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    低溫等離子體處理對材料表面的影響及作用原理示意圖

    Nov. 06, 2023

    低溫等離子體的電中性休系中含有電子、離子、自由基、激發態分子和原子及紫外線等活性粒子,這些活性粒子對材料表面發生作用,使其發生表面刻蝕、交聯、引入官能團及聚合等作用。

    低溫等離子體處理對材料發生作用的機理如圖1所示,當低溫等離子休處理材料時,材料表面受到等離子休中活忭粒子的沖擊從而產生-些活化點位。低溫等離子體休系中的活性粒子通過非彈性撞擊材料表面,使其表面被撞擊的分子接受能量,從而處于激發態或電離,在這個過程中發生刻蝕作用使得材料表面清潔或者粗化并且生成自由基。其次,不穩定的自由基發生交聯反應,穩定的自由基則停留在聚合物表而,作為引發進一步反應的活性中心,這些自由基主要對材料表面起到以下幾種作用:

    低溫等離子體對材料表面作用原理示意圖

    圖1.1 低溫等離子體對材料表面作用原理示意圖

    (1)材料表面被刻蝕;

    (2)引入一些含氧官能團;

    (3)引發聚合反應,在表面沉積具有特殊功能的涂層。

    低溫等離子體處理對材料表面的影響作用

    低溫離子體處理對材料表面發生的影響作用可分為刻蝕、植入官能團、交聯反應、聚合沉積等。

    (1)刻蝕

    低溫等離子體對材料表面刻蝕作用可以分為兩種類型,一種是物理濺射,即通過等離子體體系中的離子與材料表面的原子發生非彈性碰撞使其獲得能量處于激發態從而從材料表面脫離;另一種是化學刻蝕,主要是低溫等離子體中的活性粒子在材料表面發生化學反應,使其表面的分子通過化學反應生成諸如H20、CO、CO2等小分子氣態揮發物,從而使聚合物降解失重。低溫等離子體中的離子只具備較低的能量,因此在這兩種類型的刻蝕作用中,化學刻蝕對材料表面的刻蝕起到了主要的作用

    (2)植入官能團

    當工作氣氛中含有O2、N2、CF4等氣體時,所獲得的低溫等離子體中則會存在含氧、含氮以及含氟等活性粒子,這些活性粒子作用于材料表面,使其活化并將新的基團引入,從而使得其表面的結構發生變化并提升其表面性能。

    (3)交聯反應

    據文獻報道,一般以純He、純N2等惰性氣體作為工作氣氛時,以低溫等離子體處理材料,比較容易在其表面引發交聯反應,當材料獲得交聯層后,其機械性、溶解性及其抗腐蝕性都得到改善。

    (4)聚合沉積

    低溫等離子體中的活性粒子對工作區所通入的氣態單質進行撞擊,使其發生斷鏈反應形成自由基,然后這些自由基發生合并反應使單體原子在材料表面沉積下來。低溫等離子體聚合沉積與常規聚合反應相比具有獨特的優勢,如單體選擇局限性小,沉積膜厚度可控,對材料廣泛適用。目前,有許多學者將其用于材料表面沉積有機硅及金屬有機化合物。

    等離子體處理對材料表面的影響作用主要是通過粒子與材料表面的相互作用而實現,包括表面沉積、表面清潔刻蝕、植入官能團及表面交聯作用等。低溫等離子體預處理使材料表面產生一系列物理、化學變化,從而提高材料的表面性能,以適應不同的生產應用要求。

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