低溫等離子體輻照改性原理

文章出處：等離子清洗機(jī)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(jié)構(gòu)和性能。反應(yīng)的基本步驟一般為：首先，在反應(yīng)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(xué)鍵的斷裂，分子發(fā)生電離或得到激發(fā)，這一反應(yīng)會導(dǎo)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(xué)活性，反應(yīng)性極強(qiáng)，因此它們之間會發(fā)生各種各樣的化學(xué)反應(yīng)，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(yīng)更溫和，更容易控制反應(yīng)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(yīng)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(yīng)表現(xiàn)為：刻蝕反應(yīng)、接枝引入官能團(tuán)、交聯(lián)反應(yīng)、聚合反應(yīng)。

（1）等離子體刻蝕反應(yīng)
等離子體作用在有機(jī)材料表面的刻蝕反應(yīng)可分為兩類，物理性刻蝕反應(yīng)和化學(xué)性刻蝕反應(yīng)。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(jī)材料表面，當(dāng)物質(zhì)與材料表面的結(jié)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(yīng)可以對有機(jī)材料表面雜質(zhì)進(jìn)行清除?；瘜W(xué)性刻蝕則是等離子體在有機(jī)材料表面產(chǎn)生的化學(xué)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(jié)合的鍵能，就會與有機(jī)材料表面分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，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(yīng)，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(yīng)
等離子體引發(fā)交聯(lián)反應(yīng)一般是由惰性氣體等離子體引發(fā)，有機(jī)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(xué)鍵的斷裂產(chǎn)生自由基，相鄰分子鏈上的自由基發(fā)生結(jié)合反應(yīng)產(chǎn)生了分子鏈之間的合并現(xiàn)象，即聚合物交聯(lián)反應(yīng)。等離子體不斷轟擊有機(jī)材料表面，斷鏈反應(yīng)和交聯(lián)反應(yīng)同時發(fā)生且相互競爭，通過調(diào)整反應(yīng)條件控制主導(dǎo)反應(yīng)達(dá)到改性目的。聚合物發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)后，在材料表面形成一層內(nèi)聚能較大的交聯(lián)層，機(jī)械性能得以改善、溶解性降低、抗腐蝕性能增強(qiáng)。

（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(jī)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(yīng)實現(xiàn)材料表面聚合物的鏈增長，引入新的官能團(tuán)，成功完成改性；2）反應(yīng)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(yīng)，將羥基、氨基等含氧或氮官能團(tuán)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(yīng)，實現(xiàn)接枝單體與活性自由基反應(yīng)，引入官能團(tuán)。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(yīng)
等離子體聚合反應(yīng)是反應(yīng)單體和有機(jī)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(yīng)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(yīng)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(yīng)，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(yīng)，其反應(yīng)機(jī)理已不再是傳統(tǒng)通過不飽和鍵引發(fā)的聚合反應(yīng)，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(yīng)相比，其在材料表面形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)交聯(lián)度更高，這就使材料具有更好的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性等。

在實際操作中，以上四種反應(yīng)在有機(jī)材料表面同時存在，通過調(diào)整等離子體輻照強(qiáng)度、反應(yīng)時間、反應(yīng)氣體等反應(yīng)條件，可以實現(xiàn)控制某種反應(yīng)起主導(dǎo)作用，從而達(dá)到所需要的改性目標(biāo)。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(jì)效應(yīng)好、設(shè)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(yīng)活性高，常?？梢噪y以達(dá)到傳統(tǒng)方法不能比擬的處理效果。