低溫等離子體處理技術(shù)是一種常用的材料改性手段，它是通過(guò)電離氣體產(chǎn)生大量的帶能粒子和各種形式的光輻射作用于材料表面，從而改變材料表面潤(rùn)濕性、粗糙度、黏結(jié)強(qiáng)度等，達(dá)到制備具有一種或多種特定功能材料的目的。低溫等離子體處理技術(shù)在材料改性中備受青睞得益于四大優(yōu)勢(shì)：（1）反應(yīng)環(huán)境所需溫度低；（2）處理效率高；（3）適用范圍廣；（4）不會(huì)破壞材料本身的性質(zhì)。
等離子體處理技術(shù)在塑料印刷、涂層、粘接加工的應(yīng)用
低溫等離子體處理塑料可顯著改善材料表面自由能，使塑料表面潤(rùn)濕性發(fā)生變化。塑料表面潤(rùn)濕性與粘接、印刷、涂飾的難易有密切的關(guān)系。表1是O2、Ar、NH3、He、CH4、H2等離子體處理的聚四氟乙烯（PTFE）高分子材料表面自由能變化結(jié)果。
表一 6 種氣體低溫等離子體處理后的 PTFE 表面自由能變化結(jié)果
等離子體與高分子塑料表面作用，發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)和蝕刻反應(yīng)的同時(shí)，基材表面生成不飽和鍵或粗糙化，這是印刷性、噴涂、粘接性提高的主要原因。低溫等離子體中的活性粒子具有的能量一般都接近或超過(guò)C—C或其它含碳鍵的鍵能，因此能與導(dǎo)入系統(tǒng)的氣體或高分子固體表面發(fā)生化學(xué)或物理的相互作用，引入大量的極性基團(tuán)，改變其表面活性。表2是6種氣體等離子體處理的PTFE表面化學(xué)組成的ESCA測(cè)定結(jié)果。
表 2 6 種氣體等離子體處理后的 PTFE 表面化學(xué)組成的 ESCA 測(cè)定結(jié)果
印刷前等離子體預(yù)處理
塑料制品基本材料主要為聚丙烯（PP）、聚已烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚酯（PET）等，其表面特性因分子結(jié)構(gòu)基材的極性基團(tuán)，結(jié)晶程度和塑料的化學(xué)穩(wěn)定性等不同而有很大的差異，這些因素對(duì)印刷油墨層的粘附牢度影響很大。對(duì)屬于極性結(jié)構(gòu)的PS（聚苯乙烯）、PVC，印刷前不需要做表面預(yù)處理，但對(duì)于其表面結(jié)構(gòu)是非極性的PP、PE、PET等，其化學(xué)穩(wěn)定性極高，不易被大多數(shù)油墨溶劑所滲透和溶解，與油墨印刷的結(jié)合牢度很低，所以在印刷之前必須經(jīng)過(guò)等離子體表面處理，使塑料表層活化生成新的化學(xué)鍵使表面粗化，從而提高油墨與塑料表面的結(jié)合粘附牢度；同時(shí)制造某些粒料過(guò)程中，按不同要求摻入了一定數(shù)量的助劑，附加劑，下開(kāi)口劑，當(dāng)吸膜定型后，這些助劑就浮在材料表面，形成肉眼看不見(jiàn)油層，這些油層對(duì)印刷是完全不利的，它使塑料表面不易粘合，附著力下降，當(dāng)?shù)入x子體與塑料表面相遇時(shí)，產(chǎn)生了清潔、活化、刻蝕作用，表面得到了清潔，去除了碳化氫類(lèi)污物，如油脂、輔助添加劑等，根據(jù)材料成分，其表面分子鏈結(jié)構(gòu)得到了改變。建立了羥基、羧基等自由基團(tuán)，這些基團(tuán)對(duì)各種涂敷材料具有促進(jìn)其粘合的作用，在粘合和油漆應(yīng)用時(shí)得到了優(yōu)化。
未處理的PPS部件用40mN/m測(cè)試油墨不能潤(rùn)濕，等離子體處理后，用60mN/m測(cè)試油墨達(dá)到了完全的潤(rùn)濕。
