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等離子體材料表面改性技術是等離子體物理學、電力電子學與材料科學的交叉應用,在航空航天、超大規模集成電路、汽車制造、包裝印染、生物醫療、鋼鐵冶煉以及有害廢棄物處理等工業領域扮演著重要角色。技術實現的理論基礎源于等離子體富含極為活潑的反應物種,內部成分間的化學反應以及等離子體與材料表面的相互作用共同促成了材料表面的結構與性能變化。

等離子體由正負離子、自由電子、基態/激發態的原子(或分子)、光子等粒子組成,具備電磁性質,但對外整體呈電中性。物質由三態轉化成等離子態需要從外部獲取足夠高的能量,使得組成物質的原子的外層電子擺脫原子核的束縛成為自由電子。目前,可以通過加熱、輻射、光照或氣體放電的方法促使氣體電離,從而獲得人工等離子體。

介質阻擋放電(DielectricBarrierDischarge,DBD)又稱無聲放電(SilentDischarge),是氣體放電的一種形式,同時是制備低溫等離子體最常用的方式。電極表面或放電區間內絕緣介質的存在是介質阻擋放電有別于其他放電形式(如電暈放電、弧光放電等)的關鍵。以常規的兩電極負載結構為例,外部電壓施加于電極上,在放電區間內形成高強電場誘發氣體電離,帶電粒子在電場力的作用下向兩電極移動,之后絕緣介質表面聚集大量電荷,形成與外加電場方向相反的內電場,致使氣隙電場減弱,抑制了放電的不斷加劇直至放電熄滅,從而防止了放電向弧光放電或者火花放電轉化,保證了低溫等離子體的穩定產生。

介質阻擋放電在材料表面改性處理中的應用

根據特定的應用場合,材料需要被賦予相應的功能,例如親水、可印染、涂層粘合、耐磨、耐腐蝕、防氧化等等,基于低溫等離子體的表面改性技術就是實現這一目標的主要手段。介質阻擋放電產生的低溫等離子體具備很高的化學活性,內部的活性粒子與材料表面接觸后發生相互作用,其中物理作用過程包括:刻蝕、解吸、復合、激發、濺射、注入等;化學反應過程包括:氧化、還原、觸媒、分解、裂解和聚合等。一系列的物理、化學作用會改變材料表面的物理形貌與化學成分,賦予或者增強材料特定的功能活性。

采用介質阻擋放電對高聚物材料進行表面改性,活性粒子將能量傳遞到材料表面,作用深度僅為表層納米級別,且反應溫度低,不會對材料造成破壞性損傷。過程中發生的主要相互作用可以細化為如下三類:

刻蝕

放電產生的高能粒子與高聚物材料表面發生碰撞,并與表面分子反應,生成可揮發的小分子,去除了材料表面弱邊界,在材料表面形成許多坑洼、陷阱和孔洞,增加了表面粗糙度和比表面積,同時伴隨有分子鏈的斷裂和自由基的形成。材料表面粗糙化有利于潤濕性的提升以及涂層間粘合效果的增強。

交聯

介質阻擋放電產生的活性粒子能量高達幾個到幾十個eV,大于聚合物材料分子的結合鍵能,如C-H鍵的鍵能是4.3eV,C-N鍵的鍵能是2.9eV,C=O鍵的鍵能是8.0eV。高能帶電粒子轟擊材料表面促使原有的化學鍵斷裂、新的自由基生成,自由基相互作用使得材料表面的線型或支型高分子鏈以共價鍵連接成三維網狀結構,稱為交聯層。交聯層結構穩定,有助于抵抗由介質阻擋放電新引入的極性基團向內部翻轉,從而延長了改性效果的保持時間。等離子體放電發出的紫外光照也會引起交聯反應。

官能團引入

等離子體中的活性成分(如離子、自由基等)與材料表面斷裂的化學鍵重新結合,形成一些特定的活性基團,如羥基—OH,羧基—COOH和氨基—H2等,這些基團屬于極性親水基團,能夠顯著提升材料的潤濕性和親水性。引入的官能團種類與氣體成分密切相關。