等離子體預處理的工作原理

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：2023-11-13

等離子體預處理是將材料暴露于非聚合性氣體等離子體中利用等離子體轟擊材料表面,引起高分子材料結構的許多變化而對高分子材料進行表面改性。

圖1-1 等離子體與聚合物表面相互作用原理示意圖

等離子體預處理的工作原理

等離子體預處理技術之所以可以應用于材料加工領域，主要是因為等離子體中蘊涵的各種離子、激發態分子、自由基和光子等多種高能活性粒子（如表1-1所示）可與聚合物表面相互作用（如圖1-1）。等離子體的能量通過輻射、中性粒子流和離子流的碰撞作用傳遞到材料表面是其獲得表面改性的根本原因。等離子體與材料能量交換的途徑主要靠輻射和粒子碰撞。

表 1-1 低溫等離子體中活性粒子能量與作用深度

活性粒子	能量（ev）	作用深度（um）
自由基、激發態原子 / 分子	5~10	>0.1
離子、電子	1~100	10
紫外線	5~20	10

輻射
光譜輻射的產生方式有多種：等離子體中含有高激發態的電子躍遷到低激發態或基態時會發出的線光譜輻射；自由電子被離子捕獲復合成低價態的離子或中性粒子，也會釋放多余能量的輻射出連續光譜；另外當帶電粒子的運動狀態發生變化也會產生連續光譜輻射。

等離子體中發出的光輻射屬于紅外光、可見光和紫外光等多個頻譜段的輻射。對聚合物來說，對可見光的吸收是很微弱的，且可見光所含能量低，不會引起任何的化學反應；對紅外光雖然強烈吸收，但也只是以轉化熱能的形式消散；而紫外光不僅能為聚合物強烈吸收，而且能使聚合物產生自由基，所形成的活性位置繼而和等離子體中的組分發生化學反應，從而引起一系列的表面改性。

碰撞
碰撞是除輻射外導致產生改性變化的另一種方式，電離、正負荷電粒子復合、中性粒子激發、附著和離脫等元過程都可能在這個過程中發生。等離子體中的中性粒子通過連續不斷的沖擊固體表面將能量轉移給聚合物。這些中性粒子具有四種形式的能量：動能、振動能、離解能（形成自由基）和激化能（亞穩態）。其中，動能和振動能只對聚合物產生加熱的作用；而自由基離解能則是通過引起聚合物表面各種化學反應獲得消散，也可與聚合物表面的自由基結合釋放能量使聚合物加熱；激化能是以與固體表面發生碰撞而達到能量消散的，這些亞穩態分子和原子的能量通常大于聚合物的離解能，因而在碰撞過程中會產生聚合物的自由基。

等離子體中的離子流帶有動能，振動能和電能。離子流對聚合物的表面撞擊將能量轉移給了聚合物。另外還有體系中運動的電子流，研究認為非平衡態（低壓）等離子體中僅有少量的電子有較高的能量（5~15eV），大部分電子處于0.5~5eV的能量水平。根據表2-2給出的有機化合物的鍵能，可以看出，大部分電子己經能夠打開有機化合物的化學鍵，或者通過產生自由基，在表層形成新的化學結構。

表 2-2 有機物代表性鍵能