低溫等離子體表面改性在材料中的應用

文章出處：本站 | 網站編輯：深圳納恩科技有限公司| 發表時間：2022-04-16

等離子體是分子、原子及其被電離后產生的正負電子組成的氣體狀物質,它是除固、液、氣三態外,物質存在的第四態。等離子體分為高溫等離子體和低溫等離子體。高溫等離子體只有在溫度足夠高時才能發生,太陽和恒星不斷地發出這種等離子體,其粒子溫度高達千萬甚至上億℃,可用于能源領域中的可控核聚變;低溫等離子體在常溫下就可以發生,其電子溫度也可達上千乃至數萬℃,能使分子或原子激發、離解、電離、化合。

低溫等離子體又可分為熱等離子體和冷等離子體。熱等離子體裝置是利用帶電體尖端(如刀狀或針狀尖端和狹縫式電極)造成不均勻電場,稱電暈放電;冷等離子體裝置是在密封容器中設置2個電極形成電場,用真空泵實現一定的真空度,隨著氣體愈來愈稀薄,分子間距及分子或離子的自由運動距離也愈來愈長,受電場作用,它們發生碰撞而形成等離子體,這時會發出輝光,故稱為輝光放電處理。

冷等離子體的一個重要特點是其熱力學的非平衡性,即其電子溫度遠高于其離子和原子等重粒子的溫度,此種非平衡性對等離子體化學與工藝過程非常重要。這意味著:一方面電子有足夠高的能量使反應物分子激發、離解和電離;另一方面反應體系又得以保持低溫乃至接近室溫。

低溫等離子體中粒子的能量一般為幾eV至幾十eV,大于聚合物材料的結合鍵能(幾eV至十幾eV),完全可以破裂有機大分子的化學鍵而形成新鍵;但其能量又遠低于高能放射性射線,因而只涉及材料表面,不影響基體的性能。利用低溫等離子體這一特點,可進行材料的表面改性。通過低溫等離子體表面處理,材料表面發生多重的物理、化學變化,或產生刻蝕而粗糙,或形成致密的交聯層,或引入含氧極性基團,使親水性、粘結性、可染色性、生物相容性及電性能分別得到改善。由于低溫等離子體技術具有工藝簡單、操作方便、加工速度快、處理效果好、環境污染小、節能的優點,低溫等離子體在材料表面改性中的研究與應用近年來顯示出強大的生命力,正處于蓬勃發展的時期。

低溫等離子體表面改性應用

紡織材料表面等離子體改性

羊毛纖維改性
羊毛纖維表面具有鱗片結構,纖維的彈性也很好,因此在洗滌或濕加工時產生定向摩擦效應而使紗線和織物發生氈縮。為了改善羊毛紡織品的這種氈縮性能,可利用低溫等離子體處理羊毛。實驗證明,羊毛纖維經電暈放電等離子體處理后,它在濕態順鱗片方向的摩擦系數明顯變大,也就是說順鱗片方向和逆鱗片方向的摩擦系數差減小,因此降低了定向摩擦效應。

用低溫等離子體處理羊毛不僅可改善其氈縮性能,還能提高染料對羊毛的上染速率。羊毛纖維經等離子體處理,其半染時間變化和除去鱗片的羊毛很接近,證明了等離子體的主要作用是破壞鱗片層的結構,使染料易于擴散進入纖維內部,因為鱗片層是羊毛染色的重要障礙。

棉纖維改性
將等離子體用于棉纖維改性的研究較為廣泛,這包括改善棉纖維的可紡性和強力、改善纖維的粘合性能和潤濕性能、改善纖維的染色性能、進行等離子體接枝變性和功能整理等。

合成纖維改性
滌綸在等離子體處理時,表面受到各種高能粒子作用后,會發生分裂、刻蝕和明顯的失重。隨著纖維表面的裂解、氧化和交聯,纖維的許多性能也隨之變化,失重率越大,性能變化一般也越大。滌綸纖維的半制品織物先經等離子體處理,然后進行染色或整理加工,可以改善染色和整理加工性能;將染色或整理后的滌綸織物進行等離子體處理,則可以增加顏色深度,改善纖維的潤濕性、粘著性、抗靜電性和親水性等。其他合成纖維包括錦綸、維綸、丙綸等也曾采用等離子體進行改性,所得結果與滌綸改性類似。其中丙綸纖維的等離子體改性以增進可染性尤其受到重視,不過由于等離子體改性只是發生在纖維表面,因此改善丙綸染色性能受到很大限制,目前只是處于探索之中。

金屬材料表面等離子體改性

等離子體用于金屬材料表面改性可以提高材料的耐磨性、抗腐蝕性,從而提高金屬材料的使用壽命和使用效率,也可用于提高材料的裝飾性、光滑度等。

塑料、橡膠材料表面等離子體改性

在塑料、橡膠等成形品表面上實施涂裝或印刷等表面加工時,為了改善涂料、墨水與樹脂之間的密合性,人們一般會實施表面處理作業。表面處理方法有多種,其中電暈放電處理、等離子體蝕刻處理是常用的手段。
用低溫等離子體在適宜的工藝條件下處理PE,PP,PVF2,LDPE等材料時,材料表面形態發生了顯著變化,引入的多種含氧基團,使材料表面性能由非極性、難粘性轉為有一定極性、易粘性和親水性,有利于粘結、涂覆和印刷。

生物醫用材料表面等離子體改性

低溫等離子體對醫用材料表面處理,可引入氨基、羰基等基團,生物活性物質與這些基團接枝反應可固定于材料表面。

低溫等離子體中粒子的能量一般約為幾個至幾十電子伏特,大于聚合物材料的結合鍵能(幾個至十幾電子伏特),完全可以破裂有機大分子的化學鍵而形成新鍵;但遠低于高能放射性射線,只涉及材料表面,不影響基體的性能。處于非熱力學平衡狀態下的低溫等離子體中,電子具有較高的能量,可以斷裂材料表面分子的化學鍵,提高粒子的化學反應活性(大于熱等離子體),而中性粒子的溫度接近室溫,這些優點為熱敏性高分子聚合物表面改性提供了適宜的條件。低溫等離子體在材料表面改性方面的許多應用充分顯示了其廣闊的應用前景