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plasma等离子清洗机处理材料表面原理及其目的

文章出处:本站 | 网站编辑:深圳纳恩科技有限公司| 发表时间:2023-01-09
等离子清洗机(plasma cleaner)可以理解为一种利用等离子体来进行清洗的设备,其原理是在两个电极之间形成高频交变电场,用真空泵在装置的密闭容器中实现一定的真空度随着气体越来越稀薄,分子间距及分子或离子的自由运动距离也越来越长,区域内气体在交变电场的激荡下,形成等离子体。等离子体与物体材料表面的微颗粒污染物或者有机污染物进行物理碰撞或者发生化学反应,进而形成挥发性物质,最后再由真空泵将这些易挥发性的物质排出腔体外部,从而达到清洁及活化物体材料表面的目的。
等离子清洗机
低温等离子体材料表面改性技术作为一种干式改性工艺,不会产生传统化学工艺处理的污染物,处理过程简易,高效节能,且改性相当均匀。此外,作为一种高能量的粒子聚集态,低温等离子体可以在对环境要求极低的条件下引发一系列复杂的物理反应和化学反应,如表面刻蚀、聚合、交联、接枝等。且改性深度通常局限于几十至几百个纳米,因此可以在不影响材料本体性能的前提下显著改善材料表面特性,如黏着性、亲水性、疏水性等,这种优势是其他改性方式难以替代的。此外,等离子体中的激发态粒子可以改性所有聚合物的表面,不论它们的结构或化学反应性如何,因此应用范围非常广泛。

使用气体等离子体还可以避免在湿化学技术中遇到的问题,如表面残留溶剂和基质膨胀。在不同类型的气体环境中,如氩气、氧气、氮气、氟气和二氧化碳,可以根据需求产生各种独特的表面特性。例如,氧等离子体处理可以提高聚合物的表面能;而氟等离子体处理可以降低聚合物的表面能并提高聚合物的化学惰性;惰性气体等离子体则可以引发聚合物表面的交联作用。

总之,利用等离子清洗机处理材料表面主要可以用于实现以下目的:

(1) 提升材料表面能;
(2) 改变材料表面形貌,即增加或减少表面粗糙度或结晶度;
(3) 提升疏水性或亲水性(如图1-1所示);
(4) 提升表面染色性;
(5) 引发表面交联作用,形成交联层;
(6) 增加表面润滑性;
(7) 在表面产生特殊的官能团,以便与其他官能团产生特定的相互作用;
(8) 增加表面导电性;
(9) 去除弱边界层或污染物;
(10) 提升表面化学惰性
等离子体改善材料表面亲水性能
图1-1 等离子体改善材料表面亲水性能

 
等离子清洗机处理材料表面原理:

低温等离子体中包含着大量活性粒子,主要包括光子、电子、自由基、处于基态或受激的粒子(原子或分子)以及正离子和负离子。表2-1中列出了这些粒子能量的参数范围。
低温等离子体中不同粒子的能量范围
可以看出,低温等离子体中活性粒子的能量较高,而高分子材料中常见的重要化学键键能则较低,如表2-2所示。
高分子材料中常见的重要化学键键能
因此,等离子体中的高能粒子可以具有充足的能量打开材料表面的化学键,并同时产生游离基。游离基的化学活性非常高,因此在材料表面可以进一步发生一系列化学反应(与气相物质或与材料表面物质)而产生新的化学键,最终达到改性的效果。

气体等离子体与材料表面的反应类型一般可以分为以下几类:

(1) 表面反应:包括气相物质与材料表面物质之间的反应,以及材料表面物质之间的反应(这里主要指气体中的自由基和材料表面的自由基),可以分别在材料表面形成改性层(等离子体中的自由基与材料表面的自由基形成官能团而引入材料表面)和交联层(材料表面不稳定的自由基之间发生的反应)。这些反应的例子包括氩气、氨气、一氧化碳、二氧化碳、氟气、氢气、氮气、二氧化氮、氧和水的等离子体处理。

(2) )蚀刻与清洁:通过化学反应和物理蚀刻将物质从材料表面去除的过程,形成挥发性产物。如含氧等离子体用于去除聚合物表面的有机污染物,例如低聚物、抗氧化剂等。蚀刻与清洁的区别仅仅在于从表面去除的物质的量。氧等离子体和含氧、含氟等离子体常用于聚合物的刻蚀。

等离子体的生成(电子在电场加速作用下成为高能电子并引发碰撞电离,产生大量激发态粒子和自由基的过程)以及与材料表面的相互作用示意图如图3-1所示。
等离子体的生成以及与材料表面的相互作用示意图
图3-1 等离子体的生成以及与材料表面的相互作用示意图

 
以上就是国产等离子清洗机厂家纳恩科技关于等离子清洗机处理材料表面原理及其目的的简单介绍,在不影响材料本体性质的情况下,通过表面处理来改变材料表面的化学和物理性质的研究已经取得了许多进展。其中利用低温等离子清洗机处理材料表面技术由于具有高效率、低能耗、绿色环保等特点,且对环境要求很低,因此在众多改性方法中具有显著优势。
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