等离子表面活化处理及其原理-深圳纳恩科技有限公司

等离子表面活化

使用等离子表面活化可以使材料表面更好地涂漆、粘接、印刷或键合

等离子体表面活化是通过将改性气体引入等离子体设备中对待改性表面进行改性的技术。可以有效地改变塑料、金属、纺织品、玻璃、再生和复合材料的表面特性。利用电能将气体电离成高活性化学物质的混合物，包括自由基、电子、离子和亚稳态活性物质。这些活性物质可以破坏聚合物材料表面的化学键，并用其他所需要的化学基团来取代原先的化学键。不同的气体电离得到的官能团不同，一般有羧基、羟基、羰基、和胺基。由此可以通过改变工作气体在材料表面引入不同的官能团。

表面具有良好的润湿性，是确保在涂漆、粘接、印刷或者键合时与结合配偶体粘附的前提条件。不仅含油和油脂的污染物会对润湿造成妨碍，而且诸多材料的洁净表面也无法与各种液体、粘合剂和颜料充分润湿。液体滴落，即使经过固化或干燥处理后，其也无法粘附在表面上。原因在于，基材的表面能较低。表面能较低的材料能够润湿表面能较高的材料，但是反之不可。所涂抹液体的表面能，在液体中也称之为表面张力，在任何情况下都必须低于基材的表面能。

等离子表面活化原理

等离子体中除了气体分子、离子和电子外,还存在受电场作用处于激发态的原子或原子团自由基,以及等离子体发射出的光线。等离子体中的各激发态粒子或自由基在传递能量的同时,与待清洗物体表面污染物间产生活化反应。

原子团自由基的活化作用
原子团自由基的作用主要表现在化学反应过程中能量传递的活化作用,处于激发状态的自由基具有较高的能量,因此容易和物体表面污染物分子结合生成新的自由基,新形成的自由基同样处于不稳定的高能量状态,易发生分解反应,在变成较小分子的同时生成新的自由基。上述反应持续进行直至污染物大分子分解成挥发性的简单小分子。此外,自由基与污染物分子结合时,会释放出大量的结合能,这种能量又成为引发新的活化反应推动力,从而导致污染物在等离子体活化反应作用下而被清除。

电子的活化作用
一方面电子对待清洗物体表面的撞击作用,可促使吸附在物体表面的污染物分子发生分解或解析,另一方面大量的电子撞击有利于引发激发态离子或原子团自由基与污染物分子的化学反应。由于电子质量极小,因此比离子的移动速度要快得多,当进行等离子体清洗时,电子要比其它粒子更早到达物体表面,并使该表面带有负电荷,从而有利于引发进一步活化反应。

离子的活化作用
通常指的是带正电荷的工作气体阳离子的作用,阳离子在电场作用下有加速冲向带负电荷物体表面的倾向。此时,待清洗物体表面获得相当大的动能,足以撞击去除表面上附着的颗粒性物质。而通过阳离子的冲击作用可极大促进物体表面活化反应发生的几率。

发射光线的活化作用
等离子体中的发射光线具有很强的光能,可促使附着在待清洗物体表面的污染物分子键断裂而发生分解,而且发射光线中的光子具有很强的穿透能力,可透过污染物表层数微米而产生作用。

塑料等离子表面活化处理

诸如聚丙烯或者PTFE之类的塑料均为非极性结构。这意味着在印刷、涂漆和粘合之前必须对这些塑料进行预处理。通过等离子表面活化，可以使表面的表面能增高，从而为所涂抹的液体建立积聚点。

传统上使用化学底漆、液态增附剂进行活化。其往往具有较高的腐蚀性和环境危害性。一方面，必须在进行后续处理前进行充分排气，另一方面，其通常无法长时间保持活化状态。即使通过化学底漆也无法对非极性材料（如聚烯烃）进行充分活化。

在空气或氧气等离子体中进行表面活化时，塑料聚合物的非极性氢键将被氧键取代。其可以提供自由价电子，用于与液体分子键合。通过在低压或常压条件下进行等离子活化，还可以使“非粘合性”塑料如POM、PE和PP具有非常好的粘合性和可涂漆性。可以非常精确地设置所需的表面能，这样还可以避免过度活化，过度活化会导致蚀刻。

在低压等离子体中，除了空气和氧气之外还可以使用其他气体，通过其取代氧气使例如氮气(N2)、胺类(NHx)或者羰基(-COOH)作为活性基团聚合。这些部件在几分钟到几个月的时间内保持活化状态。在处理结束后的数周内仍可对聚丙烯进行后续处理。

金属、陶瓷和玻璃的等离子表面活化处理

金属、陶瓷和玻璃的表面能通常比塑料的表面能更高。尽管如此，针对这些材料的应用用途，采用等离子表面活化也是存在优势的。焊料合金的表面张力较高，并且会从很多金属表面上滚落下来。因此，对金属进行等离子活化可以在焊接时改善润湿性。但是，金属的活化非常不稳定，因此持续时间较短。若对金属进行活化，则必须在几分钟或者几小时之内进行后续加工处理（粘合、涂漆...），因为表面很快就会永久性的与环境空气中的污染物结合。最好是在进行诸如焊接或者键合等工艺流程之前进行金属活化处理。

等离子粉末活化处理

UHMWPE（超高分子量）粉末活化
亲水性UHMW聚乙烯粉末可作为创新方法应用于诸多用途。其可以作为橡胶中的混合料使用，其结果是此处的抗撕裂强度更高。此外，还可以通过亲水性聚乙烯粉末增加金属和塑料之间的粘合强度。通过采用低压方法的等离子表面活化处理，可以实现这种亲水化处理。

在等离子体活化处理中，电子具有较高的能量，可以将表面非极性分子的化学键断裂，使其具有较高的化学反应活性，可以使得表面自由价电子与液体分子结合，从而提高材料表面的粘合性、亲附性等。