等离子体清洗技术借助电离产生反应活性粒子,通过高能粒子的物理轰击和化学反应结合作用,将吸附在材料表面上的大分子碳氢污染物打断生成小分子的气态有机污染物。小分子从材料表面逸出,实现有机污染物的去除。

面对材料表面残留的有机污染物,等离子体清洗技术可以产生大面积弥散的反应活性粒子,去除复杂形貌下的深层的有机污染物。等离子体具有高电子能量和低离子温度的特性,非常适合与有机污染物发生化学反应。等离子体清洗清洗后物体不需要干燥处理而避免了二次污染,能够针对不同基体材料和不同的污染物特定去除。能够改善表面特性(润湿性和粘附性等),清洗产物为对环境无害的气体分子,清洗效率高,能去除颗粒和有机污染。

等离子清洗去除材料表面残留有机物原理

在等离子清洗机低压腔室中,经射频电源激励,形成激活的氧原子、氮原子、自由电子和未反应气体的等离子体,当这些等离子体轰击到材料表面时,除撞击这一物理过程外,同时伴随离子化氧气以及电离的氧原子与材料表面残留的有机物发生化学氧化反应,从而达到材料表面包含有机污染物的分子级污渍的去除作用

等离子清洗过程可以分为以下几个步骤:

等离子体产生:通过电场或电磁场激发气体分子,形成等离子体。气体等离子体中包含电子、离子,中性粒子。

表面反应:等离子体中的高能粒子与表面有机污染物发生化学反应或物理轰击,使污染物解离、氧化反应,形成挥发性产物。

污染物去除:形成的挥发性产物通过真空系统被排出,达到清洗效果。

在等离子体清洗有机污染物的过程中,由于氧元素具有高活性和强氧化性,因此在清洗过程中起主要作用,在等离子体清洗过程中将有机物变为二氧化碳和水分子,排出材料表面。电子和氧分子作用产生激发态的氧,激发态物质不稳定,产生的激发态氧原子便会和有机物中的氢原子相结合,夺取后形成羟基。剩余部分的有机物会和高能氧分子继续反应,生成化学单键或双键氧基团,改变有机物的结构稳定性,促进有机物分解,最终含碳的有机分子在高能氧原子和氧自由基等作用下,生成二氧化碳和水排出表面,实现有机物的去除。发生的反应如下图1所示:

图一 等离子清洗有机物化学反应式

等离子体清洗过程涉及许多化学反应路径,图2给出了有机物分子被氧自由基破坏的主要反应路径。氧自由基首先夺取有机物分子上不饱和碳链中的氢原子,并进一步氧化碳原子形成醛基。同时,六元碳环中的氢原子也被氧原子夺取,与其它化学键相比,有机物分子中C-H键最容易断裂。碳原子失去三个氢原子后,六元碳环结构失去共轭稳定性,被破坏形成新的碳链。氧原子从有机物中得到一个氢原子形成羟基,进一步氧化生成水分子。最终,C-H键全部断裂,碳原子被氧化成羰基后,解离为CO和CO2分子团。这些小分子团与材料表面的吸附能力较弱从表面解吸,被真空系统收集,最终实现材料表面有机残留污染物的去除。

氧自由基破坏有机物分子的反应路径