等离子处理

低温等离子处理是通过等离子体氛围中由电子、离子和中性粒子组成的中性集合体与被处理材料的表面进行碰撞，适当的控制等离子体的理化条件，将等离子体自身的能量传递给材料表面的分子或者原子，按照需求改变高分子材料的表面性能和改变材料的表面粗糙度。

表面能低是聚合物材料的一大特点,低温等离子体技术可以在不损害基底优良性能的同时,引入极性基团,增加表面粗糙程度,提高表面能。低温等离子体表面处理属于干式工艺,和传统的化学湿法相比,它可以得到传统的化学方法难以得到的处理效果,并且无废弃物,不会对环境造成污染。与高能量的放射线和电子束辐照处理相比,其独特之处在于低温等离子体放电表面处理的作用仅涉及表面极薄层,一般在离表面几十到数千埃的范围内,能使材料表面性能显著改善而材料本体却不受影响。此外低温等离子体表面处理所需的成本低,对被处理材料的形状没有严格的要求,并且可以在线连续处理。

由于低温等离子体中粒子能量的参数范围为:电子0~20ev:亚稳态粒子0~2ev;离子0.03~0.05ev。而聚合物中常见化学键的键能如表1-1所示:

表1-1 聚合物中有代表性化学键的键能

由表可见,低温等离子体中绝大部分粒子的能量除离子稍低外均高于这些聚合物中化学键的键能,低温等离子体完全可以使高分子材料表面的键产生断裂而形成新键,从而赋予材料表面新的特性。

低温等离子体中含有大量的离子、激发态分子、自由基等多种活性粒子。这些活性粒子能与材料表面进行各种相互作用。低温等离子体对高分子材料的表面改性作用主要包括以下几点：

1、对材料表面的刻蚀作用

刻蚀可以将材料表面弱边界除去，使材料表面产生起伏，变粗糙，并有键的断裂，形成自由基。因为刻蚀作用，样品表面粗化，形成许多坑洼，增大了样品的比表面。根据Wenzel公式cosθ_r=rcosθ_e(其中r为表面粗糙度，θ_r为粗糙表面的接触角，θ_e为理想光滑表面的接触角)，可知粗糙表面的接触角和理想光滑表面的接触角的相应关系。由于r总是大于1，所以粗糙表面的接触角θ_r总比光滑表面的接触角θ_e要小。亦即当接触角0<90°时表面粗糙化将使接触角θ变小从而有利于润湿，此即表面粗糙化可提高湿润性能的基本原理。

2、交联的产生

惰性气体等离子体与高分子材料表面接触,可使表面产生交联结构。等离子体中的高能粒子包括电子、光子、激发态粒子、自由基等通过轰击或化学反应,使材料表面的化学键断裂,形成自由基。在无其他反应物质情况下,自由基之间重新键合,在材料表面形成网状交联结构。

3、官能团的引入

如果放电气体为可反应性气体,在活化了的材料表面将会发生复杂的化学反应。通过低温等离子体处理在表面引入特定的官能团，如羟基—OH、氨基—NH2、羚羧基一COOH、酰胺基—CONH等，它们对水分子有相当的亲和能力。在高分子结构中，这类基团数目越多，亲水性越强，材料表面的吸湿能力越高。

低温等离子处理表面的厚度仅由几纳米到几十纳米，不会对材料本体产生任何影响，对环境友好，无污染。通过改变材料的表面层微结构、表面层物理性质以及表面层化学特性，在高性能材料、复合材料和医用材料等研究领域提供了新的解决方案。