低温等离子体表面改性在材料中的应用

文章出处：本站 | 网站编辑：深圳纳恩科技有限公司| 发表时间：2022-04-16

等离子体是分子、原子及其被电离后产生的正负电子组成的气体状物质,它是除固、液、气三态外,物质存在的第四态。等离子体分为高温等离子体和低温等离子体。高温等离子体只有在温度足够高时才能发生,太阳和恒星不断地发出这种等离子体,其粒子温度高达千万甚至上亿℃,可用于能源领域中的可控核聚变;低温等离子体在常温下就可以发生,其电子温度也可达上千乃至数万℃,能使分子或原子激发、离解、电离、化合。

低温等离子体又可分为热等离子体和冷等离子体。热等离子体装置是利用带电体尖端(如刀状或针状尖端和狭缝式电极)造成不均匀电场,称电晕放电;冷等离子体装置是在密封容器中设置2个电极形成电场,用真空泵实现一定的真空度,随着气体愈来愈稀薄,分子间距及分子或离子的自由运动距离也愈来愈长,受电场作用,它们发生碰撞而形成等离子体,这时会发出辉光,故称为辉光放电处理。

冷等离子体的一个重要特点是其热力学的非平衡性,即其电子温度远高于其离子和原子等重粒子的温度,此种非平衡性对等离子体化学与工艺过程非常重要。这意味着:一方面电子有足够高的能量使反应物分子激发、离解和电离;另一方面反应体系又得以保持低温乃至接近室温。

低温等离子体中粒子的能量一般为几eV至几十eV,大于聚合物材料的结合键能(几eV至十几eV),完全可以破裂有机大分子的化学键而形成新键;但其能量又远低于高能放射性射线,因而只涉及材料表面,不影响基体的性能。利用低温等离子体这一特点,可进行材料的表面改性。通过低温等离子体表面处理,材料表面发生多重的物理、化学变化,或产生刻蚀而粗糙,或形成致密的交联层,或引入含氧极性基团,使亲水性、粘结性、可染色性、生物相容性及电性能分别得到改善。由于低温等离子体技术具有工艺简单、操作方便、加工速度快、处理效果好、环境污染小、节能的优点,低温等离子体在材料表面改性中的研究与应用近年来显示出强大的生命力,正处于蓬勃发展的时期。

低温等离子体表面改性应用

纺织材料表面等离子体改性

羊毛纤维改性
羊毛纤维表面具有鳞片结构,纤维的弹性也很好,因此在洗涤或湿加工时产生定向摩擦效应而使纱线和织物发生毡缩。为了改善羊毛纺织品的这种毡缩性能,可利用低温等离子体处理羊毛。实验证明,羊毛纤维经电晕放电等离子体处理后,它在湿态顺鳞片方向的摩擦系数明显变大,也就是说顺鳞片方向和逆鳞片方向的摩擦系数差减小,因此降低了定向摩擦效应。

用低温等离子体处理羊毛不仅可改善其毡缩性能,还能提高染料对羊毛的上染速率。羊毛纤维经等离子体处理,其半染时间变化和除去鳞片的羊毛很接近,证明了等离子体的主要作用是破坏鳞片层的结构,使染料易于扩散进入纤维内部,因为鳞片层是羊毛染色的重要障碍。

棉纤维改性
将等离子体用于棉纤维改性的研究较为广泛,这包括改善棉纤维的可纺性和强力、改善纤维的粘合性能和润湿性能、改善纤维的染色性能、进行等离子体接枝变性和功能整理等。

合成纤维改性
涤纶在等离子体处理时,表面受到各种高能粒子作用后,会发生分裂、刻蚀和明显的失重。随着纤维表面的裂解、氧化和交联,纤维的许多性能也随之变化,失重率越大,性能变化一般也越大。涤纶纤维的半制品织物先经等离子体处理,然后进行染色或整理加工,可以改善染色和整理加工性能;将染色或整理后的涤纶织物进行等离子体处理,则可以增加颜色深度,改善纤维的润湿性、粘着性、抗静电性和亲水性等。其他合成纤维包括锦纶、维纶、丙纶等也曾采用等离子体进行改性,所得结果与涤纶改性类似。其中丙纶纤维的等离子体改性以增进可染性尤其受到重视,不过由于等离子体改性只是发生在纤维表面,因此改善丙纶染色性能受到很大限制,目前只是处于探索之中。

金属材料表面等离子体改性

等离子体用于金属材料表面改性可以提高材料的耐磨性、抗腐蚀性,从而提高金属材料的使用寿命和使用效率,也可用于提高材料的装饰性、光滑度等。

塑料、橡胶材料表面等离子体改性

在塑料、橡胶等成形品表面上实施涂装或印刷等表面加工时,为了改善涂料、墨水与树脂之间的密合性,人们一般会实施表面处理作业。表面处理方法有多种,其中电晕放电处理、等离子体蚀刻处理是常用的手段。
用低温等离子体在适宜的工艺条件下处理PE,PP,PVF2,LDPE等材料时,材料表面形态发生了显著变化,引入的多种含氧基团,使材料表面性能由非极性、难粘性转为有一定极性、易粘性和亲水性,有利于粘结、涂覆和印刷。

生物医用材料表面等离子体改性

低温等离子体对医用材料表面处理,可引入氨基、羰基等基团,生物活性物质与这些基团接枝反应可固定于材料表面。

低温等离子体中粒子的能量一般约为几个至几十电子伏特,大于聚合物材料的结合键能(几个至十几电子伏特),完全可以破裂有机大分子的化学键而形成新键;但远低于高能放射性射线,只涉及材料表面,不影响基体的性能。处于非热力学平衡状态下的低温等离子体中,电子具有较高的能量,可以断裂材料表面分子的化学键,提高粒子的化学反应活性(大于热等离子体),而中性粒子的温度接近室温,这些优点为热敏性高分子聚合物表面改性提供了适宜的条件。低温等离子体在材料表面改性方面的许多应用充分显示了其广阔的应用前景