Plasma處理會對材料表面產生哪些作用？

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：2023-03-15

等離子體（plasma）由諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾(IrringLangmuir)于1928年首次提出，用來描述氣體放電管里的物質。如圖1.1所示，等離子體（plasma）是繼固態、液態、氣態三態以外的第四種物質狀態，是在特定條件下使氣體部分電離而產生的非凝聚體系，由中性的原子或分子、激發態的原子或分子、自由基、電子或負離子、正離子及輻射光子組成，且整體上表現為近似電中性的電離氣體。當物質在氣態下，進一步獲得能量，原子的外層電子將擺脫原子核的束縛變成自由電子，失去電子后原子變成了帶正電的離子，發生電離過程，而等離子體（plasma）就是這種高度電離的狀態。無論在組成還是在性質上，等離子體（plasma）與普通氣體有著本質的區別。首先，它是一種導電流體，而又可以在與氣體體積相比擬的宏觀尺度內維持電中性。其次，作為一個帶電粒子系，其運動行為會受到磁場的影響和支配。再者，等離子體（plasma）中的電子、離子以及中性粒子之間會發生各種類型的相互作用，電離氣體中的帶電粒子間存在的庫侖力使得比理想氣體中粒子間的相互作用復雜得多。

圖1.1 等離子體（plasma）狀態示意圖-NAENPLASMA

Plasma處理作用原理

等離子體（plasma）處理主要是利用氬氣、氧氣、氮氣等非聚合性無機氣體的等離子體（plasma），當它們作用于高分子材料表面時，就會在材料表面產生物理或化學反應。參與反應的粒子很多，不僅有自由基、激發態的分子以及離子，可以生成新的官能團，也包括等離子體（plasma）輻射紫外光的作用，促使某些反應的發生。可以通過光輻射、中性分子流和離子流作用，讓等離子體（plasma）的能量作用在材料表面。

Plasma處理對材料表面作用方式

等離子體（plasma）對高分子材料的作用過程，通常比較復雜，有可能是在表面引入了特定官能團，使得材料具有其它性能，或者生成了表面自由基或者形成了交聯結構層，或者產生了表面刻蝕，讓其它基團暴露，通常這些作用都不是單一的，而是以某種作用為主，多種作用共同存在。

1）表面刻蝕（plasma etching）
等離子體（plasma）表面處理會對高分子材料產生刻蝕作用，大體上有兩個原因，一是等離子體（plasma）中的電子、離子等活性粒子撞擊材料表面時，會引起濺射侵蝕，二是等離子體（plasma）中的化學活性種的活性很強，通常會對材料表面產生化學侵蝕。這樣固體與等離子體（plasma）態的氣體發生反應，生成了新的氣體，從而改變了固體表面物理性質。反應類型如下：A（s）+B(g)→C（g）。等離子體（plasma）中存在很多高能粒子，它們會使材料表面變得粗糙，材料的比表面積也增加了，材料的粘合性、潤絲性等也得到了提高。

2）生成自由基
利用非聚合性氣體的等離子體（plasma）作用于高分子材料表面，大分子可以得到活性粒子的能量，或者是受到等離子體（plasma）輻射能的照射，大分子會在材料的表面產生自由基。

新產生的自由基通常還可以繼續反應，各種官能團的引入、形成交聯結構的表面層，或者與其它高分子單體發生反應形成表面的接枝層。

3）引入各種官能團
通過高能電子的撞擊以及紫外光的激發，會使得被處理材料的表面分子鏈發生斷裂，大量的自由基從而產生，而它們中的一部分會繼續發生化學反應，比如通過自由基與氧氣發生反應：R·+O2→含氧基團（-OH，—OOH等）。或者是它們接觸空氣后與空氣中的反應氣體發生進一步的化學反應，可以引入各種官能團。特定的官能團還可以通過采用其它的工作氣體來引入，這樣在材料表面就會出現一些新的狀態，它們與之前的狀態完全不同。高分子材料表面的憎水性也會得到不同程度的改變。反應類型為A（s）+B(g)→C（s）。這種反應會在固體表面生成新的化合物，是改變固體表面化學性質的反應，所以稱為固體表面改質。

4）交聯反應
在被plasma處理的材料表面，常常會生成一種非常致密的交聯層，主要是由于部分自由基也會相互發生反應，這種交聯層可以強化表面層，對防止老化是有幫助的，也有助于材料耐磨性的提高、耐化學品性和黏著性也有所增強，還可以防止添加劑的滲出，可以起到保護材料體相的作用。

在被等離子體（plasma）處理的高分子材料表面常常伴隨兩種作用，生成的自由基存在引入官能團和交聯反應的競爭與平衡，如果沒有生成極性基團只在高分子材料表面發生交聯，那么材料的潤濕性能不會有所改善，而材料的粘著性有所提高。