等离子体预处理的工作原理

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：2023-11-13

等离子体预处理是将材料暴露于非聚合性气体等离子体中利用等离子体轰击材料表面,引起高分子材料结构的许多变化而对高分子材料进行表面改性。

图1-1 等离子体与聚合物表面相互作用原理示意图

等离子体预处理的工作原理

等离子体预处理技术之所以可以应用于材料加工领域，主要是因为等离子体中蕴涵的各种离子、激发态分子、自由基和光子等多种高能活性粒子（如表1-1所示）可与聚合物表面相互作用（如图1-1）。等离子体的能量通过辐射、中性粒子流和离子流的碰撞作用传递到材料表面是其获得表面改性的根本原因。等离子体与材料能量交换的途径主要靠辐射和粒子碰撞。

表 1-1 低温等离子体中活性粒子能量与作用深度

活性粒子	能量（ev）	作用深度（um）
自由基、激发态原子 / 分子	5~10	>0.1
离子、电子	1~100	10
紫外线	5~20	10

辐射
光谱辐射的产生方式有多种：等离子体中含有高激发态的电子跃迁到低激发态或基态时会发出的线光谱辐射；自由电子被离子捕获复合成低价态的离子或中性粒子，也会释放多余能量的辐射出连续光谱；另外当带电粒子的运动状态发生变化也会产生连续光谱辐射。

等离子体中发出的光辐射属于红外光、可见光和紫外光等多个频谱段的辐射。对聚合物来说，对可见光的吸收是很微弱的，且可见光所含能量低，不会引起任何的化学反应；对红外光虽然强烈吸收，但也只是以转化热能的形式消散；而紫外光不仅能为聚合物强烈吸收，而且能使聚合物产生自由基，所形成的活性位置继而和等离子体中的组分发生化学反应，从而引起一系列的表面改性。

碰撞
碰撞是除辐射外导致产生改性变化的另一种方式，电离、正负荷电粒子复合、中性粒子激发、附着和离脱等元过程都可能在这个过程中发生。等离子体中的中性粒子通过连续不断的冲击固体表面将能量转移给聚合物。这些中性粒子具有四种形式的能量：动能、振动能、离解能（形成自由基）和激化能（亚稳态）。其中，动能和振动能只对聚合物产生加热的作用；而自由基离解能则是通过引起聚合物表面各种化学反应获得消散，也可与聚合物表面的自由基结合释放能量使聚合物加热；激化能是以与固体表面发生碰撞而达到能量消散的，这些亚稳态分子和原子的能量通常大于聚合物的离解能，因而在碰撞过程中会产生聚合物的自由基。

等离子体中的离子流带有动能，振动能和电能。离子流对聚合物的表面撞击将能量转移给了聚合物。另外还有体系中运动的电子流，研究认为非平衡态（低压）等离子体中仅有少量的电子有较高的能量（5~15eV），大部分电子处于0.5~5eV的能量水平。根据表2-2给出的有机化合物的键能，可以看出，大部分电子己经能够打开有机化合物的化学键，或者通过产生自由基，在表层形成新的化学结构。

表 2-2 有机物代表性键能