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隨著工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展,材料的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣,對材料表面性能的要求也越來越高,為此人們采用了多種方法對材料進行表面改性,以提高其表面性能從而適應(yīng)不同的應(yīng)用要求。近年來利用低溫等離子體進行材料表面改性獲得越來越廣泛的應(yīng)用,已逐漸成為等離子體和材料科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點問題之一。低溫等離子體材料表面改性可使材料表面產(chǎn)生一系列物理、化學(xué)變化,從而提高材料的表面性能,而材料的基體性能幾乎不受影響。相對于其他方法,低溫等離子體改性技術(shù)是一種干式工藝,具有高效節(jié)能、無污染、無公害等優(yōu)點,在材料表面改性中具有獨特的應(yīng)用價值。

低溫等離子體主要是通過氣體放電產(chǎn)生的,產(chǎn)生低溫等離子體的放電形式主要有電暈放電、輝光放電和介質(zhì)阻擋放電(DBD)等。電暈放電通常發(fā)生在極不均勻電場中的強電場區(qū)域,且這種放電較弱,效率較低。輝光放電一般是在低氣壓下產(chǎn)生的,需要昂貴的真空系統(tǒng),雖然目前已報道了在多種氣體中產(chǎn)生均勻模式的DBD(又稱大氣壓下輝光放電APGD),但其產(chǎn)生也只是限定在特定條件之下,尚不能滿足大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的要求。DBD寬幅等離子清洗機在大氣壓下就能得到大體積、高能量密度的低溫等離子體,與這兩種放電相比,其功率密度適中,運行氣壓范圍較寬,兼有輝光放電的放電均勻性和電暈放電可在高氣壓下產(chǎn)生的優(yōu)點,不需要真空設(shè)備就能在接近室溫條件下獲得化學(xué)反應(yīng)所需的活性粒子,同時,其生產(chǎn)設(shè)備簡單、操作方便,是適合大規(guī)模連續(xù)化工業(yè)應(yīng)用的一種氣體放電形式。

DBD寬幅等離子清洗機材料表面改性原理

DBD寬幅等離子清洗機是將絕緣介質(zhì)插入放電空間的一種氣體放電形式,在電極間安插絕緣介質(zhì)可以阻止放電發(fā)展到電弧階段,從而能在大氣壓下產(chǎn)生穩(wěn)定的低溫等離子體。DBD放電空間的電場達到氣體的擊穿場強后,放電空間的氣體電離在放電空間產(chǎn)生大量的活性粒子(如電子、離子、準分子、激勵態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)粒子、中性粒子及紫外光輻射光子等)。DBD放電空間的活性粒子能量一般為幾至幾十電子伏特,大于一般材料的結(jié)合鍵能,與材料表面作用后完全可以打開化學(xué)鍵而形成新鍵,但其能量又遠低于高能放射性射線,故改性只涉及材料表面幾至幾百納米范圍內(nèi)。DBD等離子體與材料表面相互作用后,材料表面分子間的化學(xué)鍵被打開,并與放電空間中的氧、氮等自由基結(jié)合,在材料表面形成含氧、含氮的極性基團。由于表面增加了大量的極性基團,使材料表面的粘接性、吸濕性、可染色性、印刷性、抗腐蝕性及生物相容性等性能得到改善。研究表明,DBD等離子體作用后材料表面主要發(fā)生4種物理化學(xué)變化：①產(chǎn)生自由基：放電空間活性粒子撞擊材料表面使表面分子間化學(xué)鍵被打開從而產(chǎn)生大分子自由基,使材料表面具有反應(yīng)活性。②發(fā)生表面刻蝕：材料表面變粗糙,表面形狀發(fā)生變化；③發(fā)生表面交聯(lián)：材料表面的自由基之間重新結(jié)合,形成一層致密的網(wǎng)狀交聯(lián)層；④引入極性基團：表面的自由基與DBD放電空間的反應(yīng)性活性粒子結(jié)合從而引入具有較強反應(yīng)活性的極性基團。

DBD寬幅等離子清洗機材料表面改性的效果與所用氣體的類型有關(guān),不同氣體電離后所產(chǎn)生的活性粒子類型不同,對材料表面作用的效果也是不同的,但通常上述4種作用同時發(fā)生。反應(yīng)性氣體(如N2、O2、CO、CO2、CF4等)中產(chǎn)生的DBD等離子體含有豐富的反應(yīng)性活性粒子,可直接與材料表面的大分子自由基結(jié)合,從而改變材料表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)。如氧氣DBD等離子體能在材料表面引入-OH、-COOH等大量的含氧基團,且由于氧對材料表面的氧化分解,同時使表面發(fā)生刻蝕。此外,空氣、CO、CO2及其他含氧氣體DBD等離子體由于可以分解出原子氧,同樣具有氧氣DBD等離子體的作用。非反應(yīng)性氣體(如H2、Ar、He等)中產(chǎn)生的DBD等離子體雖含有大量活性粒子,但不能與材料表面的自由基直接作用。因此用非反應(yīng)性氣體DBD進行表面改性主要是利用等離子體中高能粒子轟擊,使材料表面產(chǎn)生大量自由基,處理后這些自由基與空氣中含氮和含氧成分作用從而改變材料表面化學(xué)結(jié)構(gòu)。另外,用同樣形式DBD等離子體處理不同形式材料時,作用效果也是不同的：處理含氧材料表面時,由于材料表面化學(xué)鍵斷裂分解形成大分子碎片,進入DBD等離子體內(nèi)形成活性氧,將出現(xiàn)交聯(lián)、刻蝕、引入極性基團三者的競爭過程；對于不含氧的材料,采用非反應(yīng)性氣體處理時,只有處理后與空氣中的氧作用而引入極性基因的過程。

DBD寬幅等離子清洗機對材料表面改性是一種新型的表面改性方法,它可以有效地改善材料表面性能,且憑借其獨特的優(yōu)點使其具有其它傳統(tǒng)方法不可比擬的優(yōu)勢。