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近年來,等離子體技術作為一種新型的材料表面改性處理方法受到了越來越多的重視。等離子體表面處理具有明顯的高效快捷、操作靈活、可選擇性大、適應性強以及綠色無污染等特點,可以顯著改善材料表面的浸潤性以及增強界面的結合性能,同時保證不會對材料自身機體性質產生任何影響。利用等離子體表面改性技術改善材料界面粘結性能已經引起了廣泛的關注。

等離子體簡介

等離子體是一種物質能量較高的聚集狀態,是由具有能量的電子、離子、自由基以及未電離的中性粒子等的集合組成,常被稱為自然界中物質的第四態。等離子體通過氣體的高度電離會產生大量的高能粒子,因整個體系粒子所具有的正負電荷數是相等的,所以等離子體是整體呈中性的物質狀態。所謂的“電離”,通常是指物質經過低溫加熱,從固態轉化為液態再逐漸轉化為氣態的過程,在這一過程中,持續升溫加熱作用使得物質分子中的原子逐漸分離開來,進一步自由電子擺脫原子核的束縛被釋放,整個氣體被電離,從而形成等離子體。根據等離子體的放電形式可以將等離子體分為電弧放電等離子體、輝光放電等離子體、電暈放電等離子體、介質阻擋放電等離子體以及射頻放電等離子體等。因此,按照等離子體電離反應所需溫度區分等離子體可分為主要應用于核工業領域的高溫等離子體(溫度范圍為108~109K)以及主要應用于制備催化劑與合成材料的低溫等離子體兩大類。其中,低溫等離子體又分為熱等離子體和冷等離子體。處于平衡狀態的熱等離子體被稱為平衡等離子體,與之對應的冷等離子體則被稱為非平衡等離子體,這主要是因為在常壓室溫的非平衡狀態條件下其體系溫度依舊可以很好的保持。低溫冷等離子體由于保持低溫反應體系所需能耗較小,可以有效節約投資以及降低能源消耗。因此,低溫冷等離子體在材料表面改性等領域有著重要的應用。

等離子體表面改性是一個極為復雜的過程,這是主要是由于構成等離子體的高能粒子種類繁多(電子、離子以及中性分子等)且等離子體中的高能粒子與材料表面可能發生多種類型、多種途徑的物理、化學反應。此外,利用等離子體進行材料表面改性處理同時涉及多種類型化學鍵的斷裂以及新的化學鍵的重組合成。等離子體表面改性具有顯著的高效快捷、操作簡便以及適用性廣等特點,其中最為突出的是僅限于對材料表面微納米程度的有效改性,并不會改變材料本體所具有的性質,因此可以顯著改善材料表面親疏水性、靜電吸附性以及表面粘結等特性。

等離子體處理增加材料表面粘結性原理

等離子體處理增加材料表面粘結性主要是依據等離子體對材料表面的活化作用以及表面刻蝕作用。利用等離子體對材料表面進行改性處理時,其所包含的多種高能活性粒子可以通過碰撞作用向材料表面上的分子傳遞能量,進一步引發材料表面分子間化學鍵的斷裂與重組,使其被成功電離或激發,從而達到活化材料表面的目的。進一步經等離子體活化的材料表面活性位點可以引入一些特定官能團,主要是含氧官能團,如:?OH以及?COOH等。極性含氧官能團的增加可以顯著提高材料總的表面能,大大改善材料表面的潤濕性以及粘結性等。此外,由于等離子體中存在的大量高能粒子(如電子、離子等)會撞擊材料表面引起表面刻蝕,導致材料表面產生微細的凸起結構,大大增加活化的材料表面粗糙度,從而顯著提高材料界面的粘結性。