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大气压放电低温等离子体材料表面改性原理

文章出处:本站 | 网站编辑:深圳纳恩科技有限公司| 发表时间:2023-01-13
等离子体(Plasma)是由大量带电粒子组成的宏观体系,与固体、液体、气体一样,是物质的一种聚集状态,被称为物质的第四态。等离子体的基本粒子元是带正、负电荷的粒子,包括自由电子、带电离子,同时也存在原子、分子、活性自由基等粒子,是宇宙中绝大多数物质的基本状态。常规意义上的等离子体态是中性气体产生相当数量的热电离,因此通常被理解为导电气体,但是在电离过程中正负电荷成对出现总量相等,宏观上仍保持“电中性”,因此等离子体同时具有“导电性”与“电中性”。气体放电是产生等离子体最重要和最普遍的方法,大气压放电等离子体是在1atm的气体环境中产生的放电等离子体,不需要真空实验系统,操作灵活方便,成本低,十分利于工业应用。
大气压等离子低温等离子体处理设备
 
目前,根据放电激励电源的不同,大气压放电等离子体可分为射频放电(Radio-frequency Discharge)、微波放电(Microwave Discharge)、直流放电(DC discharge)、交流放电(AC discharge)以及脉冲放电(Pulsed discharge)等;依据放电形式的不同,常见的大气压放电等离子体主要有火花放电(Spark Discharge)、电晕放电(Corona Discharge)、弥散放电(Diffuse Discharge)、介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge,DBD)、大气压等离子体射流(Atmospheric Pressure Plasma Jet,APPJ)等形式。火花放电是电极间气隙被击穿,在气体中形成的放电通道,其放电电流密度大、能量集中、活性粒子浓度高、温度高,火花放电产生的高温容易烧蚀材料本体,因此较少用于材料改性。电晕放电通常出现在极不均匀电场中,且不会击穿电极间隙气体,放电区域仅局限于电极附近,放电强度弱,活性粒子浓度低,不利于大面积应用。弥散放电是在极窄脉冲激励下产生的稳定放电,其放电特性介于火花放电和电晕放电之间,放电面积大、活性粒子浓度高。介质阻挡放电是在放电电极之间加入阻挡介质层,防止放电向火花放电转化,能够产生大面积较均匀的等离子体。大气压等离子体射流是使用工作气体将等离子体吹出电极间隙而形成的放电形式,在空间上分隔开等离子体的产生区域与应用区域,使得其应用不再受电极的限制,且具有装置结构简单、操作方便、易于集成等优点。

大气压放电等离子体材料表面改性


材料表面改性技术(Surfacemodifiedtechnique)是指在保持材料本体性质不变的前提下,通过一系列的处理手段改变材料表面的化学成分或组织结构以赋予其表面新的特殊性能,如亲水性、粘结性、抗静电性能、绝缘性以及机械性能等,以满足工业上材料在不同应用环氧的特殊需求,是目前材料领域的重点内容。目前,国内外对于材料表面改性方法的研究有很多,大体上可以归纳为:表面湿化学反应法、表面接枝法、离子注入法和紫外光辐射法等。此外,随着大气压低温等离子体技术的广泛研究,基于低温等离子体的材料表面改性方法也受到较多的关注。

大气压低温等离子体材料表面改性原理


大气压低温等离子体材料表面改性属于干式处理,与其他表面改性方法相比,其突出优点为:能耗低,污染小;处理时间短且效率高,可在大气压条件下连续运行;反应温度低,可实现对热敏材料的无损处理;对材料表面的作用深度仅几纳米至几微米,对材料本体特性无影响;对处理材料无严格要求,普适性好。因此,大气压低温等离子体材料表面改性比其他表面改性方法更加具有研究和应用价值,在工业应用中极具前景。大气压等离子体材料表面改性是等离子体与材料表面相互作用的结果,主要包括对材料表面的物理作用和化学作用两部分,如图1.1所示。大气压低温等离子体中含有的大量活性粒子,其能量一般为几个甚至十几个电子伏特,高于一般聚合物材料的表面结合键能(通常为几个电子伏特),可以打开材料表面原有的化学键,并和各活性基团发生氧化、裂解、还原、聚合、交联等反应形成新的化学键或者表面引入功能基团。等离子体中的高能粒子轰击材料表面,对材料造成刻蚀作用,使得表面形状发生变化,粗糙度增加,进而影响材料表面的粘附性和亲疏水性。
大气压低温等离子体材料表面改性原理
图1.1 大气压低温等离子体材料表面改性原理

 
等离子体中存在的各种活性粒子是进行气体放电等离子体材料表面改性以获得某些特定改性效果的关键所在。因此在理论上,我们可以通过改变放电气体的组成,在大气压气体放电等离子体中产生特定的活性粒子和功能基团。

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