plasma等離子清洗機處理材料表面原理及其目的

文章出處：等離子清洗機廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發表時間：2023-01-09

等離子清洗機（plasma cleaner）可以理解為一種利用等離子體來進行清洗的設備，其原理是在兩個電極之間形成高頻交變電場，用真空泵在裝置的密閉容器中實現一定的真空度隨著氣體越來越稀薄，分子間距及分子或離子的自由運動距離也越來越長，區域內氣體在交變電場的激蕩下，形成等離子體。等離子體與物體材料表面的微顆粒污染物或者有機污染物進行物理碰撞或者發生化學反應,進而形成揮發性物質,最后再由真空泵將這些易揮發性的物質排出腔體外部,從而達到清潔及活化物體材料表面的目的。

低溫等離子體材料表面改性技術作為一種干式改性工藝，不會產生傳統化學工藝處理的污染物，處理過程簡易，高效節能，且改性相當均勻。此外，作為一種高能量的粒子聚集態，低溫等離子體可以在對環境要求極低的條件下引發一系列復雜的物理反應和化學反應，如表面刻蝕、聚合、交聯、接枝等。且改性深度通常局限于幾十至幾百個納米，因此可以在不影響材料本體性能的前提下顯著改善材料表面特性，如黏著性、親水性、疏水性等，這種優勢是其他改性方式難以替代的。此外，等離子體中的激發態粒子可以改性所有聚合物的表面，不論它們的結構或化學反應性如何，因此應用范圍非常廣泛。

使用氣體等離子體還可以避免在濕化學技術中遇到的問題，如表面殘留溶劑和基質膨脹。在不同類型的氣體環境中，如氬氣、氧氣、氮氣、氟氣和二氧化碳，可以根據需求產生各種獨特的表面特性。例如，氧等離子體處理可以提高聚合物的表面能；而氟等離子體處理可以降低聚合物的表面能并提高聚合物的化學惰性；惰性氣體等離子體則可以引發聚合物表面的交聯作用。

總之，利用等離子清洗機處理材料表面主要可以用于實現以下目的：

(1) 提升材料表面能；
(2) 改變材料表面形貌，即增加或減少表面粗糙度或結晶度；
(3) 提升疏水性或親水性（如圖1-1所示）；
(4) 提升表面染色性；
(5) 引發表面交聯作用，形成交聯層；
(6) 增加表面潤滑性；
(7) 在表面產生特殊的官能團，以便與其他官能團產生特定的相互作用；
(8) 增加表面導電性；
(9) 去除弱邊界層或污染物；
(10) 提升表面化學惰性

圖1-1 等離子體改善材料表面親水性能

等離子清洗機處理材料表面原理：

低溫等離子體中包含著大量活性粒子，主要包括光子、電子、自由基、處于基態或受激的粒子（原子或分子）以及正離子和負離子。表2-1中列出了這些粒子能量的參數范圍。

可以看出，低溫等離子體中活性粒子的能量較高，而高分子材料中常見的重要化學鍵鍵能則較低，如表2-2所示。

因此，等離子體中的高能粒子可以具有充足的能量打開材料表面的化學鍵，并同時產生游離基。游離基的化學活性非常高，因此在材料表面可以進一步發生一系列化學反應（與氣相物質或與材料表面物質）而產生新的化學鍵，最終達到改性的效果。

氣體等離子體與材料表面的反應類型一般可以分為以下幾類：

(1) 表面反應：包括氣相物質與材料表面物質之間的反應，以及材料表面物質之間的反應（這里主要指氣體中的自由基和材料表面的自由基），可以分別在材料表面形成改性層（等離子體中的自由基與材料表面的自由基形成官能團而引入材料表面）和交聯層（材料表面不穩定的自由基之間發生的反應）。這些反應的例子包括氬氣、氨氣、一氧化碳、二氧化碳、氟氣、氫氣、氮氣、二氧化氮、氧和水的等離子體處理。

(2) )蝕刻與清潔：通過化學反應和物理蝕刻將物質從材料表面去除的過程，形成揮發性產物。如含氧等離子體用于去除聚合物表面的有機污染物，例如低聚物、抗氧化劑等。蝕刻與清潔的區別僅僅在于從表面去除的物質的量。氧等離子體和含氧、含氟等離子體常用于聚合物的刻蝕。

等離子體的生成（電子在電場加速作用下成為高能電子并引發碰撞電離，產生大量激發態粒子和自由基的過程）以及與材料表面的相互作用示意圖如圖3-1所示。

圖3-1 等離子體的生成以及與材料表面的相互作用示意圖

以上就是國產等離子清洗機廠家納恩科技關于等離子清洗機處理材料表面原理及其目的的簡單介紹，在不影響材料本體性質的情況下，通過表面處理來改變材料表面的化學和物理性質的研究已經取得了許多進展。其中利用低溫等離子清洗機處理材料表面技術由于具有高效率、低能耗、綠色環保等特點，且對環境要求很低，因此在眾多改性方法中具有顯著優勢。