低温等离子体辐照改性原理

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：2023-10-11

低温等离子体辐照改性是指等离子体辐照高分子材料表面，改变材料表面聚合物分子的结构和性能。反应的基本步骤一般为：首先，在反应器处于真空状态时通入稀薄气体，在电场激发下辉光放电产生等离子体；然后，被电场加速的高能粒子与材料表面发生非弹性碰撞，使得能量向聚合物分子传递引发聚合物分子中化学键的断裂，分子发生电离或得到激发，这一反应会导致自由基的生成；与此同时，一些带电重粒子可直接从聚合物分子中摘取氢原子从而诱发自由基形成在聚合物分子链上；最后，形成的自由基具有较高的化学活性，反应性极强，因此它们之间会发生各种各样的化学反应，从而形成新的化合物。

低温等离子体辐照改性原理

低温等离子体辐照相对其他高能辐照，反应更温和，更容易控制反应条件，避免较高能量对材料表面的破坏。在等离子体引发反应中，表面或聚合物自由基的形成都是发生在材料表层。自由基在高分子材料表面引发反应表现为：刻蚀反应、接枝引入官能团、交联反应、聚合反应。

（1）等离子体刻蚀反应
等离子体作用在有机材料表面的刻蚀反应可分为两类，物理性刻蚀反应和化学性刻蚀反应。物理性刻蚀是一种简单的物理作用，等离子体中带电的离子、电子等在电场力驱动下高速运动轰击有机材料表面，当物质与材料表面的结合能低于碰撞传递的能量时，就会发生该物质与材料表面分离，即物理溅射，利用等离子体的刻蚀反应可以对有机材料表面杂质进行清除。化学性刻蚀则是等离子体在有机材料表面产生的化学作用，同样是发生在等离子体对表面产生轰击时，其碰撞能量大于结合的键能，就会与有机材料表面分子发生化学反应，伴随有键的断裂将材料表面弱边界大片除去并最终以挥发性产物脱离物体表面，即产生聚合物的降解使材料表面产生起伏变粗糙。通过等离子体刻蚀反应，材料表面得到刻蚀清洗，表面微观形貌得到改变，改善材料的亲疏水性、粘合性等性能。

（2）等离子体引发交联反应
等离子体引发交联反应一般是由惰性气体等离子体引发，有机材料表面经惰性等离子体处理后，表面聚合物分子链发生化学键的断裂产生自由基，相邻分子链上的自由基发生结合反应产生了分子链之间的合并现象，即聚合物交联反应。等离子体不断轰击有机材料表面，断链反应和交联反应同时发生且相互竞争，通过调整反应条件控制主导反应达到改性目的。聚合物发生交联反应后，在材料表面形成一层内聚能较大的交联层，机械性能得以改善、溶解性降低、抗腐蚀性能增强。

（3）等离子体引发接枝
等离子体引发接枝可分为以下两个方面：1）惰性气体产生等离子体，此时的等离子体本质上为引发剂，有机材料表面经等离子体处理后，在材料表面形成了自由基，接枝单体与活性自由基反应实现材料表面聚合物的链增长，引入新的官能团，成功完成改性；2）反应性气体产生等离子体，比如氧气、氮气等，一些含氧或含氮活性粒子会通过气体分子与高速运动电子碰撞，使得气体参与反应，将羟基、氨基等含氧或氮官能团接枝到聚合物分子链，同时，若引入接枝单体，还可像上述反应，实现接枝单体与活性自由基反应，引入官能团。影响改性效果的因素主要有：气体种类、接枝单体种类、等离子体处理条件等。

（4）等离子体聚合反应
等离子体聚合反应是反应单体和有机材料表面在等离子体处理下形成自由基，自由基引发反应单体发生单体自聚并在材料表面沉积形成一层改性膜，或反应单体被等离子体断键形成单体小分子，单体小分子之间重排聚合并通过与基质表面的自由基发生合并反应，最终沉积在材料表面。在等离子体环境下，不管是否含有不饱和键都可发生聚合反应，其反应机理已不再是传统通过不饱和键引发的聚合反应，而是通过自由基之间的合并聚合实现链的增长。等离子体聚合和传统聚合反应相比，其在材料表面形成的网状结构交联度更高，这就使材料具有更好的力学性能、热稳定性等。

在实际操作中，以上四种反应在有机材料表面同时存在，通过调整等离子体辐照强度、反应时间、反应气体等反应条件，可以实现控制某种反应起主导作用，从而达到所需要的改性目标。和其他材料改性的方法相比，低温等离子体辐照改性材料表面具有经济效应好、设备需求低、对环境友好、对材料污染较小等显著优点，同时由于反应活性高，常常可以难以达到传统方法不能比拟的处理效果。

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