等离子体由大量离子和自由电子组成,整体上表现为近似电中性,与物质的三态一样,是物质存在的一种聚集态。从宏观上看,等离子体是一种导电的流体,由等离子体的生成过程可知,当给气体施加显著的高温或高能量时,中性的物质就会被离解成离子、电子和自由基。另外,等离子体本身具有变成为电中性的强烈倾向,等离子体中的电荷分离需要由等离子体本身的内能(热能)或外加电场来维持。按照压强、电极形状、外加电压、放电频率的不同,气体放电可以分为不同形式,主要有辉光放电、电弧放电、电晕放电、火花放电等。其中辉光放电是等离子体放电中广泛应用的一种放电状态,也是最为常见的放电形式。

大气压辉光放电

大气压下的辉光放电摒弃了真空系统,可在大气压下产生均匀稳定的低温等离子体,满足了在线连续生产需求。同时由于其具有较低的温度,相对较高的活性粒子浓度和更高的化学反应速率,成为目前等离子体研究的热点方向之一。大气压辉光放电的主要形式包括大气压脉冲放电、大气压介质阻挡辉光放电(DBD)和大气压射频(RF)辉光放电等。

大气压低温等离子体中的主要活性成分

在低温等离子体形成过程中,涉及到许多的物理和化学反应,使得等离子体产生各种活性物质,包括电子、正负离子、紫外线、化学活性物质等。这些活性成分能够在材料的分子层面上对表面产生作用。常压低温等离子体是一种总体为电中性的导电流体,它的成分组成十分复杂,除了紫外线、高能粒子和电场之外,还存在很多丰富的活性成分,如图1-1所示。利用不同成分相应的特性,可以完成其他方法不能或难以完成的改性任务。

图1-1 大气压低温等离子体主要成分

大气压等离子体处理

大气压下等离子体放电装置不需要抽取真空,适合连续生产,在等离子体处理材料过程中,放电气体将产生带电粒子(电子和离子)、激发态粒子(自由基,亚稳态分子)和光子。通过这些活性粒子在表面产生的物理和化学反应,起到表面清洁、表面刻蚀、表面活化等作用。基本作用过程如图1.2所示,等离子体处理材料时,等离子体会与材料表面相互作用发生两种反应:一是刻蚀作用,高能粒子在材料的表面发生反应;二是交联作用,粒子与材料表面产生碰撞,会在材料表面产生自由基,然后引入羧基等极性基团。

图1-2 等离子体处理表面改性的作用过程