Plasma处理会对材料表面产生哪些作用？

文章出处：本站 | 网站编辑：深圳纳恩科技有限公司| 发表时间：2023-03-15

等离子体（plasma）由诺贝尔化学奖得主欧文·朗缪尔(IrringLangmuir)于1928年首次提出，用来描述气体放电管里的物质。如图1.1所示，等离子体（plasma）是继固态、液态、气态三态以外的第四种物质状态，是在特定条件下使气体部分电离而产生的非凝聚体系，由中性的原子或分子、激发态的原子或分子、自由基、电子或负离子、正离子及辐射光子组成，且整体上表现为近似电中性的电离气体。当物质在气态下，进一步获得能量，原子的外层电子将摆脱原子核的束缚变成自由电子，失去电子后原子变成了带正电的离子，发生电离过程，而等离子体（plasma）就是这种高度电离的状态。无论在组成还是在性质上，等离子体（plasma）与普通气体有着本质的区别。首先，它是一种导电流体，而又可以在与气体体积相比拟的宏观尺度内维持电中性。其次，作为一个带电粒子系，其运动行为会受到磁场的影响和支配。再者，等离子体（plasma）中的电子、离子以及中性粒子之间会发生各种类型的相互作用，电离气体中的带电粒子间存在的库仑力使得比理想气体中粒子间的相互作用复杂得多。

图1.1 等离子体（plasma）状态示意图-NAENPLASMA

Plasma处理作用原理

等离子体（plasma）处理主要是利用氩气、氧气、氮气等非聚合性无机气体的等离子体（plasma），当它们作用于高分子材料表面时，就会在材料表面产生物理或化学反应。参与反应的粒子很多，不仅有自由基、激发态的分子以及离子，可以生成新的官能团，也包括等离子体（plasma）辐射紫外光的作用，促使某些反应的发生。可以通过光辐射、中性分子流和离子流作用，让等离子体（plasma）的能量作用在材料表面。

Plasma处理对材料表面作用方式

等离子体（plasma）对高分子材料的作用过程，通常比较复杂，有可能是在表面引入了特定官能团，使得材料具有其它性能，或者生成了表面自由基或者形成了交联结构层，或者产生了表面刻蚀，让其它基团暴露，通常这些作用都不是单一的，而是以某种作用为主，多种作用共同存在。

1）表面刻蚀（plasma etching）
等离子体（plasma）表面处理会对高分子材料产生刻蚀作用，大体上有两个原因，一是等离子体（plasma）中的电子、离子等活性粒子撞击材料表面时，会引起溅射侵蚀，二是等离子体（plasma）中的化学活性种的活性很强，通常会对材料表面产生化学侵蚀。这样固体与等离子体（plasma）态的气体发生反应，生成了新的气体，从而改变了固体表面物理性质。反应类型如下：A（s）+B(g)→C（g）。等离子体（plasma）中存在很多高能粒子，它们会使材料表面变得粗糙，材料的比表面积也增加了，材料的粘合性、润丝性等也得到了提高。

2）生成自由基
利用非聚合性气体的等离子体（plasma）作用于高分子材料表面，大分子可以得到活性粒子的能量，或者是受到等离子体（plasma）辐射能的照射，大分子会在材料的表面产生自由基。

新产生的自由基通常还可以继续反应，各种官能团的引入、形成交联结构的表面层，或者与其它高分子单体发生反应形成表面的接枝层。

3）引入各种官能团
通过高能电子的撞击以及紫外光的激发，会使得被处理材料的表面分子链发生断裂，大量的自由基从而产生，而它们中的一部分会继续发生化学反应，比如通过自由基与氧气发生反应：R·+O2→含氧基团（-OH，—OOH等）。或者是它们接触空气后与空气中的反应气体发生进一步的化学反应，可以引入各种官能团。特定的官能团还可以通过采用其它的工作气体来引入，这样在材料表面就会出现一些新的状态，它们与之前的状态完全不同。高分子材料表面的憎水性也会得到不同程度的改变。反应类型为A（s）+B(g)→C（s）。这种反应会在固体表面生成新的化合物，是改变固体表面化学性质的反应，所以称为固体表面改质。

4）交联反应
在被plasma处理的材料表面，常常会生成一种非常致密的交联层，主要是由于部分自由基也会相互发生反应，这种交联层可以强化表面层，对防止老化是有帮助的，也有助于材料耐磨性的提高、耐化学品性和黏着性也有所增强，还可以防止添加剂的渗出，可以起到保护材料体相的作用。

在被等离子体（plasma）处理的高分子材料表面常常伴随两种作用，生成的自由基存在引入官能团和交联反应的竞争与平衡，如果没有生成极性基团只在高分子材料表面发生交联，那么材料的润湿性能不会有所改善，而材料的粘着性有所提高。

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