近年来,等离子体技术作为一种新型的材料表面改性处理方法受到了越来越多的重视。等离子体表面处理具有明显的高效快捷、操作灵活、可选择性大、适应性强以及绿色无污染等特点,可以显著改善材料表面的浸润性以及增强界面的结合性能,同时保证不会对材料自身机体性质产生任何影响。利用等离子体表面改性技术改善材料界面粘结性能已经引起了广泛的关注。

等离子体简介

等离子体是一种物质能量较高的聚集状态,是由具有能量的电子、离子、自由基以及未电离的中性粒子等的集合组成,常被称为自然界中物质的第四态。等离子体通过气体的高度电离会产生大量的高能粒子,因整个体系粒子所具有的正负电荷数是相等的,所以等离子体是整体呈中性的物质状态。所谓的“电离”,通常是指物质经过低温加热,从固态转化为液态再逐渐转化为气态的过程,在这一过程中,持续升温加热作用使得物质分子中的原子逐渐分离开来,进一步自由电子摆脱原子核的束缚被释放,整个气体被电离,从而形成等离子体。根据等离子体的放电形式可以将等离子体分为电弧放电等离子体、辉光放电等离子体、电晕放电等离子体、介质阻挡放电等离子体以及射频放电等离子体等。因此,按照等离子体电离反应所需温度区分等离子体可分为主要应用于核工业领域的高温等离子体(温度范围为108~109K)以及主要应用于制备催化剂与合成材料的低温等离子体两大类。其中,低温等离子体又分为热等离子体和冷等离子体。处于平衡状态的热等离子体被称为平衡等离子体,与之对应的冷等离子体则被称为非平衡等离子体,这主要是因为在常压室温的非平衡状态条件下其体系温度依旧可以很好的保持。低温冷等离子体由于保持低温反应体系所需能耗较小,可以有效节约投资以及降低能源消耗。因此,低温冷等离子体在材料表面改性等领域有着重要的应用。

等离子体表面改性是一个极为复杂的过程,这是主要是由于构成等离子体的高能粒子种类繁多(电子、离子以及中性分子等)且等离子体中的高能粒子与材料表面可能发生多种类型、多种途径的物理、化学反应。此外,利用等离子体进行材料表面改性处理同时涉及多种类型化学键的断裂以及新的化学键的重组合成。等离子体表面改性具有显著的高效快捷、操作简便以及适用性广等特点,其中最为突出的是仅限于对材料表面微纳米程度的有效改性,并不会改变材料本体所具有的性质,因此可以显著改善材料表面亲疏水性、静电吸附性以及表面粘结等特性。

等离子体处理增加材料表面粘结性原理

等离子体处理增加材料表面粘结性主要是依据等离子体对材料表面的活化作用以及表面刻蚀作用。利用等离子体对材料表面进行改性处理时,其所包含的多种高能活性粒子可以通过碰撞作用向材料表面上的分子传递能量,进一步引发材料表面分子间化学键的断裂与重组,使其被成功电离或激发,从而达到活化材料表面的目的。进一步经等离子体活化的材料表面活性位点可以引入一些特定官能团,主要是含氧官能团,如:−OH以及−COOH等。极性含氧官能团的增加可以显著提高材料总的表面能,大大改善材料表面的润湿性以及粘结性等。此外,由于等离子体中存在的大量高能粒子(如电子、离子等)会撞击材料表面引起表面刻蚀,导致材料表面产生微细的凸起结构,大大增加活化的材料表面粗糙度,从而显著提高材料界面的粘结性。