低温等离子体改性原理及方法

文章出处：等离子清洗机厂家 | 深圳纳恩科技有限公司| 发表时间：2023-08-09

物质由于外部能量（高温、加速电子、加速离子等）而被离解成阴、阳荷电粒子和自由基的状态称为等离子体。等离子体由电子、正负离子、激发态原子、分子和自由基等混杂组成，具有活泼化学反应活性。
根据等离子体中电子和离子能量状态分为高温等离子体和低温等离子体。放电形成等离子体时，电子在电场中被加速，成为高能电子，高能电子与气体分子碰撞使之发生电离，电子温度Te与离子温度Ti相近，即Te≈Ti称为平衡等离子体或高温等离子体，电子温度Te远高于离子温度Ti的称为非平衡等离子体或低温等离子体。

低温等离子体改性原理

低温等离子体中的粒子类型较多且各种粒子的性能不一样，但研究表明对材料表面起反应的主要是电子，其次是亚稳态粒子等。等离子体粒子的能量一般约为几个到几十个电子伏特，如电子的能量为0-20eV，离子的能量为0-2eV，亚稳态粒子的能量为0-20eV，紫外光/可见光的能量为3-40eV。聚合物中常见化学键的键能为：C-H：4.3eV；C-N：2.9eV；C-F：4.4eV；C=O：98.0eV；C-C：3.4eV。由此可见，等离子体中绝大部分粒子的能量均略高于这些化学键能，在等离子体活性粒子作用下，高分子材料表面会发生分子键断键、形成自由基等一系列反应，并进而诱发接枝、聚合等反应，在材料表面引入功能性官能团，接枝聚合物。

低温等离子体改性方法

低温等离子体改性材料的方法主要有：等离子体处理，等离子体聚合以及等离子体接枝聚合。

（1）等离子体处理是通入反应气体，此气体一般为非聚合性气体，在一定条件下产生等离子体，对轰击暴露在等离子体中的材料表面进行处理，，在材料表面形成新的官能团和改变材料表面结构，从而改善亲水性或者疏水性、粘合性、表面电化学性能、光学性能以及生物相容性能等。但是在处理后会出现即时性的特点。改性效果并不稳定。

（2）等离子体聚合是指在有机蒸汽中生成等离子体，形成的气相会反应生成为自由基形式，极容易在固体表面吸附，有部分自由基会与表面反应，成为表面自由基，之后与通入的反应性的气相单体，或者是等离子体所产生的单体衍生物，发生聚合反应从而有高分子的聚合物薄膜生成。这种方法需要聚合的有机单体具有一定的挥发性，而且对通常采用的RF等离子体发生装置的内电极会造成污染。这两种等离子体处理的方法，各自有其优缺点。等离子体表面处理的方法在处理上较为简便易操作但是无法引入活性基团。等离子体聚合的方法单体的选择性大可以引入特定的活性基团，以赋予高分子材料表面各种性能。在经等离子活化而生成的表面自由基位置，能够进一步加成特定官能团，但聚合形成的薄膜往往会因为内应力而产生卷曲和破裂。

（3）等离子体接枝聚合是指先对材料表面进行等离子体处理，利用表面产生的活性自由基引发具有功能性的单体在材料表面进行接枝共聚。等离子体接枝聚合能弥补等离子体处理和等离子体聚合的不足。虽然这种方法的优势明显，但是接枝的条件，预处理需要探讨，大量实验得到，而且接枝的成功率决定了聚合的关键。

低温等离子体对材料表面的改性方式很灵活，使用不同的气体及挥发性化合物，可以获得更广泛的表面化学组成。且反应温度低，适于对热敏感的高分子材料进行表面改性。其特点是处理的表面深度非常浅，约几十nm，不影响材料本体性能，且工艺简单，无需化学试剂。