离子体如图1(b)所示,通过更换喷头可以将等离子体直径调节至30~110mm之间。清洗样品材料是304不锈钢,直径为30mm,厚度为3mm,表面粗糙度为3.2μm。等离子体喷嘴与电极表面之间的距离设定为20mm。在实验之前,使用浓度为99%的酒精对样品进行初步清洗,然后使用等离子体喷嘴进行清洗。在清洗过程中,将样品放置在可移动平台上,以1.25cm/s的速度前后移动12.5cm的距离。在保持其他实验条件不变的情况下,通过分析等离子体清洗前后不锈钢电极表面的润湿性，研究了等离子体清洗时间对电极表面亲水性能影响。

图1 大气等离子清洗装置和等离子体清洗不锈钢图片

等离子体清洗前后不锈钢表面水接触角变化规律

图2为未经处理的不锈钢电极表面水接触角测量结果,水接触角为73.28°,图3为不同清洗时间下不锈钢电极表面的水接触角变化趋势。从图10中可以观察到,在550W放电功率下,经过等离子清洗后,不锈钢表面的水接触角显著减小,从73.28°降至29.31°,在清洗1min时达到最小值,随后逐渐增大至55.45°。这表明在550W放电功率下,不锈钢表面上达到最小水接触角所需的等离子体清洗时间为1min。随着清洗时间的延长,不锈钢电极表面上的水接触角呈现出先减小后增大的变化趋势,表明不锈钢电极表面的润湿性先增强后减弱。

图2 未经等离子清洗的不锈钢电极表面的水接触角

图3 等离子体清洗前后不锈钢电极表面水接触角的变化趋势

等离子清洗提高不锈钢电极亲水性原理分析

已有研究表明金属表面润湿性能的变化主要是受到羟基(-OH)和羰基(O-C=O)等亲水官能团的影响。

等离子清洗对不锈钢电极表面亲水性有显著的提高和改善,其原因主要是:等离子体中具有大量的正负离子、自由基、激发态分子等多种活性离子,通过撞击将不锈钢极板表面的原子或附着材料表面的原子打掉,清除表面原有的污染物和杂质,而且会产生刻蚀效应,在不锈钢表面形成细小的凹坑,增大了试样的比表面积,提高试样表面的润湿性能,同时多种活性离子的撞击会使试样表面的原有的化学键产生断裂,而等离子体中的一些极性官能团与不锈钢表面的元素形成新的化学键,不锈钢的表面自由能提高对不锈钢表面起到改性和活化的作用，从而显著提高了不锈钢电极表面的亲水性。

等离子体射流中的活性粒子会影响不锈钢电极的表面性能,特别是其润湿性。当污染物覆盖不锈钢电极表面时,会形成显著的能量屏障,阻碍液体渗透。等离子体清洗有效地去除了这些污染物,从而提升了不锈钢电极表面的润湿性。等离子体中的高能粒子与不锈钢电极表面的污染物(如油脂、灰尘、氧化物等)相互作用,促使表面亲水性官能团的暴露或生成,从而降低了水接触角。