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等離子清洗機(jī)的基本結(jié)構(gòu)大致相同,一般由真空室、真空泵、高頻電源、電極、氣體導(dǎo)入系統(tǒng)、工件傳送系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等部分組成。可以通過(guò)選用不同種類的氣體和調(diào)整裝置的特征參數(shù)等方法滿足不同的清洗用途和要求,使工藝流程實(shí)現(xiàn)最佳化。

等離子體清洗方式主要分為物理清洗和化學(xué)清洗。物理清洗的原理是,由射頻電源電離氣體產(chǎn)生等離子體,具有很高的能量等離子體通過(guò)物理作用轟擊金屬表面,使金屬表面的污染物從金屬表面脫落?；瘜W(xué)清洗的原理是,活性粒子與材料表面的有機(jī)物分子結(jié)合在一起形成新的不穩(wěn)定基團(tuán),最終分解成具有揮發(fā)性的氣體和水離開材料表面。

等離子清洗機(jī)改性原理

表1-2給出了幾種典型的聚合物化學(xué)鍵解離能。由表1-3中等離子清洗機(jī)放電產(chǎn)生的粒子能量可知,輝光放電中電子轟擊能量不高于20eV,高于聚合物中常見的化學(xué)鍵能,因此等離子體具有足夠的能量引起聚合物表面各種化學(xué)鍵的斷裂或重組,實(shí)現(xiàn)改性。

等離子體中粒子與材料表面相互作用的示意圖如圖1.3所示。等離子體與材料相互接觸,一方面將自身能量傳給材料表面分子,一方面對(duì)材料表面進(jìn)行刻蝕,表面吸附的氣體或其他物質(zhì)的分子會(huì)發(fā)生解吸附;一部分粒子可能發(fā)生自濺射,特別是一些電子、亞穩(wěn)態(tài)粒子會(huì)貫穿到材料內(nèi)部;材料表面分子受到撞擊后,電子層在激發(fā)的作用下發(fā)生躍遷,淺表層的電子因?yàn)R射和輻射作用也可能逃逸到材料表面以上的空間。

圖1.4 等離子體中粒子與材料表面相互作用示意圖

等離子清洗機(jī)改性是利用等離子體轟擊材料表面,其中高速運(yùn)動(dòng)的電子與放電腔中的氣體分子、原子發(fā)生碰撞,這些分子和原子能量增大,會(huì)激發(fā)產(chǎn)生新的離子、電子、亞穩(wěn)態(tài)粒子或生成自由基,產(chǎn)生各種不同活性粒子,如果活性粒子的能量大于材料表面分子的鍵能,就能將材料表面分子間的化學(xué)鍵打開,生成自由基,分子鍵甚至發(fā)生斷裂和分解。

在對(duì)聚合物材料利用等離子體表面改性時(shí),當(dāng)利用非反應(yīng)氣體(如氬氣、氫氣等)放電對(duì)材料表面改性時(shí),理論上氣體不參與表面反應(yīng),只是把能量傳給表面分子,活化生成鏈自由基,然后相互反應(yīng)生成表面交聯(lián)層。若是反應(yīng)型氣體(如氮?dú)?、氧氣?放電等離子體對(duì)材料表面改性時(shí),則氧氣可以在高分子材料表面引入大量的含氧官能團(tuán),如羧基、羥基、羰基等,使得表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng),從而達(dá)到改性目的。此外,在等離子體表面改性過(guò)程中,由于離子碰撞材料表面的刻蝕作用,在材料表面會(huì)形成凹凸?fàn)畹耐蛊稹R射產(chǎn)生的物質(zhì)受到等離子體的激勵(lì),在表面上逆向擴(kuò)散,形成大量突出物,材料表面形貌發(fā)生改變。

一般認(rèn)為,在經(jīng)過(guò)等離子清洗機(jī)改性后,材料表面主要表現(xiàn)4種物理化學(xué)變化:

(1) 生成自由基:活性粒子撞擊材料表面,表面分子化學(xué)鍵打開,產(chǎn)生大分子的自由基團(tuán),使材料表面具有活性;

(2) 表面刻蝕:等離子體中高能粒子不斷轟擊材料表面,一是大量的電子離子等活性粒子撞擊材料表面引起了濺射侵蝕,二是等離子體中的活性種粒子對(duì)材料表面的化學(xué)侵蝕,從而使材料表面變得粗糙;

(3) 引入極性基團(tuán):表面的自由基與等離子體放電區(qū)域的氧、氮等活性粒子結(jié)合從而引入了一些極性基團(tuán),具有較強(qiáng)的反應(yīng)活性;

(4) 表面交聯(lián):表面的部分自由基相互發(fā)生反應(yīng),在材料表面生成一種致密的交聯(lián)層,使表面層得以強(qiáng)化。

在等離子體與材料的作用中,各種粒子的密度、能量都是關(guān)鍵的參數(shù)。一旦等離子體本身的特性發(fā)生變化,化學(xué)平衡狀態(tài)被改變,則其中的電子、離子、活性基團(tuán)等各種粒子密度、能量等均隨之而改變,直接影響到等離子體與材料表面的相互作用,造成被處理材料性能和表面特征上的差異。