近些年,利用等离子体射流对材料表面进行改性已成为等离子体领域的研究热点之一,在新能源、半导体、农业及医疗等行业得到广泛应用。等离子体材料表面改性是通过等离子体的高活性引发物理或化学反应,从而改变材料表面的化学成分或物理结构进而提高材料表面性能的技术。

等离子体射流中含有丰富的离子、电子、激发态原子及分子,由于这些活性粒子的存在使得传统手段无法进行处理的表面改性在等离子体的作用下更容易发生。在等离子体表面改性过程中,通过调节注入粒子的能量,可以获得高活性反应粒子,能够摒弃传统热力学规律的高温过程,实现低温合成反应,且反应过程无污染,有利于环境保护。

等离子体射流处理改性原理

等离子体射流中的离子、电子、激发态原子和分子等活性粒子在作用于材料表面时,会将粒子本身携带的能量传输给材料表面的原子和分子,并发生一系列的物理化学过程,如图1-1所示。

图1 等离子体材料表面改性原理 

表1-1和表1-2给出了低温等离子体中的基本粒子的能量范围和有机物中常见分子的键能。可以看出,有机物材料中常见分子的键能仅有几个电子伏特,但是在等离子体射流中,基本粒子(离子、电子、光子等)的能量都超过了它们的结合能。因此当这些高活性粒子在作用于材料表面后,其表面的C=C、C-F、C-N等化学键会被破坏,从而为接枝其他官能团、单体做好准备。另外,在经历高能粒子轰击后,材料表面也会生成许多有力的自由基,这些自由基也会参与到下一步的反应中。材料经等离子体处理后,由于激发态粒子会被引入到材料表面,使得材料的表面性能发生改变,具体体现为材料表面会经历活化过程,当表面分子的化学键被破坏后会生成大分子自由基,使得材料表面呈现出反应活性。在活性化的材料表面,因吸附作用沉积在其表面的等离子体中的中性粒子与自由基反应形成薄膜;或者其表面自由基之间发生再结合,从而生成一层紧密的网状交联层。这些结构一定意义上能够提高材料的比表面积,且有助于材料表面性能的改善。

同时,在等离子体射流的作用下,材料表面会发生刻蚀,从而导致其表面的粗糙度发生改变。在等离子体改性的过程中,待处理材料被置于等离子体射流中,射流中的活性粒子会快速地碰撞到材料表面,并对其进行刻蚀,造成材料表面的粗糙度增大,从而使得材料表面的亲水性、染色性及抗静电性等性能得到提升。材料表面在经等离子体处理后形成刻蚀的原因主要分两种:一方面,高分子材料由多种单体聚合而成,当其表面受到高能粒子轰击时,单体间互连的化学键会被打断,从而脱落形成大量自由基,材料表面也因单体的脱落形成了许多凹坑。另一方面,高分子材料表面具有疏松无序性,因此会呈现出强度不均匀的现象,在经等离子体处理后,由于高能粒子的撞击会使得强度较弱的部分形成凹坑。