低溫等離子體輻照改性原理

文章出處：等離子清洗機廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時間：2023-10-11

低溫等離子體輻照改性是指等離子體輻照高分子材料表面，改變材料表面聚合物分子的結構和性能。反應的基本步驟一般為：首先，在反應器處于真空狀態(tài)時通入稀薄氣體，在電場激發(fā)下輝光放電產(chǎn)生等離子體；然后，被電場加速的高能粒子與材料表面發(fā)生非彈性碰撞，使得能量向聚合物分子傳遞引發(fā)聚合物分子中化學鍵的斷裂，分子發(fā)生電離或得到激發(fā)，這一反應會導致自由基的生成；與此同時，一些帶電重粒子可直接從聚合物分子中摘取氫原子從而誘發(fā)自由基形成在聚合物分子鏈上；最后，形成的自由基具有較高的化學活性，反應性極強，因此它們之間會發(fā)生各種各樣的化學反應，從而形成新的化合物。

低溫等離子體輻照改性原理

低溫等離子體輻照相對其他高能輻照，反應更溫和，更容易控制反應條件，避免較高能量對材料表面的破壞。在等離子體引發(fā)反應中，表面或聚合物自由基的形成都是發(fā)生在材料表層。自由基在高分子材料表面引發(fā)反應表現(xiàn)為：刻蝕反應、接枝引入官能團、交聯(lián)反應、聚合反應。

（1）等離子體刻蝕反應
等離子體作用在有機材料表面的刻蝕反應可分為兩類，物理性刻蝕反應和化學性刻蝕反應。物理性刻蝕是一種簡單的物理作用，等離子體中帶電的離子、電子等在電場力驅(qū)動下高速運動轟擊有機材料表面，當物質(zhì)與材料表面的結合能低于碰撞傳遞的能量時，就會發(fā)生該物質(zhì)與材料表面分離，即物理濺射，利用等離子體的刻蝕反應可以對有機材料表面雜質(zhì)進行清除?；瘜W性刻蝕則是等離子體在有機材料表面產(chǎn)生的化學作用，同樣是發(fā)生在等離子體對表面產(chǎn)生轟擊時，其碰撞能量大于結合的鍵能，就會與有機材料表面分子發(fā)生化學反應，伴隨有鍵的斷裂將材料表面弱邊界大片除去并最終以揮發(fā)性產(chǎn)物脫離物體表面，即產(chǎn)生聚合物的降解使材料表面產(chǎn)生起伏變粗糙。通過等離子體刻蝕反應，材料表面得到刻蝕清洗，表面微觀形貌得到改變，改善材料的親疏水性、粘合性等性能。

（2）等離子體引發(fā)交聯(lián)反應
等離子體引發(fā)交聯(lián)反應一般是由惰性氣體等離子體引發(fā)，有機材料表面經(jīng)惰性等離子體處理后，表面聚合物分子鏈發(fā)生化學鍵的斷裂產(chǎn)生自由基，相鄰分子鏈上的自由基發(fā)生結合反應產(chǎn)生了分子鏈之間的合并現(xiàn)象，即聚合物交聯(lián)反應。等離子體不斷轟擊有機材料表面，斷鏈反應和交聯(lián)反應同時發(fā)生且相互競爭，通過調(diào)整反應條件控制主導反應達到改性目的。聚合物發(fā)生交聯(lián)反應后，在材料表面形成一層內(nèi)聚能較大的交聯(lián)層，機械性能得以改善、溶解性降低、抗腐蝕性能增強。

（3）等離子體引發(fā)接枝
等離子體引發(fā)接枝可分為以下兩個方面：1）惰性氣體產(chǎn)生等離子體，此時的等離子體本質(zhì)上為引發(fā)劑，有機材料表面經(jīng)等離子體處理后，在材料表面形成了自由基，接枝單體與活性自由基反應實現(xiàn)材料表面聚合物的鏈增長，引入新的官能團，成功完成改性；2）反應性氣體產(chǎn)生等離子體，比如氧氣、氮氣等，一些含氧或含氮活性粒子會通過氣體分子與高速運動電子碰撞，使得氣體參與反應，將羥基、氨基等含氧或氮官能團接枝到聚合物分子鏈，同時，若引入接枝單體，還可像上述反應，實現(xiàn)接枝單體與活性自由基反應，引入官能團。影響改性效果的因素主要有：氣體種類、接枝單體種類、等離子體處理條件等。

（4）等離子體聚合反應
等離子體聚合反應是反應單體和有機材料表面在等離子體處理下形成自由基，自由基引發(fā)反應單體發(fā)生單體自聚并在材料表面沉積形成一層改性膜，或反應單體被等離子體斷鍵形成單體小分子，單體小分子之間重排聚合并通過與基質(zhì)表面的自由基發(fā)生合并反應，最終沉積在材料表面。在等離子體環(huán)境下，不管是否含有不飽和鍵都可發(fā)生聚合反應，其反應機理已不再是傳統(tǒng)通過不飽和鍵引發(fā)的聚合反應，而是通過自由基之間的合并聚合實現(xiàn)鏈的增長。等離子體聚合和傳統(tǒng)聚合反應相比，其在材料表面形成的網(wǎng)狀結構交聯(lián)度更高，這就使材料具有更好的力學性能、熱穩(wěn)定性等。

在實際操作中，以上四種反應在有機材料表面同時存在，通過調(diào)整等離子體輻照強度、反應時間、反應氣體等反應條件，可以實現(xiàn)控制某種反應起主導作用，從而達到所需要的改性目標。和其他材料改性的方法相比，低溫等離子體輻照改性材料表面具有經(jīng)濟效應好、設備需求低、對環(huán)境友好、對材料污染較小等顯著優(yōu)點，同時由于反應活性高，常常可以難以達到傳統(tǒng)方法不能比擬的處理效果。

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