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等離子體由帶電粒子(電子和離子)、激發(fā)原子(自由基，亞穩(wěn)態(tài)分子)和光子 的混合物組成，離子、電子、激發(fā)原子等物質(zhì)會(huì)對(duì)纖維表面進(jìn)行轟擊，等離子體中的各種活性粒子撞擊材料表面并誘發(fā)能量交換，導(dǎo)致許多物理和化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)針對(duì)纖維膜的表面改性。等離子體與纖維膜表面的相互作用原理，根據(jù)反應(yīng)類型可細(xì)分為以下四類：

清洗作用

通常有機(jī)材料在加工過程中會(huì)使用一定的填料或添加劑，導(dǎo)致材料表面堆積形成表面雜質(zhì)層，等離子體處理可以有效去除纖維表面的雜質(zhì)，等離子體對(duì)纖維膜的清洗作用是通過熱效應(yīng)、刻蝕作用以及電子、離子和自由基引起的化學(xué)反應(yīng)協(xié)同實(shí)現(xiàn)的。由于等離子體中處理纖維膜表面會(huì)受到電子、離子轟擊和等離子體輻射的加熱，刻蝕作用可去除表面的懸浮顆粒，對(duì)纖維膜的清潔起到主要作用。另外，等離子體產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)在纖維膜的表面吸附和解吸，從而通過化學(xué)反應(yīng)清潔纖維表面。作為干法去除雜質(zhì)的方法，處理過程中不會(huì)產(chǎn)生廢液，不會(huì)造成環(huán)境污染。

表面功能化

低溫等離子體處理使用等離子體氣體來修飾纖維表面，經(jīng)電場(chǎng)傳遞能量后的氣體電子被加速與中性氣體分子或原子碰撞，碰撞會(huì)產(chǎn)生大量具有極高能量和活化作用的自由基，進(jìn)而反應(yīng)氣體被激發(fā)產(chǎn)生活性粒子。等離子體產(chǎn)生高能量的離子和光子提供高于共價(jià)C-C或C-H鍵能的能量，然后轟擊破壞了纖維膜表面的C-C或C-H鍵，導(dǎo)致C自由基的形成。當(dāng)選用不同的處理氣氛，可以在纖維表面引入不同類型的反應(yīng)基團(tuán)。采用含F(xiàn)、Si或Cl的氣體或化學(xué)試劑蒸氣作為反應(yīng)物，與非反應(yīng)性載氣混合進(jìn)行放電，可在纖維表面引入疏水基團(tuán)。當(dāng)纖維膜被非反應(yīng)性氣體(N2、和He)或反應(yīng)性氣體(02和NH3)產(chǎn)生的等離子體處理時(shí)，纖維表面可以引入一些反應(yīng)性基團(tuán)導(dǎo)致呈現(xiàn)親水性。

刻蝕作用

隨著等離子體處理時(shí)間的增加，纖維表面的弱邊界往往被等離子體中的塊狀粒子的轟擊和濺射去除。此時(shí)，纖維表面形貌發(fā)生變化，表面粗糙度增大，可以依據(jù)SEM圖像直觀觀察到纖維膜表面出現(xiàn)了許多明顯的縫隙。因此，為避免對(duì)纖維膜基底的損傷，通常選用較低的電壓或氣體消耗下進(jìn)行。當(dāng)?shù)入x子體處理時(shí)間過長時(shí)，間隙深度達(dá)到數(shù)十至數(shù)百納米。

接枝聚合

通過等離子體預(yù)活化纖維膜表面，可在原納米纖維表面接枝聚合材料以形成新的表面。具體包括以下步驟：氣相中的有機(jī)前體活化，將所得反應(yīng)性成膜物質(zhì)傳輸?shù)交谋砻?，以及表面上的聚合物生長。需要注意的是，聚合過程總是與蝕刻效應(yīng)相伴隨。事實(shí)上，它們是同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)過程。

根據(jù)所用單體及其物質(zhì)的不同，纖維表面聚合主要有三種方法：(1)氣液相直接聚合，處理后的納米纖維在真空環(huán)境下聚合并接枝液相單體，不與空氣接觸。(2)氣相直接聚合，經(jīng)過等離子體處理后，將氣相單體引入直接與納米纖維接觸，發(fā)生聚合接枝反應(yīng)。(3)氧化間接接枝，經(jīng)等離子體處理的纖維膜與空氣或02連接形成氧化物，然后聚合并接枝液相單體。與氣液相接枝相比，氣相接枝具有單體利用率高和干法等離子體處理的優(yōu)點(diǎn)，但也存在單體濃度小，導(dǎo)致接枝率低的問題。相較于表面處理法僅新的表面活性層，進(jìn)而改變纖維表面特性，但貯存時(shí)間較短。因此，采用氧化間接接枝聚合法可在纖維表面引入以共價(jià)鍵和基體相結(jié)合的高分子，有效提升結(jié)合強(qiáng)度。

相較于化學(xué)改性，等離子體改性是一種干式改性方法，只引起被纖維膜50～100am表層的物理或化學(xué)變化。在不改變纖維膜基體優(yōu)良性能的同時(shí)，能賦予其新的特性。