下圖形象地展示了材料表面能、印刷質(zhì)量以及等離子體處理三者之間的關(guān)系。圖片上方是施加到材料表面的油墨液滴，而下方則是相對(duì)應(yīng)的印刷質(zhì)量。第一個(gè)液滴有超過(guò)90°的接觸角，材料表面的潤(rùn)濕效果很差，導(dǎo)致了材料表面的油墨收縮也不能在材料表面均勻地印刷噴涂。中間兩個(gè)液滴有相對(duì)較小的接觸角，從而印刷質(zhì)量也相對(duì)提高。而當(dāng)液滴的接觸角為0°時(shí)，將會(huì)取得最佳的印刷質(zhì)量，液滴可以很好地潤(rùn)濕材料表面并獲得均勻的印刷質(zhì)量。
涂層、涂裝前等離子預(yù)處理
等離子處理是最有效的對(duì)表面進(jìn)行清洗、活化和涂層的處理工藝之一，可以用于處理各種材料，包括塑料、金屬或者玻璃等。利用等離子處理機(jī)對(duì)塑料表面清洗，可以清除表面上的脫模劑和添加劑等，而活化過(guò)程則可以確保后續(xù)的粘接工藝和涂裝工藝等的品質(zhì)，對(duì)于涂層處理而言，則可以進(jìn)一步改善復(fù)合物的表面特性。使用這種等離子技術(shù)，可以根據(jù)特定的工藝需求，高效地對(duì)材料進(jìn)行表面預(yù)處理。
通常而言，涂層的附著力與機(jī)械鍵合力、化學(xué)鍵力和分子吸附力三種力有關(guān)，分別與塑料基體的表面粗糙度、表面化學(xué)能、表面自由能有直接關(guān)系。低溫等離子體的高能量對(duì)塑料表面起到清潔作用的同時(shí)還會(huì)使表層的塑料發(fā)生氧化，含氧極性官能團(tuán)的增加可以使涂層更容易固化和交聯(lián)，交聯(lián)度的提高有利于提高涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度。物理濺射可增加基體表面的粗糙度，隨著表面粗糙度的增大，基體與涂層的浸潤(rùn)度也隨之增加；另外，由于表面凹凸不平，涂層材料陷入其中形成鉤鏈狀態(tài)，增加了涂層與基體之間有效的附著面積，固化后可起到機(jī)械嵌合的作用；其次，等離子體中存在大量的高活性的活性基團(tuán)，這些活性物質(zhì)可與塑料表面的原子反應(yīng)，增加塑料表面的化學(xué)活性，提高涂層與基體間化學(xué)結(jié)合強(qiáng)度。
塑料粘接前等離子體處理
塑料之所以難以粘接，是由于表面能低、濕潤(rùn)能力差、結(jié)晶度高、極性低且存在較弱的邊界層。對(duì)應(yīng)的解決辦法有以下幾種:導(dǎo)入極性基團(tuán)、提高表面能、增加表面粗糙度、降低或消除表面的弱界面層。
粘接效果在很大程度上取決于膠粘劑的流動(dòng)能力、膠粘劑與被粘物表面是否緊密接觸或良好浸潤(rùn)等。一般認(rèn)為，膠粘劑和被粘表面之間的粘接力主要分為機(jī)械粘接力和化學(xué)鍵合力。
等離子體處理是利用等離子體中的高能態(tài)粒子打斷塑料表面的共價(jià)鍵，等離子體中的自由基則與斷開(kāi)的共價(jià)鍵結(jié)合形成極性基團(tuán)，從而提高了塑料表面活性。于此同時(shí)，等離子體對(duì)高分子塑料表面存在物理刻蝕作用，導(dǎo)致塑料表面的納米尺度的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而獲得較好的潤(rùn)濕性，可以使膠粘劑在低表面能塑料材料的表面更易流動(dòng)、鋪展和浸潤(rùn)，從而達(dá)到適宜的粘接強(qiáng)度。
下圖顯示了未處理的塑料和預(yù)先等離子處理過(guò)的相同塑料與2K環(huán)氧膠粘劑膠接的拉脫強(qiáng)度的比較。對(duì)比表明了粘接的顯著改善。
對(duì)于塑料等材料來(lái)說(shuō)，可以利用等離子處理技術(shù)改善材料的特性，比如在處理PE、PP、LDPE等材料時(shí)，在材料表面引入多種含氧基團(tuán)，可以使材料表面的性能由非極性，結(jié)合強(qiáng)度差等轉(zhuǎn)變?yōu)閹в幸欢ǖ臉O性、親水性。采用低溫等離子體處理技術(shù)對(duì)塑料材料進(jìn)行改性，可以提高常規(guī)高分子塑料的使用性能，拓寬其應(yīng)用范圍。
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