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plasma等離子清洗機處理材料表面原理及其目的

文章出處:等離子清洗機廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時間:2023-01-09
等離子清洗機(plasma cleaner)可以理解為一種利用等離子體來進(jìn)行清洗的設(shè)備,其原理是在兩個電極之間形成高頻交變電場,用真空泵在裝置的密閉容器中實現(xiàn)一定的真空度隨著氣體越來越稀薄,分子間距及分子或離子的自由運動距離也越來越長,區(qū)域內(nèi)氣體在交變電場的激蕩下,形成等離子體。等離子體與物體材料表面的微顆粒污染物或者有機污染物進(jìn)行物理碰撞或者發(fā)生化學(xué)反應(yīng),進(jìn)而形成揮發(fā)性物質(zhì),最后再由真空泵將這些易揮發(fā)性的物質(zhì)排出腔體外部,從而達(dá)到清潔及活化物體材料表面的目的。
等離子清洗機
低溫等離子體材料表面改性技術(shù)作為一種干式改性工藝,不會產(chǎn)生傳統(tǒng)化學(xué)工藝處理的污染物,處理過程簡易,高效節(jié)能,且改性相當(dāng)均勻。此外,作為一種高能量的粒子聚集態(tài),低溫等離子體可以在對環(huán)境要求極低的條件下引發(fā)一系列復(fù)雜的物理反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng),如表面刻蝕、聚合、交聯(lián)、接枝等。且改性深度通常局限于幾十至幾百個納米,因此可以在不影響材料本體性能的前提下顯著改善材料表面特性,如黏著性、親水性、疏水性等,這種優(yōu)勢是其他改性方式難以替代的。此外,等離子體中的激發(fā)態(tài)粒子可以改性所有聚合物的表面,不論它們的結(jié)構(gòu)或化學(xué)反應(yīng)性如何,因此應(yīng)用范圍非常廣泛。

使用氣體等離子體還可以避免在濕化學(xué)技術(shù)中遇到的問題,如表面殘留溶劑和基質(zhì)膨脹。在不同類型的氣體環(huán)境中,如氬氣、氧氣、氮氣、氟氣和二氧化碳,可以根據(jù)需求產(chǎn)生各種獨特的表面特性。例如,氧等離子體處理可以提高聚合物的表面能;而氟等離子體處理可以降低聚合物的表面能并提高聚合物的化學(xué)惰性;惰性氣體等離子體則可以引發(fā)聚合物表面的交聯(lián)作用。

總之,利用等離子清洗機處理材料表面主要可以用于實現(xiàn)以下目的:

(1) 提升材料表面能;
(2) 改變材料表面形貌,即增加或減少表面粗糙度或結(jié)晶度;
(3) 提升疏水性或親水性(如圖1-1所示);
(4) 提升表面染色性;
(5) 引發(fā)表面交聯(lián)作用,形成交聯(lián)層;
(6) 增加表面潤滑性;
(7) 在表面產(chǎn)生特殊的官能團(tuán),以便與其他官能團(tuán)產(chǎn)生特定的相互作用;
(8) 增加表面導(dǎo)電性;
(9) 去除弱邊界層或污染物;
(10) 提升表面化學(xué)惰性
等離子體改善材料表面親水性能
圖1-1 等離子體改善材料表面親水性能

 
等離子清洗機處理材料表面原理:

低溫等離子體中包含著大量活性粒子,主要包括光子、電子、自由基、處于基態(tài)或受激的粒子(原子或分子)以及正離子和負(fù)離子。表2-1中列出了這些粒子能量的參數(shù)范圍。
低溫等離子體中不同粒子的能量范圍
可以看出,低溫等離子體中活性粒子的能量較高,而高分子材料中常見的重要化學(xué)鍵鍵能則較低,如表2-2所示。
高分子材料中常見的重要化學(xué)鍵鍵能
因此,等離子體中的高能粒子可以具有充足的能量打開材料表面的化學(xué)鍵,并同時產(chǎn)生游離基。游離基的化學(xué)活性非常高,因此在材料表面可以進(jìn)一步發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)(與氣相物質(zhì)或與材料表面物質(zhì))而產(chǎn)生新的化學(xué)鍵,最終達(dá)到改性的效果。

氣體等離子體與材料表面的反應(yīng)類型一般可以分為以下幾類:

(1) 表面反應(yīng):包括氣相物質(zhì)與材料表面物質(zhì)之間的反應(yīng),以及材料表面物質(zhì)之間的反應(yīng)(這里主要指氣體中的自由基和材料表面的自由基),可以分別在材料表面形成改性層(等離子體中的自由基與材料表面的自由基形成官能團(tuán)而引入材料表面)和交聯(lián)層(材料表面不穩(wěn)定的自由基之間發(fā)生的反應(yīng))。這些反應(yīng)的例子包括氬氣、氨氣、一氧化碳、二氧化碳、氟氣、氫氣、氮氣、二氧化氮、氧和水的等離子體處理。

(2) )蝕刻與清潔:通過化學(xué)反應(yīng)和物理蝕刻將物質(zhì)從材料表面去除的過程,形成揮發(fā)性產(chǎn)物。如含氧等離子體用于去除聚合物表面的有機污染物,例如低聚物、抗氧化劑等。蝕刻與清潔的區(qū)別僅僅在于從表面去除的物質(zhì)的量。氧等離子體和含氧、含氟等離子體常用于聚合物的刻蝕。

等離子體的生成(電子在電場加速作用下成為高能電子并引發(fā)碰撞電離,產(chǎn)生大量激發(fā)態(tài)粒子和自由基的過程)以及與材料表面的相互作用示意圖如圖3-1所示。
等離子體的生成以及與材料表面的相互作用示意圖
圖3-1 等離子體的生成以及與材料表面的相互作用示意圖

 
以上就是國產(chǎn)等離子清洗機廠家納恩科技關(guān)于等離子清洗機處理材料表面原理及其目的的簡單介紹,在不影響材料本體性質(zhì)的情況下,通過表面處理來改變材料表面的化學(xué)和物理性質(zhì)的研究已經(jīng)取得了許多進(jìn)展。其中利用低溫等離子清洗機處理材料表面技術(shù)由于具有高效率、低能耗、綠色環(huán)保等特點,且對環(huán)境要求很低,因此在眾多改性方法中具有顯著優(yōu)勢。
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