等离子体清洗机是一种新型的表面改性设备,只作用于材料表面几十到几百纳米的物理化学性质,而不改变其原本性质,最适用于高分子材料处理。等离子体的高能粒子和光子通过化学和物理过程与高分子表面相互作用,通过一系列非常复杂的反应,增加了表面粗糙度,提高表面自由能,并诱导表面交联和化学功能化。

(1) 表面刻蚀作用

等离子体清洗机对高分子材料表面的刻蚀作用分为物理溅射和化学刻蚀。物理溅射是通过等离子体中的离子对物质表面进行轰击,清除表面污染物;化学刻蚀在材料表面发生化学反应去除表面物质,引入自由基,改变化学成分和结构。两者都改变了表面自由能,修饰材料的表面微观形貌,清除表面弱边界,表面变得粗糙,比表面积增大。作用时间较短时,材料原本粗糙的表面会变得更加光滑平整,不会影响表面原本的性质和结构,当超过一定时间,过度刻蚀会使表面粗糙,改变表面形貌,甚至出现大的凸起,产生新的缺陷和破坏,材料性能的稳定性降低。

(2) 交联反应

等离子体交联反应是通过惰性气体在放电过程中产生的高能活性粒子,破坏材料表面旧的化学键,产生新的自由基,相邻自由基之间趋向发生反应,在材料表面获得内聚能较大的交联层。交联反应常以氦气、氩气等惰性气体作为工作气体高频放电,在高分子结构之间交联,强化表面的粘结性和牢度,材料机械性能得以改善。

(3) 等离子体聚合

等离子体聚合是一种原子聚合,在反应过程中粒子的能量较高,可激活材料表面,使原有化学键断裂,单体分子与表面自由基合并发生沉积,通常用于材料表面接枝或涂覆层。等离子体聚合通常利用聚合气体(CF4、CH4、C2H6等)形成等离子态,通过沉积薄膜来修饰聚合物或其他材料的表面,与传统聚合反应不同,其沉积的薄膜高度交联无气孔存在,厚度可控制在1µm范围内,具有独特的物理和化学性质,能实现具有多层分级特性的膜,可黏附于聚合物、金属、玻璃、陶瓷等多种基材上。然而,由于等离子体聚合是一个非常复杂的过程,等离子体沉积膜的性能受单体、等离子体功率、温度、沉积时间和工艺参数等诸多因素的影响,在等离子体聚合反应过程中常伴随有破坏聚合机理的负反应,人们还不能很好的控制沉积薄膜的结构。

等离子体接枝聚合会形成大量的活性自由基,与烯烃类单体发生接枝聚合反应,将具有特殊功能的官能团接枝在材料表面,赋予材料新的功能特性。一般接枝自由基是通过直接辐照或在辐照后,可加入催化剂以加快接枝反应过程,将聚合物的链状结构接枝在材料表面,对材料表面改性,如抗静电性、润湿性、生物相容性、阻燃性、粘附性等。

(4) 植入官能团反应

通过利用等离子体气流中的活性粒子,活性等离子体的高能轰击打破共价键,在材料表面生成自由基,生成羟基、羰基、羧基、氨基等官能团,植入聚合物分子链,从而改变材料表面的性质。等离子体植入官能团的产物与等离子体清洗机的工作气氛的种类有密切关系,如,氧等离子体处理的材料表面会引入含氧官能团,而经含氮气体处理的材料表面氮元素含量明显增高,引入-NH2、-NH等官能团。等离子体处理通过在材料表面植入功能化的新活性化学官能团,从而赋予材料亲水性、疏水性、耐磨性等,甚至获得与整体完全不同的性能。