等离子体材料表面改性技术是等离子体物理学、电力电子学与材料科学的交叉应用,在航空航天、超大规模集成电路、汽车制造、包装印染、生物医疗、钢铁冶炼以及有害废弃物处理等工业领域扮演着重要角色。技术实现的理论基础源于等离子体富含极为活泼的反应物种,内部成分间的化学反应以及等离子体与材料表面的相互作用共同促成了材料表面的结构与性能变化。

等离子体由正负离子、自由电子、基态/激发态的原子(或分子)、光子等粒子组成,具备电磁性质,但对外整体呈电中性。物质由三态转化成等离子态需要从外部获取足够高的能量,使得组成物质的原子的外层电子摆脱原子核的束缚成为自由电子。目前,可以通过加热、辐射、光照或气体放电的方法促使气体电离,从而获得人工等离子体。

介质阻挡放电(DielectricBarrierDischarge,DBD)又称无声放电(SilentDischarge),是气体放电的一种形式,同时是制备低温等离子体最常用的方式。电极表面或放电区间内绝缘介质的存在是介质阻挡放电有别于其他放电形式(如电晕放电、弧光放电等)的关键。以常规的两电极负载结构为例,外部电压施加于电极上,在放电区间内形成高强电场诱发气体电离,带电粒子在电场力的作用下向两电极移动,之后绝缘介质表面聚集大量电荷,形成与外加电场方向相反的内电场,致使气隙电场减弱,抑制了放电的不断加剧直至放电熄灭,从而防止了放电向弧光放电或者火花放电转化,保证了低温等离子体的稳定产生。

介质阻挡放电在材料表面改性处理中的应用

根据特定的应用场合,材料需要被赋予相应的功能,例如亲水、可印染、涂层粘合、耐磨、耐腐蚀、防氧化等等,基于低温等离子体的表面改性技术就是实现这一目标的主要手段。介质阻挡放电产生的低温等离子体具备很高的化学活性,内部的活性粒子与材料表面接触后发生相互作用,其中物理作用过程包括:刻蚀、解吸、复合、激发、溅射、注入等;化学反应过程包括:氧化、还原、触媒、分解、裂解和聚合等。一系列的物理、化学作用会改变材料表面的物理形貌与化学成分,赋予或者增强材料特定的功能活性。

采用介质阻挡放电对高聚物材料进行表面改性,活性粒子将能量传递到材料表面,作用深度仅为表层纳米级别,且反应温度低,不会对材料造成破坏性损伤。过程中发生的主要相互作用可以细化为如下三类:

刻蚀

放电产生的高能粒子与高聚物材料表面发生碰撞,并与表面分子反应,生成可挥发的小分子,去除了材料表面弱边界,在材料表面形成许多坑洼、陷阱和孔洞,增加了表面粗糙度和比表面积,同时伴随有分子链的断裂和自由基的形成。材料表面粗糙化有利于润湿性的提升以及涂层间粘合效果的增强。

交联

介质阻挡放电产生的活性粒子能量高达几个到几十个eV,大于聚合物材料分子的结合键能,如C-H键的键能是4.3eV,C-N键的键能是2.9eV,C=O键的键能是8.0eV。高能带电粒子轰击材料表面促使原有的化学键断裂、新的自由基生成,自由基相互作用使得材料表面的线型或支型高分子链以共价键连接成三维网状结构,称为交联层。交联层结构稳定,有助于抵抗由介质阻挡放电新引入的极性基团向内部翻转,从而延长了改性效果的保持时间。等离子体放电发出的紫外光照也会引起交联反应。

官能团引入

等离子体中的活性成分(如离子、自由基等)与材料表面断裂的化学键重新结合,形成一些特定的活性基团,如羟基—OH,羧基—COOH和氨基—H2等,这些基团属于极性亲水基团,能够显著提升材料的润湿性和亲水性。引入的官能团种类与气体成分密切相关。