大气压等离子体是指运行于一个大气压(1atm)条件下产生的放电等离子体,由于不要求真空设备、工艺流程简单且能够产生较高粒子数密度的活性物种,广泛的应用于生物医学、环境治理、航空航天、材料表面改性等多领域,成为近年来的研究热点。

大气压低温等离子体表面改性机理

大气压低温等离子体对材料具有改性作用是由于等离子体中含有带有能量的电子、活性自由基、离子以及激发态的活性分子或原子等。这些粒子具有不稳定性、活泼性并具有较高的能量。其中,低温等离子体中电子、活性自由基和激发态粒子能量能够达到0-20eV的范围,离子能量在0.03-0.05eV之间。表1.1中列举了常见材料的表面化学键及其键能。根据表中的数据可以看出,低温等离子体中大部分的活性粒子(除离子外)所携带的能量均比表中所列的材料表面的化学键能要高,这也说明这些活性粒子足以使材料表面的化学键断裂并生成新的化学键,进而改变材料的原始性能。

低温等离子体在处理材料的过程中,高速运动的电子能够使反应的分子激发、电离或断键进而形成自由基碎片,且等离子体中的离子与某些中性原子对材料具有刻蚀作用,此外,还有一些中性原子与自由基在材料表面形成沉积层增加材料表面的活性进而提升材料的特性。总之,等离子体对材料的改性可以归纳到四个方面,分别为等离子体表面清洁、等离子体表面刻蚀、表面交联以及表面官能团植入。

(1) 表面清洁

低温等离子体中富含大量的活性粒子,当等离子体与材料表面接触时,这些活性粒子能够在极短的时间内与有机化合物发生一系列的化学反应和物理反应,进而达到清洗的作用。当与材料表面发生化学反应时,主要是利用等离子体中的强氧化性物质与材料表面发生反应,进而把有机物分解成更小的碎片或者分解成二氧化碳和水。当发生物理反应时,等离子体中的高能粒子以高能量和较高的速度轰击高分子材料表面,使分子发生分解。

(2) 表面刻蚀

低温等离子体对材料表面的刻蚀作用主要来自于体系中所产生的正离子、活性自由基以及活性原子,其中,这些活性原子可以与材料表面的活化官能团反应并生成能够挥发的小分子物质。此外,等离子体对材料表面的刻蚀作用能够在除去材料表面弱边界的同时使材料的表面变得粗糙,增加材料的表面粗糙度并引入活性基团。材料被等离子体处理后表面呈现出一种坑洼状的形态特征,这也进一步增加材料的比表面积。

(3) 表面交联

低温等离子体的放电气体为惰性气体时,其在放电过程中产生的高能活性粒子也能够在破坏材料表面旧的化学键的同时接入新的化学键,进而在材料表面生成新的自由基。若在反应体系中除基底材料外不存在其他物质,那么新产生的自由基之间会重新键合,在材料表面形成新的网状交联结构。在交联反应发生的过程中,体系中材料表面会有双键产生,从而促使材料的力学性质以及表面性能得到明显改善。

(4) 表面官能团植入

在反应性气体环境中,低温等离子体处理材料表面时将会与材料发生复杂的化学反应,并产生不同的活性官能团。在实际应用中,根据材料所需要的性能选取不同的气体环境对材料进行改性处理,进而在其表面植入特征官能团分子,如羰基C=O,氨基-NH2,羟基-OH,羧基-COOH等,他们对水分子具有较好的亲和能力,能够有效的提升自身的亲水性能。