粉体等离子表面改性是以特定方法在专门的等离子处理装置中对粉体材料进行表面处理使粉体表面特性发生改变从而赋予粉体材料新的功能满足粉体各种性能的应用要求。粉体表面改性的目的可以概括为:改善或改变粉体粒子在使用介质中的分散性;弥补粉体自身的缺陷‚改善其耐久性‚如耐光、耐热、耐蚀、耐候性等;赋予粒子表面以新的功能‚如电、光、磁、力学及化学性能。从而可扩大产品用途、开发新的产品及提高粉体材料的附加价值。因此‚粉体表面改性是材料制备过程工程的重要手段‚也是新材料、新工艺和新产品开发的重要内容。

低温等离子体处理改性粉体的原理

低温等离子体是一种非热平衡等离子体,其粒子能量的参数范围如下:电子(0~20eV),亚稳态粒子(0~20eV),离子(0~2eV),光子(3~40eV)。材料的表面改性需要通过断开或激活材料表面的化学键并形成新的化学键才能实现,这就首先需要低温等离子体中的各类粒子能够具有足够的能量以断开材料表面的化学键。表1为各类材料中一些代表性化学键的键能,将两者对比可以看出,除离子外,低温等离子体中大多数粒子的能量均高于这些化学键的键能,这表明:利用低温等离子体完全可以破坏材料表面的化学键而形成新键,从而赋予材料表面新的特性。

由于等离子体的能量特点,等离子体处理后粉体的表面形态以及表面结构都发生了明显的变化。对粉体表面形态及结构的影响与等离子体处理所用的气体(聚合性气体、非聚合性气体)的特性有关。用非聚合性气体的等离子体对粉体表面处理时，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,这些自由基与空气中含氧和含氮成分作用,从而改变材料表面化学结构;而用聚合性气体的等离子体对粉体表面处理时,则在其表面形成聚合物膜并与粉体形成牢固的化学键。

粉体低温等离子体处理方法

低温等离子体对粉体表面处理主要有两个方面:可以用非聚合性气体(Ar、He、H2O等)的等离子体处理粉体表面,除去粉体表面吸附的杂质,并引入各种活性基团;也可以用聚合性气体的等离子体对粉体进行表面处理,即等离子体聚合,在粉体表面形成聚合薄膜。近年来低温等离子体对粉体的表面改性主要是利用等离子体聚合技术。这一技术是通过激励活化有机化合物单体,形成气相自由基,当气相自由基吸附在固体表面时形成表面自由基,表面自由基与气相原始单体或等离子体中产生的衍生单体在固体表面发生聚合反应,生成大分子量的聚合物薄膜。在等离子体有机聚合中,能量主要集中在材料表面,几乎不改变基体的性质,而传统方法的表面改性对基体影响较大。等离子体聚合适用范围广,除乙烯基单质气体和环状化合物外,常规方法难以聚合的饱和烃化合物、芳香族化合物、有机金属化合物都极容易发生等离子体聚合。等离子体聚合物的化学结构和物理性质也不同于传统的聚合物。

等离子体改性粉体的应用

改变粉体的分散性能

在制备复合材料时,常将无机粉体作为填料加入到有机高聚物中,由于粉体粒径小、表面能高,容易形成团聚体,造成在高聚物内部分散不均匀,从而易在两材料间界面处产生缺陷,导致复合材料的力学性能下降。为此,可采用低温等离子体对无机粉体进行表面改性,通过反应在其表面形成聚合物层,这样可以降低粉体的表面能,从而减小团聚生成的倾向。同时聚合物层还可以增加粉体与有机高聚物的相容性,从而改善了粉体在其中的分散性能。

提高粉体的亲水性能

等离子体仪器可以产生大量活性分子与材料表面发生非弹性碰撞。这种基于表面的物理化学效应可以打断基体主链并形成自由基。另一方面,高能电子束可以将能量传递到基体材料表面并提高表面能。具有较高表面能和自由基的材料与空气接触时,自由基产生相关的化学反应,生成含氧官能团如羟基以及羧基等,使粉体表面水接触角减小,亲水性得到改善。

改变粉体的催化性能

等离子体系统中含有大量的自由电子等活性物质,可以实现一些在常规条件下无法完成的物理化学反应,所以等离子体技术在材料及化学领域已经受到了越来越多的关注.近年来,等离子体技术在催化剂的制备与改性领域已经获得了广泛的应用。在纳米催化剂制备和改性等应用中,等离子体技术能够实现材料物相的转化、元素的掺杂、微观结构的调控，通过低温等离子体高能粒子的直接或间接作用氧化或还原催化剂,得到更适宜的催化剂化学形态,或通过高能粒子轰击产生更多表面活性位。

低温等离子体粉体表面改性可使粉体表面产生一系列物理、化学变化,从而提高粉体的表面性能,而粉体的基体性能几乎不受影响。相对于其他方法低温等离子体技术还具有工艺简单、操作方便、加工速度快、处理效果好、环境污染小、节能的优点,并可以得到传统化学方法难以达到的处理效果。