等离子体是物质除了固态、液态和气态的第四态,通常由电子、离子、自由基以及中性粒子组成,可以部分电离,也可以完全电离,整体呈准电中性的物质。低温等离子体是等离子体的一种,在其系统中,电子的温度远大于离子和中性粒子的温度,但体系宏观上处于低温状态,是一种热力学非平衡状态,因此,低温等离子体在反应中具有更高的能量利用效率,在实验室和工业生产中被广泛使用。

低温等离子体概述

低温等离子体中含有多种组分,但主要还是电子对接触的材料表面起作用,当等离子体与材料表面作用时,粒子会将携带的能量传递给材料表面,这些能量的传递会引起材料性能的改变。等离子体中电子所携带的能量范围一般为0-20eV,与常见的构成有机分子的原子间共价键键能处于一个能级,这表明无论有机物是否具有不饱和键,等离子体处理可以打开有机物的旧共价键,并形成新的化学键。也正是因为两者处于同一能级,使得等离子体处理的过程只是直接的能量转移。

膜材料的低温等离子体表面改性理论

将膜材料置于非聚合性气体等离子体氛围中,在膜表面进行低温等离子体处理,利用低温等离子体中的带能量的活性粒子轰击膜材料表面,使膜材料中的高分子聚合物发生断键重组,从而达到改性的目的。根据选择的气体的不同,可以分为两个部分。第一种是如氩气、氦气等惰性气体等离子体,它们在低温等离子体处理过程中,不会在膜表面引入新的元素,而是在膜表面形成大量的自由基后,由自由基引发膜材料本身发生交联反应,从而引起材料表面微观结构和物化性质的变化。另一种是如氮气、氧气等反应性等离子体,不仅会发生上述的交联反应,使膜发生结构的变化,还会直接引入含氮和含氧的官能团,从而改变膜表面的化学成分。

等离子体处理过程复杂,不是由一种反应主导,而是会发生一系列的竞争反应,主要包括等离子体刻蚀反应、等离子体引发的交联反应和活化反应。活化反应是指,等离子体在膜表面作用产生活性位点,在这些活性位点上引入功能性基团的反应,等离子体处理引入的基团主要是反应性气体产生的。因此,等离子体处理对膜材料表面的微观结构、物化性能和化学组成都会产生重大影响,而过长时间的等离子体刻蚀反应,甚至会破坏膜的结构。

低温等离子体表面处理工艺属于干式工艺,操作简单,无二次污染物,节能环保,而且能量效率高,处理时间短,可以处理各种材料,具有普遍适应性。对于膜材料表面处理,等离子体处理具有处理效果均匀的优点,而且作用的深度仅在膜表面几纳米到几百纳米的范围,不影响膜材料的内部结构,可以充分发挥原膜材料的优点。因此,低温等离子体技术在膜材料修饰和改性方面,应用的范围越来越广泛。